1. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛА
1.1. Понятия о межатомных силах связи
В природе все тела существуют в одном из трех агрегатных состояний: жидком, твердом и газообразном. В газовом состоянии расстояние между атомами очень велико (порядка десяти атомных диаметров и более), поэтому силы межатомного сцепления небольшие, и атомы могут относительно легко перемещаться и менять своих соседей. В жидкостях и твердых телах атомы находятся в непосредственной близости между собой.
В твердом состоянии вещества могут иметь аморфную и кристаллическую структуру. Аморфные тела представляют переохлажденные вязкие жидкости и от обычных жидкостей отличаются только степенью податливости. Вязкость аморфных тел с повышением температуры падает постепенно, при этом невозможно четко определить температуру перехода из твердого состояния в жидкое.
Физика твердого тела рассматривает только кристаллические тела, у которых атомы находятся в строго определенном порядке. Такие вещества имеют строгую температуру плавления, зависящую от внешнего давления. Химическое сродство атомов предусматривает наличие между ними сил притяжения, а взаимное отталкивание ядер – сил отталкивания. Величина этих сил зависит от расстояния между ними. Поэтому взаимное расположение атомов в том или другом агрегатном состоянии определяется равнодействующей этих сил, связанной с энергией их взаимодействия, которую в первом приближении можно определить в виде суммы двух слагаемых
(1.1)
где Uот и Uпр - потенциалы сил отталкивания и притяжения соответственно.
На рис. 1.1 представлены зависимости потенциалов сил отталкивания и притяжения от расстояния между атомами. Как видно из рисунка, при значительных расстояниях между атомами силы притяжения (Uпр) малы, а силы отталкивания (Uот) вообще равны нулю. При сближении атомов силы притяжения возрастают, а потенциальная энергия приобретает отрицательное значение (кривая U(r)). При дальнейшем сближении атомов начинают проявляться силы отталкивания, которые определяют положительную составляющую потенциальной энергии. Положение минимума на кривой энергии U(r) соответствует равенству сил притяжения и отталкивания и равновесному расстоянию между атомами. Дальнейшее сближение атомов приводит к повышению потенциальной энергии за счет увеличения сил притяжения.
Чем больше глубина потенциальной ямы (U0), тем прочнее атомы связаны между собой. Значение U0 определяет агрегатное состояние вещества, которое в первую очередь зависит от температуры и давления. Повышение давления приводит к уменьшению объема, а, следовательно, уменьшению межатомного расстояния. Повышение температуры действует в противоположном направлении.
Рис. 1.1. Изменение потенциалов сил отталкивания и притяжения в зависимости от расстояния между атомами
В твердых телах различают три основных вида межатомарных связей: ионную, ковалентную и металлическую.
Ионная связь имеет место в молекулах и кристаллах, состоящих их положительных и отрицательных ионов, между которыми действуют электрические (кулоновские) силы притяжения, удерживающие их в молекулах или кристаллах в определенном положении. Ионы при таком взаимодействии располагаются так, что кулоновские силы притяжения между противоположно заряженными ионами значительно превышают кулоновские силы отталкивания между одноименно заряженными ионами. В результате этого степень ионизации атомов, составляющих ионный кристалл, бывает такова, что электронные оболочки всех ионов соответствуют электронным оболочкам внешних электронов атомов инертных элементов.
Ионная связь характеризуется ненасыщенностью и ненаправленностью. Её ненасыщенность проявляется в том, что каждый ион стремиться приблизить к себе как можно больше противоположно заряженных ионов, т.е. образовать структуру с высоким координационным числом.
Из-за большой энергии ионной связи ионные кристаллы обладают значительной прочностью, твердостью, высокими температурами плавления и малым коэффициентом термического расширения. Так как в ионных кристаллах все электроны сосредоточены на атомарных орбиталях отдельных атомов и не могут принимать участия в проводимости, то все ионные кристаллы являются хорошими изоляторами.
Ковалентная или гомополярная связь возникает в результате обобществления внешних электронов двумя или большим числом атомов, образующих в итоге устойчивую электронную структуру типа (ns)2(np)6. Обобществленные электроны имеют попарно противоположную ориентацию спинов, вследствие чего ковалентную связь можно представить как обменное взаимодействие электронов, в результате которого возникает эффект резонанса, т.е. электроны начинают принадлежать частично обоим атомам и не связаны ни с одним из них. Это приводит к перераспределению электронной плотности и изменениям энергии системы атомов по сравнению с суммарной энергией изолированных атомов.
Для ковалентных связей характерна насыщенность, выражающаяся в том, что каждый атом может иметь связь только с определенным количеством своих соседей, необходимых для образования внешней устойчивой электронной оболочки (ns)2(np)6. Число необходимых соседей определяется правилом (8-N), где N – количество электронов на внешней оболочке данного атома, которое одновременно определяет его принадлежность к N-й группе Периодической системы.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
