Лекция 6 Типы межатомных связей

Курс Физика твердого тела и межфазных границ
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
Лекция 6
ТИПЫ МЕЖАТОМНЫХ
СВЯЗЕЙ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
(2 часа)
Лекция 6 Типы межатомных связей
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
2013
ПЛАН ЛЕКЦИИ
• Ионная связь.
• Смешанные ионно-ковалентные связи.
• Водородная связь.
• Металлическая связь.
2
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
МЕХАНИЗМЫ МЕЖАТОМНЫХ СВЯЗЕЙ –
обусловлены действием сил электромагнитной
природы (притяжение и отталкивание)
Энергия связи – разность между полной энергией атомов в
конденсированном состоянии и полной энергией того же
количества изолированных атомов
Есвязи = Пизол атомов - Пконденс - Кконденс
Есвязи ~ 0,1÷7эВ/атом
3
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
Механизм Ван-дер-Ваальсовского взаимодействия I
Есвязи
~ 0,2 эВ/атом
Решение квантово-механической задачи (Лондон, 1930 г.) показало, что у
электрически нейтрального свободного атома имеется отличный от нуля
флуктуирующий дипольный момент (с быстро меняющимися ориентировкой и
амплитудой) из-за которого электрически нейтральные атомы притягиваются
друг к другу (за счет электромагнитных сил).
Если два атома находятся друг от друга на расстоянии r, то (мгновенное)
электрическое поле, действующее со стороны одного атома на другой будет ~ 1/r)3,
а потенциальная энергия взаимодействия между диполями
При r стремящихся к межатомным происходит перекрытие электронных оболочек и
ослабление силы притяжения
4
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
Механизм Ван-дер-Ваальсовского взаимодействия II
Согласно принципа Паули, в одном и том же квантовом состоянии может находиться
только один электрон.
Следовательно, перекрытие электронных облаков атомов с почти заполненными
электронными оболочками (инертные газы) возможно лишь тогда, когда часть
электронов перейдет на более высокие орбиты (состояния), для чего требуется
дополнительная энергия – то есть сила притяжения между атомами будет уменьшаться
Зависимость энергии отталкивания двух электрически нейтральных атомов от r
, где ρ – характерная длина (ρ << ro)
5
Лекция 6 Типы межатомных связей
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
2013
Ван-дер-Ваальсовские кристаллы
Решение квантово-механической задачи о взаимодействии многих нейтральных
атомов показывает, что полная энергия диполь-дипольного взаимодействия также
определяется выражением
и не зависит от направления
связи
Поэтому твердые тела с В-д-В связями должны кристаллизоваться в
плотноупакованные структуры с максимальным числом ближайших соседей.
Кристаллы инертных газов Ne, Ar, Kr, Xe у которых внешние электронные
оболочки заполнены) имеют ГЦК- решетку (12 ближайших соседей).
Большинство кристаллов с В-д-В связями – это молекулярные кристаллы (связи
между молекулами насыщенные) и кристаллы газов H2,
Для хлора: энергия возгонки – 0,2
N2, Cl2.
эВ (В-д-В связь), а энергия диссоциации – 2,5
эВ (ковалентная связь)
6
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ
Ковалентная или гомеополярная
связь образуется за счет между двумя
электронами, когда они обобщены
парой соседних атомов.
Из-за чего в области между этими
атомами возникает повышенная
плотность отрицательного
(электронного) заряда и
преимущественные направления
связей
КОВАЛЕНТНЫЕ СВЯЗИ –
НАПРАВЛЕННЫЕ СВЯЗИ
Углерод может образовывать 4 связи
вдоль ребер тетраэдра (угол 109,5о) –
это алмаз
7
Лекция 6 Типы межатомных связей
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
2013
ВЕЩЕСТВА С КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗЬЮ
• Органические соединения
• Галогены F2,
•
Cl2, Br2, I2,
Простые газы H2, N2, O2
• Неметаллы (элементы VI, V, IV групп): Te,
•
As, Si, Ge
Соединения, подчиняющиеся правилу 8-N InSb, GaAs, ZnS
Ковалентным кристаллам свойственен
полиморфизм или аллотропия
ZnS может быть как в кубической (цинковая
обманка), так и в гексогональной форме
(вюрцит)
8
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
Кристаллы со смешанными ковалентными и
Ван-дер-Ваальсовскими связями
Графит
Teллур Te
9
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
ИОННАЯ СВЯЗЬ
Ионный кристалл состоит из
положительных и отрицательных ионов.
Устойчивость дальнего порядка в такой
системе обусловлено кулоновскими силами
притяжения/отталкивания
К ионным кристаллам относят: щелочно –
галлоидные кристаллы NaCl, CsI, KBr
Размеры катиона металла в кристалле с
ионной связью всегда должны быть меньше
размера аниона галогена
10
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
ЧЕМ ОТЛИЧАЕТСЯ ИОННАЯ СВЯЗЬ ОТ
КОВАЛЕНТНОЙ?
Ионная связь – переход
электрона от атома металла к
атому галогена.
Ковалентная связь –электроны,
образующие связь между двумя
атома, «обобществляются»
Насколько реалистична планетарная модель атома Резерфорда?
Можно ли считать такую модель межатомных связей физически
непротиворечивой (правильной)?
11
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
МЕХАНИЗМ ИОННОЙ СВЯЗИ
Когда положительные и отрицательные ионы
уединены – энергия их кулоновского
(электростатического) взаимодействия есть
Благодаря отталкиванию, возникающему при
перекрытии заполненных электронных оболочек
аниона и катиона (см. принцип Паули)
или
Результирующая сила, действующая между
анионом и катионом имеет вид
12
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
КРИСТАЛЛЫ С ИОННОЙ СВЯЗЬЮ
 ПРИМИТИВНАЯ КУБИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА
 АТОМ ИМЕЕТ 6 БЛИЖАЙШИХ СОСЕДЕЙ
13
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
СМЕШАННАЯ ИОННО-КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ I
Для ионной связи необходимы (1)
существенно электроположительная
(катион) и (2) существенно
электроотрицательная (анион)
компоненты.
К ионным кристаллам относят:
щелочно – галлоидные кристаллы
NaCl, CsI, KBr
Если электроположительные / электроотрицательные свойства компонентов не
столь различны, то говорят об ИОННО-КОВАЛЕНТНОМ ТИПЕ СВЯЗИ.
, где ψ – волновая функция электрона, λ – параметр,
определяющий степень ионности
-ионнность
14
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
ЗАВИСИМОСТЬ ИОННОСТИ СВЯЗИ ОТ
РАЗНОСТИ ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТИ
15
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ
Атом водорода (с одним валентным
электроном) может образовать
одну ковалентную связь.
Также он может участвовать в образовании дополнительной
электростатической связи с атомом, обладающим сильной
электроотрицательностью (фтор, кислород, азот)
ЭТО – ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ
Е
связи
~ 0,1 ÷ 0,5 эВ/атом
Примеры:
• Связь между молекулами воды в кристаллах льда;
• Полимеризация HF, HCN, NH4F;
• Органические и биологические вещества
16
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
У МЕТАЛЛОВ
• Большие расстояния между ядрами в ионном основе
• Большое число ближайших соседей в решетке
17
Лекция 6 Типы межатомных связей
2013
http://ums.physics.usu.ru/fttmf/index.html
МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
Физическая модель металла (для описания
кинетических свойств): электронный газ в
периодической решетке положительно заряженных
ионов
18