Типы связей между структурными частицами вещества

Различают следующие типы связи между структурными частицами вещества (ионы, молекулы): ковалентная, ионная, металлическая и межмолекулярная (рис. 1.10.)

Рис. 1.10. Типы связей между структурными частицами вещества

Рассмотрим некоторые понятия.

Электроотрицательность атома ЭО определяется как:

ЭО = W _и + W _с,

где W _и – энергия ионизации, W _с – сродство к электрону.

Энергия ионизации – количество энергии, которое нужно затратить, чтобы превратить нейтральный атом в положительно заряженный ион.

Сродство к электрону - количество энергии, которое выделяется при присоединении электрона к нейтральному атому, то есть при превращении его в отрицательный ион.

Дипольный момент μ оценивает степень полярности молекул:

μ = | q |· l, Кл·м, (1)

где | q |·- абсолютная величина заряда, Кл; l – расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов, м.

Если l = 0, то есть центры положительных и отрицательных зарядов в молекуле находятся в одной точке, то молекула называется неполярной ( μ = 0).

Если l > 0, то есть центры положительных и отрицательных зарядов в молекуле не совпадают, то молекула называется полярной или дипольной или просто «диполем» ( μ > 0).

Соответственно, вещества, состоящие из полярных молекул, называются полярными, а вещества, состоящие из неполярных молекул – неполярными.

Ковалентная связь

Ковалентная связь образуется путем обобществления валентных электронов двух или более одинаковых или разнородных атомов.

Полярная ковалентная связь образуется при объединении в молекулу двух или более атомов различных химических элементов. Объединение сопровождается смещением электронной плотности (вероятности нахождения электрона в данной точке пространства δ) в сторону более электроотрицательного атома с образованием дипольного момента. При этом межъядерное пространство имеет отрицательный заряд, а атомные остовы – положительный. Взаимодействие указанных зарядов создает устойчивую кристаллическую или аморфную структуру материала.

Полярная ковалентная связь образуется в молекуле воды (рис.1.5), в карбидах (Fe₃C, SiC и др.), нитридах (AlN и др.).

Неполярная ковалентная связь образуется при объединении в молекулу одинаковых атомов, например, при образовании молекулы водорода (рис.16.6).

Рис. 16.5. Строение полярной молекулы воды:

δ_i – электронная плотность, δ₁ > δ₂ > δ₃

Рис. 16.6. Строение неполярной молекулы водорода:

δ₁ > δ₂ > δ₃

Ионная связь

Ионная связь образуется за счет преимущественного смещения электронной плотности валентных электронов взаимодействующих атомов в сторону более электроотрицательного атома.

При формировании ионной связи образуются разноименно заряженные ионы, которые, притягиваясь друг к другу, создают устойчивую ионную кристаллическую решетку или аморфную структуру. Ионная связь реализуется, например, в кристаллах NaCl (рис. 16.7). На рис. 16.7 приведены изолинии электронной плотности. Большая толщина линий соответствует большей электронной плотности.

δ₁  

Сll

Рис. 16.7. Ионная связь в NaCl: δ₁> δ₂> δ₃> δ₄

Металлическая связь

Металлическая связь заключается в обобществлении валентных электронов всех атомов металла с образованием так называемого электронного газа или электронов проводимости.

Металл состоит из положительных ионов, расположенных в пространстве в определенном порядке и совершающих непрерывные хаотические тепловые колебательные движения около положения равновесия (фононы) и электронного газа (рис.16.8).

Взаимодействие электронного газа, имеющего отрицательный заряд, и положительных ионов приводит к образованию устойчивой кристаллической решетки металла. Электронная плотность примерно одинакова в любой точке межионного пространства. Валентные электроны слабо связаны с ионами, могут свободно перемещаться по объему вещества под действием электрического поля. Поэтому вещества с металлической связью являются проводниками.

Рис. 16.8. Схема металлической связи в кристалле металла

Межмолекулярная связь

Межмолекулярная связь обусловлена силами межмолекулярного притяжения (силами Ван-дер–Ваальса) между молекулами.

Межмолекулярные силы имеют электрическую природу и являются результатом одновременного действия трех эффектов – ориентационного, индукционного и дисперсионного. Энергия межмолекулярного взаимодействия определяется как:

Е = Е _о+ Е _и+ Е _д,

где Е _о, Е _и, Е _д - энергииориентационного, индукционного и дисперсионного взаимодействий, соответственно.

Ориентационное притяжение (постоянный диполь - постоянный диполь) осуществляетсямежду молекулами, имеющими постоянный дипольный момент

m = |q|· r,

где |q| - модуль заряда диполя, r – расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов диполя. Энергия взаимодействия Е _о ~ r ^-1.

Индукционное притяжение (постоянный диполь – наведенный индуцированный диполь) возникает между полярной и неполярной молекулами при условии, что последняя способна поляризоваться под действием постоянного диполя. Энергия взаимодействия Е _и ~ r ^{- 6}.

Дисперсионное притяжение (мгновенный диполь – наведенный индуцированный диполь). В неполярных молекулах в результате случайных флуктуаций электронной плотности возникают мгновенные диполи, индуцирующие диполи в соседних неполярных молекулах. Энергия такого взаимодействия Е _д ~ r ^{- 6}.

Особым типом межмолекулярного взаимодействия является водородная связь – связь между катионом водорода одной молекулы и анионом другой молекулы, например, N^-3, О^-2, F^-1. Природа водородной связи двояка: c одной стороны – это диполь-дипольное взаимодействие, а с другой – донорно-акцепторное взаимодействие между электронами электроотрицательного атома и электроном атома водорода.

Межмолекулярная связь реализуется в низкомолекулярных веществах, например, в воде, парафине, и в высокомолекулярных веществах – органических и неорганических полимерах. Вещества молекулярного строения, главным образом, диэлектрики.

Вещества с ковалентной, ионной и межмолекулярными связями являются диэлектриками или полупроводниками, вещества с металлической связью – проводниками.

В материалах, как правило, реализуются одновременно несколько типов связей, а их количественная оценка имеет вероятностный характер. Например, в кристалле железа вероятность нахождения валентных электронов в виде электронного газа (вероятность металлической связи) составляет 55 %, а вероятность обобществления валентных электронов несколькими атомами (вероятность ковалентной связи) – 45 %.

Дата добавления: 2017-01-13