Типы зарядов в веществах

Заряды в диэлектриках

Реальный диэлектрик состоит из сильно связанных зарядов, слабо связанных зарядо в и свободных зарядов

Сильно (упруго) связанные заряды - электроны в диэлектриках с ковалентной и ионной связями, ионы в кристаллических веществах с плотной упаковкой решетки ионами. Под действием электрического поля заряды упорядоченно смещаются из равновесных положений только на ограниченные расстояния: электроны смещаются в пределах атома или иона, ионы – в пределах элементарной кристаллической ячейки.

Слабо связанные заряды – диполи в полярных веществах; ионы в кристаллах с неплотно упакованной кристаллической решеткой, в аморфных веществах ионного строения, ионы, находящиеся в узлах решетки вблизи вакансий, ионы примесей и т.п. В отсутствие электрического поля слабо связанныезаряды могут находиться в нескольких равновесных положениях.

Из одного положения они хаотически перемещаются в другое под действием температуры.

Под действием электрического поля происходит направленное перемещение зарядов из одного равновесного положения в другое или поворот диполей. Смещение слабо связанныхзарядов происходит на большие расстояния, чем смещение сильно связанных зарядов.

Свободные заряды – свободные электроны и ионы, образующиеся в диэлектриках под действием высокой температуры, сильного электрического поля, ионизирующего изучения в результате ионизации или диссоциации диэлектрика или его примесей, а также диффузии электронов из металлических электродов. Под действием электрического поля свободные заряды приобретают в диэлектрике направленное движение, разряжаются на электродах и создают ток сквозной проводимости.

Заряды в проводниках и полупроводниках

В проводниках сильно связанными зарядами являются узлы кристаллической решетки (положительные ионы), свободными зарядами – свободные электроны (электронный газ).

В полупроводниках сильно связанными зарядами являются узлы кристаллической решетки и электроны, участвующие в ковалентных связях, свободными зарядами – свободные электроны и «дырки», возникающие при внешних энергетических воздействиях.

Ионная связь образуется за счет преимущественного смещения электронной плотности (вероятности нахождения электрона в данной точке пространства) валентных электронов взаимодействующих атомов в сторону более электроотрицательного атома.

Абсолютная электроотрицательность атома 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.

При формировании ионной связи образуются разноименно заряженные ионы, которые, притягиваясь друг к другу, создают устойчивую ионную кристаллическую решетку. Ионная связь реализуется, например, в кристаллах NaCl (рис. 1.10). На рис. 1.10a приведены изолинии электронной плотности. Большая толщина линий соответствует большей электронной плотности.

Ионная связь имеет большую величину Е (табл.1.1), поэтому вещества с такой связью имеют высокий модуль упругости, малую пластичность, высокие Т _пл и Т _исп, малый коэффициент температурного расширения. Вещества являются диэлектриками или полупроводниками, так как не имеют свободных зарядов (электронов и ионов), способных перемещаться в веществе под действием разности потенциалов и создавать электрический ток.

Таблица 1.1

Энергии кристаллической решетки некоторых кристаллов

Кристалл	Энергия кристаллической решетки Е, кДж/моль или кДж/г-атом	Преимущественный тип связи
LiF		ионная
NaCl
Алмаз		ковалентная
SiC
Fe		металлическая
Al
Поливинилхлорид	134 (энергия термической деструкции)	межмолекулярная Ван-дер–Вальса
Н2О		межмолекулярная водородная

Ковалентная связь образуется за счет обобществления электронов двух или более одинаковых или разнородных атомов.

Например, в алмазе каждый атом углерода достраивает свою валентную оболочку до полностью заполненного состояния за счет обобществления электронов четырех соседних атомов углерода (рис.1.11б).

а)

Сll

Na

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Na

	б)

	в)

Рис. 1.10. Ионная связь в кристалле NaCl: a) – распределение электронной плотности, б) – взаимодействие ионов, в) – кристаллическая решетка NaCl

В кристалле алмаза максимальная электронная плотность и, соответственно, максимальный отрицательный заряд создаются между катионами углерода (рис. 1.11в).

Указанные отрицательные заряды и катионы взаимодействуя друг к другом, создают устойчивую ковалентную кристаллическую решетку вещества.

Ковалентная связь реализуется и между различными атомами, например, в карбидах (Fe₃C, SiC и др.) или нитридах (AlN и др.).

Ковалентная связь имеет большую величину Е (табл.1.1). Вещества имеют высокий модуль упругости, высокие значения Т _пл и Т _исп., малый коэффициент температурного расширения. Эти вещества полупроводники или диэлектрики.

Кроме того, ковалентная связь характеризуется направленностью, под которой подразумевают, что каждый атом вступает в обменное взаимодействие строго с определенным и ограниченным числом атомов. Поэтому ковалентные кристаллические решетки имеют малое координационное число и отличаются малой плотностью упаковки ионов, а вещества с ковалентной связью имеют низкую плотность.

	C

	C

	C

	C

	C

3s²

б)  

а)

3р²

-

Рис.1.11. Ковалентная связь в кристалле алмаза:

а) - электронное строение атома углерода, б) - схема ковалентной связи,

в) - распределение электронной плотности в кристалле алмаза

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 тепловые колебательные движения около положения равновесия и электронного газа (рис.1.12).

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.

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

Рис. 1.12. Схема металлической связи в кристалле металла

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.

Наиболее важными классами материалов, где реализуется межмолекулярная связь, являются органические и неорганические полимерные материалы.

Межмолекулярная связь слабая, вещества с такой связью имеют малую энергию кристаллической решетки (табл. 1.5), низкие температуры плавления и кипения, малый модуль упругости. Молекулярные кристаллы – диэлектрики.

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 %.

Контрольные вопросы

1. Что такое материал?

2. Что изучает материаловедение?

3. Что такое кристаллическая решетка?

4. Какие типы элементарных кристаллических ячеек Вы знаете?

5. Что такое изотропия, анизотропия, квазиизотропия?

6. В чем заключается полиморфизм железа?

7. В чем причина перехода вещества из одной полиморфной модификации в другую?

8. Какие виды дефектов кристаллического строения Вы знаете?

9. Что такое энергия кристаллической решетки? Как она влияет на свойства материалов?

10. Какие типы связи между структурными частицами вещества Вы знаете?

РАЗДЕЛ 2: «ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ»

ЛЕКЦИЯ №2. «ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ»

Дата добавления: 2017-01-13