1. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Большинство твердых тел представляет собой кристаллы. Изучение свойств кристаллов, процессов, происходящих в них при различных воздействиях, стало возможным благодаря расширению и углублению представлений о природе межатомного взаимодействия и электронного строения вещества.

1.1. МЕЖАТОМНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ

Все механизмы связи между атомами, приводящие к образованию молекул и кристаллов, обусловлены силами электрического притяжения и отталкивания, т. е. имеют электрическую природу. Типы и силы связи зависят от конкретного строения электронных оболочек взаимодействующих атомов. В основе одной из классификаций твердых тел лежит характер межатомных сил. Согласно этой классификации все твердые тела разделяют на четыре типа: ионные, молекулярные, ковалентные и металлические кристаллы.

Связи, которые традиционно выделяют в твердых телах: ионная, ван-дер-ваальсовая, ковалентная и металлическая. Ни одна из них не встречается в чистом виде, и по характеру преобладающей связи данное вещество относится к тому или другому типу.

При рассмотрении межатомных связей вводят следующие характеристики: первый потенциал ионизации и сродство атома к электрону.

Первый потенциал ионизации (е7) соответствует энергии, необходимой для отрыва электрона от нейтрального невозбужденного атома. Минимальные значения потенциала ионизации имеют атомы щелочных металлов (Ы, N3, К, КЬ, Се).

Энергию (Э), освобождающуюся при присоединении электрона к нейтральному невозбужденному атому с образованием аниона, называют сродством атома к электрону. Наибольшим сродством к электрону обладают атомы галогенов Е, С1, Вг, I. При взаимодействии атомов одного вида с атомами другого вида характер химической связи определяется их способностью захватывать или отдавать валентные электроны. Эта способность характеризуется так называемой электроотрицательностью атомов X. За приближенное значение электроотрицательности принимают среднее арифметическое первого ионизационного потенциала и энергии сродства к электрону:

Все элементы периодической таблицы можно расположить в ряд по значению электроотрицательности. Каждый ряд начинается с наиболее электроположительных элементов, т. е. склонных к образованию положительных ионов (щелочные металлы). На противоположном конце каждого ряда располагаются наиболее электроотрицательные элементы, т. е. образующие отрицательные ионы (галогены). Таким образом, в левой части каждого ряда располагаются элементы с наиболее выраженными металлическими свойствами (металлы), а в правой — элементы с неметаллическими свойствами (металлоиды). Связь между ними трактуется как ионная. Так как она осуществляется между противоположно заряженными ионами, то ее называют — по полярности ионов — гетерополярной. К го- мополярным относят металлическую и ковалентную связи. Названные типы связей являются предельными случаями химического взаимодействия.

Для количественной оценки энергии связи атомов в твердом теле рассмотрим случай молекулы, состоящей из двух атомов А и В. Если атомы находятся далеко друг от друга, то они ведут себя как свободные. Энергия такой системы равна сумме энергий этих атомов, которую можно произвольно принять за нуль. Атомы не взаимодействуют друг с другом до тех пор, пока расстояние г между ними велико по сравнению с (га + гь), где га и гь — радиусы атомов А и В. При уменьшении расстояния между атомами энергия системы понижается по сравнению с суммарной энергией изолированных атомов и возникает сила притяжения, чему соответствует понижение потенциальной энергии взаимодействия системы Щг). При некотором расстоянии г = г0 энергия и(г) достигает минимального значения, которое соответствует силе:

Этот минимум обязательно существует, иначе молекула вообще не могла бы образоваться. При дальнейшем сближении атомов между ними начинают действовать силы отталкивания, быстро возрастающие с уменьшением г, что также сопровождается возрастанием потенциальной энергии {/(г). Такое поведение может быть описано путем представления полной потенциальной энергии в виде суммы

Рис. 1.1

Зависимость полной потенциальной энергии взаимодействия двцх атомов

двух членов, из которых один (отрицательный) соответствует энергии сил притяжения, а другой (положительный) — энергии сил отталкивания:

На рис. 1.1 схематически изображены кривые этих потенциалов и суммарная кривая, соответствующая полной потенциальной энергии системы.

При г = г0, соответствующем минимуму энергии системы, силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания Е = Еот, при этом образуется молекула АВ со стабильной конфигурацией. Глубина минимума и(г) равна энергии связи атомов в молекуле. Для оценки энергии связи необходимо знать зависимость потенциалов притяжения и отталкивания от расстояния г между взаимодействующими атомами. Конкретный вид этих зависимостей определяется природой взаимодействующих атомов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >