Ковалентная связь

Рис. 2.5. Расположение атомов углерода в структуре алмаза. Страт к и — направления обмена электронами

Ковалентная связь характеризуется высокой электронной плотностью в области между ионами, а также явно выраженным свойством направленности. К кристаллам с преимущественно ковалентной связью относятся алмаз (С), кремний (Si), германий (Ge), те.гяур (Те), т.е. вещества, атомы которых по своему положению в периодической системе не расположены близко к инертным газам. В структуре алмаза атомы углерода соединяются друг с другом так, что четыре их связи располагаются в пространстве симметрично. Каждый атом углерода помещается в центре тетраэдра, образованного атомами, являющимися его ближайшими соседями (рис. 2.5).

Ковалентная связь обычно образуется двумя электронами, по одному от каждого из соединяющихся атомов. Спины этих электронов антипарачлельны (| ().

Рассмотрим механизм образования ковалентной связи на примере связи в молекуле водорода Н₂. Пусть два атома водорода А и В (рис. 2.6) находятся на сравнительно большом расстоянии г друг от друга: атом А, состоящий из ядра а и электрона 1, и атом В, состоящий из ядра b и электрона 2. Вследствие того, что плотность электронного облака очень быстро падает с расстоянием, обнаружить электрон 1 у ядра b и электрон 2 у ядра а весьма маловероятно.

Рис. 2.6. К рассмотрению образования молекулы водорода

Было показано, что при г « « 50 А частота перехода будет составлять приблизительно один раз в 10¹² лет. Поэтому атомы А и В можно рассматривать как изолированные и энергию системы, состоящей из таких атомов, принимать равной 2 Во, где Е₍) — энергия изолированного атома в нормальном состоянии. При сближении атомов вероятность перехода электрона возрастает, и при г w 2 А частота перехода увеличивается примерно до 1/ к 10¹⁴ с^-1. При дальнейшем сближении степень перекрытия электронных облаков атомов возрастает настолько, что нет смысла говорить о принадлежности электронов какому-либо определенному атому, т.е. атектроны обобществлены. Это ведет к перераспределению плотности вероятности нахождения электрона на расстоянии г от одного или другого ядра ф² и изменению энергии системы по сравнению с энергией изолированных атомов.

Рис. 2.7. Вид распределения плотности вероятности нахождения электронов в молекуле водорода [59]

На рис. 2.7 пунктирными линиями (1) показана плотность вероятности для изолированных атомов, сплошной линией (2) — суммарная плотность, которая получилась бы при простом наложении электронных облаков изолированных атомов, и линией (3) — распределение плотности вдаль оси, соединяющей ядра а и Ь, фактически устанавливающееся при обобществлении электронов. Видно, что при обобществлении электронов происходит втягивание электронных облаков в пространство между ядрами.

Появление состояния с повышенной плотностью вероятности нахождения электронов в пространстве между ядрами вызывает уменьшение энергии системы и приводит к возникновению сил притяжения между атомами.

Количественный расчет для молекулы водорода был проведен Гейтлером и Лондоном. Они показали, что система из двух атомов водорода, в зависимости от направления спина электронов в них, может обладать двумя значениями энергии:

при антипараллельном направлении спинов и

при их параллельной ориентации. Здесь К — суммарная энергия электростатического взаимодействия электронов с ядрами, электронов между собой и ядер между собой. Ее называют также кулоновской энергией, и по знаку она отрицательна. А представляет собой энергию обменного взаимодействия, которая появляется вследствие перераспределения электронной плотности при образовании из атомов молекулы. По знаку она также отрицательна и по абсолютной величине значительно превосходит кулоновскую. S — интеграл неортогональности, величина которого заключена в пределах 1 ^ S ^ 0. Состояние с энергией Us называется симметричным, а с Uа — антисимметричным.

Поскольку К и А отрицательны, а 5|Л| < |JVT|, то при образовании антисимметричного состояния энергия системы увеличивается. Это соответствует возникновению сил отталкивания, и молекула не образуется.

Важными особенностями ковалентной связи являются насыщенность и направленность. Насыщенность выражает тот факт, что каждый атом способен образовывать ковалентную связь с определенным числом своих соседей. Так, каждый атом водорода может устанавливать связь лишь с одним своим соседом. Направленность ковалентной связи выражается в том, что связь образуется в тех направлениях, в которых локализуется электронная плотность, т. е. максимально перекрываются электронные облака. Вследствие направленности связей ковалентные кристаллы обладают высокой твердостью и хрупкостью.

В молекуле Н₂ энергия химических связей зависит только от расстояния между атомами. Но силы, действующие между атомами, не всегда центральны. Например, в алмазе атомы углерода находятся в тетраэдрическом окружении, и для расчета энергии надо знать не только расстояние между атомами, но и значения валентных углов (на рис. 2.5 aw 109°).

В реальных веществах ковалентные связи в чистом виде редко реализуются и имеют в какой-то мере частично ионный характер. Соединений, близких к идеально ионным, также чрезвычайно мало. Долю ионности связи можно оценить, исходя из атектроотрицательностей Х. и Хв взаимодействующих атомов ,4 и В. Относительная ионность равна 1—ехр —0,25 (Ха — Хв)² ? Если ионность равна 1, т.е. составляет 100 %, то связь между атомами чисто ионная; если она равна 0, то связь чисто ковалентная. В табл. 2.4 [63, 102] приведены приблизительные значения ионности связи (в процентах) для некоторых соединений.

Таблица 2.4. Доля ионной связи в межатомном взаимодействии для некоторых соединений

Существует достаточно много схем классификации материалов, основывающихся на их различных физических свойствах. Например, по магнитным свойствам все вещества относят к трем основным типам магнетиков: диа-, пара- и ферромагнетикам. Другая классификация основывается на электрических свойствах веществ и подразделяет их на проводники, диэлектрики и полупроводники. Часто используемая в современной научной литературе схема деления материалов на классы базируется на их принадлежности к металлам, керамикам и стеклам, полупроводникам и полимерам. На рис. 2.8 схематически показано, какие виды межатомной связи ответственны за образование каждой их этих

Рис. 2.8. Тетраэдр, представляющий относительное распределение различных типов связи в четырех основных категориях матери адов [98]

четырех категорий материалов.