Сравнительная характеристика связей
Сделаем некоторые выводы. Как мы видим, твердые тела по типам связей делятся на пять классов, каждый из которых характеризуется своим пространственным распределением электронов, что и определяет величину энергии связи.
В ионных кристаллах основные силы, действующие между ионами, – силы электростатического притяжения. Распределение электронного заряда вблизи каждого иона близко к сферическому и слегка нарушается в области контакта соседних ионов.
В кристаллах с ковалентной связью валентные электроны обобществлены соседними атомами. Кристалл по существу представляет собой огромную молекулу. Этот тип характеризуется высокой электронной плотностью между ионами и резкой направленностью связей.
У большинства металлов (например, щелочных) энергию связи обусловливают электроны проводимости; металл можно представлять как решётку из положительных ионов, погруженную в электронную жидкость. Она является некой связующей средой, которая не позволяет ионной решетке разрушиться.
Связь Ван-дер-Ваальса, как ранее было сказано, является наиболее универсальной, она возникает между любыми частицами, но это и наиболее слабая связь, энергия ее примерно на два порядка ниже энергии ионной и ковалентной связи. Поскольку дисперсионное взаимодействие оказывается очень слабым, молекулярные связи четко проявляются лишь в тех случаях, когда они возникают между атомами или молекулами. Молекулярная связь легко разрушается тепловым движением. Поэтому молекулярные кристаллы обладают низкими температурами плавления, большими коэффициентами теплового расширения, большой сжимаемостью, малой твердостью.
Примером кристалла с молекулярной связью может служить кристаллическая решетка иода. Так, твердый иод имеет молекулярную кристаллическую решетку, в узлах которых находятся молекулы I2. Аналогичным образом построена кристаллическая решетка твердого диоксида углерода (сухой лед) – в узлах кристаллической решетки находятся молекулы CO2.
В качестве примера в табл. 2.3 приведены величины энергии связи для различного типа кристаллов.
Таблица 2.3. Классификация кристаллов по типам связей
| Тип кристалла | Пример | Энергия связи, ккал/моль эВ/атом | Характерные свойства |
| Ионный | NaCI | 180-220 7,8 – 9,5 | Отражение и поглощение света в инфракрасной области; малая электропроводность при низких температурах; хорошая ионная проводимость при высоких температурах |
| Атомный (с ковалентной связью) | С (алмаз), Ge, Si | 170-283 7,4 – 9,3 | Высокая твёрдость (у чистых образцов), слабая проводимость при низких температурах |
| Металлический | Cu, Al | 26-96 1,1 – 4,2 | Высокая электропроводность |
| Молекулярный | Ar, СН4 | 1,8 0,08 | Низкие точки плавления и кипения, сильная сжимаемость |
| С водородными связями | Н2О (лёд) H2F | 3-10 0,13 – 0,45 | Тенденция к полимеризации; энергия связи между молекулами больше, чем у аналогичных молекул без водородных связей |
Контрольные вопросы и задачи
1. Почему ковалентная связь является насыщаемой?
2. Почему энергия связи в молекуле Н2 значительно больше энергий связей в двухатомных молекулах других s-элементов первой группы?
3. Как образуется ионная связь? Почему ионная связь является ненаправленной и ненасыщенной?
4. Вычислить постоянную Маделунга для одномерной решетки (линейной цепочки), состоящей из последовательно чередующихся положительных и отрицательных ионов.
5. В кристалле хлорида натрия каждый катион натрия окружен шестью анионами хлора, а каждый анион хлора окружен шестью катионами натрия. Почему константа Маделунга для кристалла хлорида натрия не равна шести?
6. Какими особенностями металлической связи определяются такие свойства металлов как электро- и теплопроводность, ковкость, пластичность?
7. В чем сходство и различия а) между металлической и ионной связью; б) между металлической и ковалентной связью?
Литература к главе 2
1. Фридрихов, С.Ф. Физические основы электронной техники [Текст]: учеб. / С.Ф. Фридрихов, С.М. Мовнин. – М.: Высш. школа, 1982. – 608 с.
2. Блейкмор, Дж. Физика твердого состояния [Текст]: пер. с англ. – М.: Металлургия, 1972. – 488 с.
3. Уэрт Ч. Физика твердого тела [Текст]: пер. с англ. / Ч. Уэрт, Р. Томсон. – М.: Мир, 1966. – 568 с.
4. Перлин, Е.Ю. Физика твердого тела. Оптика полупроводников, диэлектриков, металлов [Текст]: учеб. пособие / Е.Ю. Перлин, Т.А. Вартанян, А.В. Федоров. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. – 216 с.
5. Гуртов, В.А. Физика твердого тела для инженеров [Текст]: учеб. пособие / В.А. Гуртов, Р.Н. Осауленко. – М.: Техносфера, 2007. – 520 с.
[1] Самуэль Ирншоу (англ. Samuel Earnshaw, 1805–1888) – английский математик и физик. Известен своим вкладом в теоретическую физику, и более всего, названной его именем теоремой о неустойчивости равновесия конфигурации точечных зарядов.
[2] Шредингер Эрвин (нем. Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger, 1887 – 1961) – австрийский физик-теоретик, один из основателей квантовой теории. Нобелевская премия за 1933 г.
[3] Дипольный момент измеряют в дебаях [D]. Два заряда (+е и –е), расположенные на расстоянии 0,1 нм, создают дипольный момент р= 4,8 единиц СГС∙10-8 см = 4,8 D = 0,33∙10-27 Кл∙м.
[4] Эрвин Маделунг (нем. Erwin Madelung; 1881 –1972) – немецкий физик-теоретик. Основные научные работы относятся к области физики твёрдого тела и математической физики. Установил связь между упругими константами кристалла и частотами колебаний его атомов. Ввёл «постоянную Маделунга», характеризующую энергию электростатического взаимодействия в ионных кристаллических решётках.
[5] Энрико Фе́рми (итал. Enrico Fermi, 1901–1954) – выдающийся итальянский физик, внёсший большой вклад в развитие современной теоретической и экспериментальной физики, один из основоположников квантовой физики. Нобелевская премия по физике в 1938 году.
[6] Фриц Вольфганг Лондон (1900 – 1954) – немецкий физик-теоретик. Фундаментальные работы в теории химических соединений и межмолекулярных сил.