Металличности и ионности связи

СОКОЛОВА У.А., КГЭУ, г. Казань

Науч. рук. д-р техн. наук, профессор СИРОТКИН О.С.

Анализ распределения и периодичности расположения основных классов, типов, групп, подгрупп химических соединений в химическом треугольнике и особенности их структуры и свойств свидетельствует об определяющем влиянии их элементного состава и типа химического межъядерного взаимодействия, определяемого через соотношение химических компонент связи в рамках единой модели химической связи [1].

Изменение строения веществ и материалов можно проиллюстрировать тем фактом, что по мере перехода от вершин М и И к вершине К имеет место (рисунок):

– рост локализации обобществленных электронов (ОЭ) и, соответственно, степени ковалентности (с одновременным уменьшением металличности и ионности) любой химической связи в межъядерном пространстве;

– постепенное закономерное преобразование типично металлических и ионных кристаллических немолекулярныххимических соединений бертоллидного типа в полимерные тела и далее низко-, олиго- и высокомолекулярные соединения дальтонидного типа;

– соответствующее снижение их способности к кристаллизации (и повышение способности к аморфизации и стеклообразованию в области макромолекулярных соединений);

– понижение их электро- и теплопроводности, плотности и т.д.;

– преобразование таких механических свойств веществ, присущих чистым металлам, как ковкость (пластичность), в эластичность или высокоэластичность, характерные для полимеров на основе линейных или редкосшитых высокомолекулярных соединений (ВМС);

– закономерный переход к преимущественному существованию в н. у. в районе вершины К на ХТ соединений не в виде конденсированных твердых (металлические, ионные и полимерные соединения) или конденсированных жидких (растворы или расплавы ВМС) веществ,
а в виде низкомолекулярных газообразных веществ типа галогенов
(F₂ и т.д.), О₂ и N₂ или оксидов типа NО и СО.

Химический треугольник, объединяющий промежуточные (смешанные) типы связей

и базовые гомо- и гетероядерные бинарные химические вещества в единую систему химических связей и соединений (СХСС) [1, с. 123]

По мере перехода от вершин И и М к вершине К происходит постепенное закономерное изменение степени обобществления электронов (СОЭ) и соотношения С_К, С_М, С_И и, соответственно, структуры и свойств химических соединений. Чем ближе химическое соединение находится к вершине К, тем меньшее число атомных остовов (ядер) содержится в его структуре и тем меньше уровень характерного для него «остаточного» от химического межмолекулярного взаимодействия.

Аналогично можно проследить, что чем ближе тип химической связи будет находиться к вершинам М и И химического треугольника, тем больше будет способность вещества к кристаллизации и меньше – к аморфизации и стеклообразованию. Чем ближе связь и вещество находится к вершине К, тем меньше его электро- и теплопроводность, а также плотность.

Литература

1. Сироткин О.С. Основы современного материаловедения / О.С. Сироткин. – М.: Инфра-М, 2015. – 364 с.

УДК 539.143.4

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИИ ЛОКАЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ В КУБАНИТЕ CuFe₂S₃

СОПИНА Ю.В., ГАФАРОВА М., КГЭУ, г. Казань

Науч. рук. канд. физ.-мат. наук, доцент ПОГОРЕЛЬЦЕВ А.И.

Кубанит, CuFe₂S₃, относится к классу многокомпонентных полупроводниковых соединений, содержащих в своем составе магнитный атом (Fe). Такие соединения обладают большим разнообразием электрофизических и оптических свойств по сравнению с элементарными и бинарными полупроводниками и поэтому представляют несомненный интерес, связанный с поиском новых перспективных материалов для оптического приборостроения и полупроводниковой техники.

В настоящей работе были выполнены исследования распределения функции локализации электронов (ELF):

Здесь функция называется плотностью кинетической энергии Паули. Функция характеризует локализацию электрона со спином ↑ вблизи точки r. Функция – плотность кинетической энергии однородного газа электронов со спином ↑:

Распределение функции ELF сравнивалось затем с распределением электронной плотности, построенной в рамках теории Р. Бейдера (AIM). Необходимые для соответствующих построений волновые функции были ранее получены из серии ab initio расчетов для кластера в рамках самосогласованного ограниченного метода Хартри – Фока с открытыми оболочками (SCF-LCAO-ROHF). В качестве опоры были использованы квадрупольные параметры, полученные из эксперимента.

Были выполнены построения карт распределения функции локализации электронов (ELF) и карт распределения электронной плотности для плоскостей, образованных атомами S-Fe-S, S-Cu-S, Fe-S-Cu. На рисунке представлен фрагмент карты распределения электронной плотности в плоскости атомов Fe8-S18-Fe9. Линии, соединяющие два атома, – линии связи, точки на этих линиях – особые точки (3, –1), отвечающие за связь. В целом анализ распределения электронной плотности для рассматриваемых плоскостей указывает на преобладание ионного характера связи для пар атомов Cu-S и Fe-S с некоторой тенденцией к ковалентному характеру связи у пары Fe-S.

Распределение электронной плотности в плоскости атомов Fe8-S18-Fe9

Следует отметить практическое отсутствие базисных линий, разделяющих бассейны атомов в теории Р. Бейдера. На наш взгляд, это может быть связано с тем, что характер связи существенно не плоский и бассейны атомов имеют сложную структуру. Проведенный анализ распределения ELF в общем подтверждает данные выводы. В то же время необходимо отметить, что данное распределение оказалось более информативным с точки зрения картины распределения локализации электронных пар. Наблюдается существенное отличие в локализации электронов для атомов меди и железа. Существует два типа бассейнов ELF: остовные бассейны и валентные бассейны. Остовные бассейны окружают ядро химического элемента A с атомным номером Z > 2 и состоят из электронов его внутренних оболочек. Валентные бассейны образованы электронами валентной оболочки атомов, составляющих молекулярную систему, и обозначаются в соответствии с их синаптическим порядком, т.е. числом остовных бассейнов, с которыми они разделяют общую границу. Важными свойствами валентного бассейна ELF в молекуле являются его пространственное расположение и форма, а также его электронная заселенность. Сферическое распределение валентных бассейнов вокруг ядер, как правило, означает ионное или дисперсионное взаимодействие, причем для анионов наблюдается большее отклонение от сферической симметрии, чем для катионов. В нашем случае такая картина наблюдается для атомов меди Cu. Совершенно иная картина наблюдается для атомов железа: у Fe распределение ELF имеет вид двух скрещенных гантелей с максимальным значением ELF на концах гантелей.

Таким образом, можно отметить, что использование комплексного подхода для анализа распределения электронов при исследовании различных соединений может быть весьма продуктивным.

УДК 621.382