8 Типи зв’язків у твердих тілах
Фізико-хімічні та міцнісні властивості твердого тіла залежать від типу зв'язку атомів та характеру їх взаємного розташування. Контактна взаємодія твердих тіл між собою, а також з газами та рідинами також супроводжується появою атомно-молекулярних зв'язків між елементарними частинками контактуючих речовин. Характер та значення енергії елементарних зв'язків залежать від природи речовини та типу кристалічних ґрат твердого тіла.
Наявність низки кристалічних структур, відмінності фізичних властивостей (стисливість, точка плавлення, електричні, оптичні, і навіть хімічні властивості) свідчить про існування різних типів зв'язку атомів у твердих тілах. Сили міжатомної взаємодії – електричного походження. Гравітаційні сили недостатньо великі, щоб утворювати помітні зв'язки. Переважання одного типу сил призводить до відповідного виду зв'язку, а отже, і до конкретних фізичних та хімічних властивостей.
Такий широкий інтервал енергій може бути реалізований різними взаємодіями, які традиційно класифікуються як ковалентний, іонний, металевий і водневий зв'язок. Ця класифікація перестав бути фізично визначеної. За своєю природою ковалентний зв'язок є універсальним типом хімічного зв'язку. Іонний зв'язок може розглядатися як окремий (граничний) випадок ковалентного зв'язку між атомами, різко різними за своєю електронегативністю. Поняття металевого та водневого зв'язків відображають швидше специфіку хімічних об'єктів, ніж діючих сил.
Ковалентний (гомеополярний) зв'язок.У природі порівняно трохи тіл з ковалентними зв'язками. Однак вони мають велике практичне значення через дуже високу температуру плавлення та твердості (наприклад, алмаз С, кремній Si такарбід кремнію SiC - карборунд). Ковалентний зв'язок виникає тоді, коли її електронні оболонки атомів, що утворюють, енергетично відрізняються незначно. Тому в освіті ковалентних зв'язків можуть брати участь електронні оболонки лише одного рівня, тому що енергетично вони близькі. Виникла ковалентна зв'язок тим міцніше, що більше енергії виділяється за її руйнації, тобто. чим нижчим буде енергетичний рівень нової системи. Мінімум енергії системи досягається тоді, коли оболонки узагальнених електронів максимально збігаються (принцип максимального перекриття оболонок). Просторова оболонка є однією з основних характеристик ковалентного зв'язку.
Утворення з електронів двох і більше станів одного шару, але різних оболонок, нової оболонки з тією ж енергією називаютьгібридизаціїїй.Як приклад розглянемо гібридизацію для атома вуглецю . Він має таку електронну конфігурацію:
Квантовий стан 1s 2s 2px 2py 2pz
Кількість електронів 2 2 11
П
Ковалентними зв'язками можуть бути з'єднані розриви молекул (наприклад, органічних сполук) або тверде тіло може бути пов'язано ними в одну макромолекулу (алмаз).
Кристали,у яких переважає ковалентний тип зв'язку, називаютьковалентними.Їх утворюють атоми вуглецю, кремнію, германію сурми, вісмуту та інших., тобто. елементи IVB, VB, VIB груп. Вони електронегативні, оскільки мають великий потенціал іонізації, і вступаючи у взаємодію з елементами інших груп, відбирають валентні електрони, добудовуючи свою валентну зону; при взаємодії один з одним атоми узагальнюють свої валентні електрони із сусідніми атомами, добудовуючи таким чином валентну зону. Число атомів, з якими відбувається узагальнення електронів, залежить від валентності елемента і може бути визначено згідно з правилом (8-N),деN- валентність елемента. Наприклад, для вуглецю це число дорівнює 4.
Ковалентна зв'язок характеризується спрямованістю, оскільки кожен атом входить у обмінне взаємодію Космосу з певним числом сусідніх атомів. Внаслідок цього атоми в ковалентних кристалах укладаються некомпактно та утворюють кристалічні структури з невеликим координаційним числом. Спрямованість міжатомних зв'язків та нещільноупаковані кристалічні структури призводять до низької пластичності та високої твердості (наприклад - алмаз найтвердіший матеріал).
Внаслідок великої енергії зв'язку ковалентні кристали характеризуються високими температурами плавлення (у алмазу вона дорівнює 5000 ° С) та випаровування.
Утворення заповнених валентних зон за такого зв'язку перетворює ковалентні кристали на напівпровідники і навіть діелектрики. Алмаз-напівпровідник. Хороша електрична провідність графіту пояснюється заміною одного з чотирьох ковалентних зв'язків зв'язком Ван-дер-Ваальса, у результаті з'являються вільні носії електричного струму.
Температурний коефіцієнт електричного опору уковалентних кристалів має негативне значення, тобто при нагріванні електричний опір знижується. До ковалентних кристалів відносяться також багато складних кристалічних речовин, що складаються з різнорідних атомів, наприклад, карбід кремнію, нітрид алюмінію та ін.
Іонний зв'язок. У природі дуже багато тіл, які мають іонні зв'язки. Іонні зв'язки, звані ще гетерополярними, полярними або електровалентними, є ненаправленими, в них має місце електростатичне тяжіння між іонами, що утворилися в результаті повного переходу валентних електронів від менш негативного атома до електронегативного. Через війну переходу електрона перший атом стає позитивним іоном (катіоном), другий негативним (аніоном). Ці іони у твердому стані (кристалічному) утворюють іонну решітку (рис. 2). Виникнення іонних зв'язків обумовлено енергією іонізації хімічного елемента, що віддає електрон, ступенем електронної спорідненості речовини, що приймає електрон, і енергією кристалічних грат, що утворюються.
Приклад іонного зв'язку
Цей тип зв'язку з обов'язковим перенесенням електрона переважає ряд сполук, наприклад, в лужних металах з галогенами (так званих лужних галоїдах). Елементи можна розташувати у порядку зростання електронегативності. Ступінь перенесення заряду між іонами у твердому тілі визначиться різницею електронегативності складових елементів. Сполуки елементів І та ІІ груп з елементами VI та VII груп виявляють сильний іонний характер.
Типово іонне з'єднання має дуже низьку провідність (при звичайних температурах це ізолятор), має достатню твердість і прозорість. При температурах, близьких до точки плавлення, та у відповідних розчинахутворюється провідність, т.к. іони стають рухливими. З'єднань, що виявляють проміжний характер зв'язку, PbS, PbSe і РЬТе мають структуру хлориду натрію, є переважно іонними, але демонструють деякі властивості, властиві ковалентним сполукам (вони напівпровідники). Відповідні берилієві сполуки BeS, BeSe, BeTe набагато ковалентніші, хоча й виявляють деякі риси іонного характеру. Вони кристалізуються із заснуванням ZnS-структури.
Водневий зв'язок.Водневий зв'язок, званий протонним зв'язком, або водневим містком, є зв'язком специфічного виду, який може бути як внутрішньомолекулярним зв'язком, так і міжмолекулярним. Виникнення зв'язків такого виду ініціюється ядром водню або протоном, яке завдяки своїм маленьким розмірам може проникати в глиб електронної оболонки сильно електронегативного атома. В результаті цього взаємодія його з електронами, що потрапили в зону дії, досить сильна і має електростатичний характер. Деформація протоном електронної оболонки атома, сполученого з ним водневим зв'язком, надає цьому зв'язку спрямованість, тобто. часткову ковалентність. Тому водневий зв'язок займає проміжне положення між атомним та іонним зв'язком. Водневі зв'язки часто зустрічаються в органічних сполуках та деяких неорганічних. Ними визначається асоціація молекул води, спиртів, кислот та ін.
Металеві зв'язки.Металеві зв'язки - характерний вид зв'язків для металів. Все металеве тіло можна вважати однією макромолекулою, тому що металеві зв'язки мають місце не лише між двома чи кількома атомами металу. До характерних властивостей металів відносяться велика тепло- та електропровідність. Це безпосередньо пов'язано з їх атомноюструктурою. Атоми металів мають мало електронів у зовнішній оболонці, і електрони ці порівняно слабо пов'язані з рештою атома (кістя атома). Слабкий зв'язок зовнішніх електронів призводить до того, що метали мають невеликі іонізаційні потенціали.
Характер металевого зв'язку вважають проміжним між іонним та ковалентним зв'язками. У металевому зв'язку можна говорити про усуспільнення валентних електронів усіма атомами кристала. Тому вважатимуться, що молекулярні орбіталі розтягнуті через весь металевий кристал. Вони визначаються як комбінація багатьох атомних орбіталей. Кристал в цілому володітиме зоною орбіталей, в якій валентні електрони займають орбіталі з найнижчими енергіями.
Металеві кристали.Це кристали, в яких переважає металевий вид зв'язку. Їх утворюють елементи всіх підгруп А та I - III підгруп В. Вони електропозитивні, оскільки мають малий потенціал іонізації. У металевому кристалі при взаємодії з елементами інших груп атоми легко віддають свої валентні електрони та перетворюються на позитивний іон.
Мірою міцності кристалічних ґрат є енергія кристалічних ґрат, тобто. енергія, необхідна для перенесення іонів одного молячи кристалічної речовини в нескінченність. У металах силами зчеплення є сили металевого зв'язку, енергія яких близька до енергії іонного зв'язку. Кожен кристал металу вважатимуться однією великої молекулою. При взаємодії одна з одною валентні енергетичні зони атомів перекриваються, утворюючи загальну зону з вільними підрівнями. Це дає можливість валентним електронам вільно переміщатися у межах цієї зони. Відбувається узагальнення валентних електронів обсягом всього кристала. Таким чином, валентніелектрони в металі не можна вважати втраченими чи набутими атомами. Вони узагальнені атомами обсягом всього кристала, на відміну ковалентних кристалів, у яких таке узагальнення обмежена однією парою атомів.
Металевий зв'язок неспрямований, оскільки кожен атом прагне притягнути до себе якнайбільше сусідніх атомів. Наслідком цього є висока координаційна кількість і велика компактність кристалічних структур металів. У металах спостерігається тенденція до максимально щільної упаковки атомних кістяків.
Енергія металевого зв'язку дещо менша, ніж енергія ковалентного зв'язку, тому метали в більшості випадків, порівняно з ковалентними кристалами, мають нижчі температури плавлення, випаровування, модуль пружності, але більш високий температурний коефіцієнт лінійного розширення. Для більшості випадків зі збільшенням енергії зв'язку Есв зростають температура плавлення tпл, модуль пружності Eynp, енергія активації самодифузії Qдіф; коефіцієнт лінійного розширення, навпаки, зменшується. Внаслідок неспрямованості металевого зв'язку та утворення щільноупакованих структур металеві кристали пластичніші і менш тверді, ніж ковалентні кристали. Хороша електрична провідність забезпечується наявністю вільних підрівнів у валентній зоні.