Типы связей в кристаллах (конспективно)

Химическая связь в молекулах и кристаллах определяется строением и свойствами атомов.

Характеристики химической связи:

Ø энергия связи (Е, выделяемая при разрыве связи);

Ø кратность связи (количество электронных пар, связывающих два атома);

Ø длина связи (расстояние между ядрами атомов);

Ø элекроотрицательность - способность атома притягивать электроны;

Ø полярность связи (смещение электронной пары к одному из атомов = функция элекроотрицательности);

Ø направленность связи.

По типу химической связи различают ионную, ковалентную, металлическую, молекулярную (Ван-дер Вальсовскую).

1. Ионная связь ( рис. 1.1) :

Силы притяжения: кулоновская электростатическая сила (q²/R²).

Силы отталкивания – перекрытия электронных оболочек отталкивания ядер (а/R^м).

На примере NaCl: Единственный валентный электрон атома Na переходит на оболочку Cl => У Na и Cl образуются заполненные оболочки => разноименно заряженные ионы => притяжение. Ионы кристалла можно рассматривать как гигантскую ионную молекулу, в которой каждый из ионов взаимодействует со всеми остальными. Свойства ионной связи:

а) высокая энергия связи между ионами кристалле,

б) высокая прочность кристаллов,

в) высокая температура плавления,

г) низкая электропроводимость: изоляторы.

Рис. 1.1. Изменение потенциальной энергии пары атомов при их сближении и образовании молекулы.

2. Металлическая связь.

Возникает в случае, когда число валентных электронов невелико. При этом они слабо связаны с ядрами. При образовании металлов электронные оболочки перекрываются и валентные электроны получают возможность перемещаться по кристаллу.

Свободные электроны связывают положительные ионы в прочную структуру.

а) Металлическая связь гибка и пластична => механические свойства

б) Высокая электропроводность металлов.

3. Связь Ван-дер-Вальса

Наблюдаются в молекулярных кристаллах.

Природа: кулоновское взаимодействие молекулярных диполей.

Типичный пример - вода, жидкие кристаллы.

а) Короткодействующие.

б) Ориентированные.

в) Слабые.

4. Ковалентная связь.

Большинство элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений образуют кристаллические решетки с ковалентной связью.

Ковалентная связь образуется между одинаковыми или близкими по свойствам элементами в результате появления обменного эффекта.

Для наглядности рассмотрим образование ковалентной связи на примере молекулы водорода. При сближении атомов происходит взаимное перекрытие электронных оболочек и между атомами возникают силы электростатического взаимодействия. Перекрытие электронных оболочек сближающихся атомов приводит к обобществлению электронов для обоих ядер. Этот эффект носит название обменного взаимодействия. Силы такого взаимодействия называют обменными силами,а их энергию – обменной энергией. В зависимости от ориентации спинов обобществленных электронов обменное взаимодействие может приводить к образованию либо сил притяжения, либо сил отталкивания. Если спины параллельны, то между сближающимися атомами возникают силы отталкивания и молекула не образуется. При антипараллельных спинах возникают силы притяжения, способствующие образованию молекулы.

В области перекрытия электронных оболочек возрастает плотность отрицательного заряда, способствующего сближению ядер взаимодействующих атомов, в результате чего молекула становится устойчивой. Обобществленные электроны находятся в области перекрытия оболочек, т.е. на них действуют силы притяжения обоих ядер.

В образовании ковалентной связи участвуют только валентные электроны, а поскольку все атомы стремятся иметь устойчивую оболочку инертного газа, что соответствует минимальной энергии, то количество пар обобществленных электронов соответствует валентности элемента.

Химическая связь, осуществляемая обобществлёнными электронами, называется ковалентной связью. Ковалентную связь называют еще гомеополярной или валентной