Виды химической связи между атомами. Равновесное состояние системы атомов. Основные свойства материалов, определяемые особенностями химической связи.

По характеру сил связи твердые кристаллические вещества делятся на 4 группы:

1. Ионные кристаллы – преобладающий тип ионная связь;

2. Атомные кристаллы – ковалентная связь;

3. Металлические кристаллы – металлическая связь;

4. Молекулярные кристаллы – за счет сил Вандервальса.

Ионная связь: в 1916 году Коссель создал теорию ионной связи.

Атом с малым числом электронов отдает их атому с большим числом электронов для завершения электрических пар. В результате получаются ионы с противоположными знаками, которые притягиваются.

В классической физике была рассчитана потенциальная энергия притяжения ионов.

(1)

е – заряд взаимодействующих ионов;

 - расстояние между ними.

Нельзя ограничится только учетом действия сил притяжения, для установившегося состояния силы притяжения должны уравновешиваться силами отталкивания, существует определенное расстояние, на котором силы притяжения равны силе отталкивания. В классической физике потенциальную энергию отталкивания можно рассчитать только имперически:

(2)

где а и m – const определяемые экспериментально.

Тогда полная потенциальная энергия:

Ионная связь высокоэнергетическая. Энергия связи от сотен до тысяч кДж/моль.

Свойства материалов обладающих ионной связью:

• высокая прочность;

• высокая твердость;

• высокие температуры плавления;

• высокие теплоты сублимации.

С точки зрения электропроводности, она имеет ионную природу, ток образуется ионами и резко зависит от температуры.

С оптической точки зрения – это материалы прозрачные в широком диапазоне длин волн.

Ковалентная связь: была разработана Льюисом.

Объединяются одинаковые атомы или разнородные .

В 1927 году Гейтлер и Лондон провели расчет для системы из двух атомов водорода (Н).

Плотность электронных облаков.

Электронные облака взаимодействующих атомов втягиваются в пространство между атомами. Ковалентная связь возникает за счет сил электростатического притяжения стягивающих положительные ядра атомов. Ядра стягиваются отрицательно заряженным электронным облаком высокой плотности в пространство между ядрами.

Спиновые моменты электронов взаимодействующих атомов S1 и S2 должны быть противоположно направлены.

Свойства веществ с ковалентной связью:

• энергия связи очень высока сотни кДж/моль;

• высокая прочность;

• высокая твердость;

• высокие теплоты плавления и сублимации;

• диэлектрики (отсутствие ионов);

• прозрачные в длинноволновой части спектра.

К материалам этой группы относятся: алмаз, кремний, германий, серое олово, висмут, сурьма, йод и т.д.

Металлическая связь:

В металлах в процессе кристаллизации при сближении атомов на порядок расстояния постоянной кристаллической решетки валентные электроны становятся свободными и обобществленными, в результате в пространстве между ионами образуется электронный газ, металлическая связь образуется за счет электростатического взаимодействия положительно заряженных ионов с отрицательно заряженным облаком электронного газа.

Металлическая связь высокоэнергетическая. Энергия связи порядка сотен кДж/моль. Поскольку связь высокоэнергетическая, материалы обладают высокой прочностью, твердостью, температурой плавления, теплотой сублимации.

В связи с тем, что в кристаллической решетке металлов содержится высокая концентрация электронов, они обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью. Они обладают высокой отражательной способностью (блеск), это результат высокой концентрации свободных электронов.

Эти материалы обладают пластичностью – способностью изменять форму под влиянием механических нагрузок, не испытывая разрушений. Под влиянием механических усилий в металлах возникает скольжение по кристаллографическим плоскостям, при этом металлическая связь рвется и тут же восстанавливается, так как свободные электроны обобществлены и не принадлежат отдельным атомам.