Вопрос – 1 Типы межатомных связей и их влияние на свойства кристаллов.

Между атомами в твердых телах действуют силы притяжения и отталкивания. Первые удерживают атомы вместе, обеспечивая це- лостность материала, вторые не дают атомам слиться. Твердые веще- ства существуют при равновесии сил притяжения и отталкивания. Природа сил отталкивания одинакова во всех твердых веще- ствах. Силы отталкивания возникают, когда атомы сближаются настолько, что орбиты их внешних электронов перекрываются. При этом положительные заряды ядер атомов уже не полностью экранируются электронами, вследствие чего между ними возни- кают силы отталкивания. В отличие от сил отталкивания, имеющих одинаковую приро- ду, природа сил притяжения различна, и именно она определяет свойства материала. Различают четыре вида связи, обусловленной силами притяжения: ионную, ковалентную, металлическую и силы Ван-дер-Ваальса.

1.2. Ионная связь Ионная связь присуща соединениям, образованным разнородными атомами. Внешние электроны атомов одного элемента переходят на внешние орбиты атомов другого элемента, образуя устойчивые электронные конфигурации. В качестве типичного примера веще- ства с ионным типом связи можно при- вести поваренную соль — NaCl. Натрий принадлежит к первой груп- пе Периодической системы, на его внеш- ней орбите находится один электрон. Хлор — элемент седьмой группы, на его внешней орбите расположено семь элек- тронов. Переход одного электрона на- трия на орбиту хлора приводит к обра зованию двух разнозаряженных ионов с устойчивой конфигу- рацией. Положительный ион натрия получает устойчивую конфигура- цию неона; отрицательный ион хлора — устойчивую конфигура- цию аргона.

Межатомные силы притяжения — электростатические, поэтому ионная связь является сильной. Твердое вещество с ионной связью характеризуется тем, что рядом с каждым положительным ионом находятся только отри- цательные ионы, и наоборот (рис. 1.1). Таким образом, атомы в веществе располагаются строго упорядоченно. Ионный тип связи характерен для химических соединений. Наиболее известный и широко распространенный материал с ион- ным типом связи — стекло, основой которого являются оксиды различных элементов.

1.3 Ковалентная связь Ковалентная связь устанавливается в результате образования устойчивых соединений путем обобществления атомами нескольких электронов. Примером такой связи может служить молекула хлора, образованная двумя атомами, каждый из которых имеет по семь электронов на внешней орбите. Устойчивая конфигурация, для которой характерно наличие восьми атомов на внешней ор- бите, образуется в результате обобществления одного электрона (рис. 1.2). Образование устойчивых конфигураций определяется правилом 8 - N, где N — число электронов на внешней орбите. Так, при образовании молекулы кислорода обобществляются два электрона, потому что на внешней орбите атома кислорода находятся шесть электронов. Ковалентная связь характерна для многих кристаллических твердых тел. Примером может служить алмаз — кристаллическая модификация углерода с ковалентной связью. Углерод имеет четыре валентных электрона. Образование алмаза происходит при обобществлении по одному электрону каждого из четырех атомов.

Механическая прочность ковалентной связи обычно достаточно велика вследствие ее направленного характера. Собственно сила связи зависит от природы вещества. Так, она весьма велика у алмаза и значительно, на несколько порядков, слабее у полимеров, для которых характерны ковалентные связи.

1.4. Металлическая связь Атомы металлов имеют небольшое количество (один или два) внешних (валентных) электронов, которые слабо связаны с ядром. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних орбитах, теряют связь со своими атомами и коллективизируются, т.е. становятся достоянием всех атомов данного металла, образуя электронный газ. Положительно заряженные ионы располагаются на таком расстоянии друг от друга, что силы притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ионами уравновешиваются силами отталкивания между ионами. Наличие электронного газа определяет свойства металла: высокие тепло- и электропроводность. Отсутствие сильных направленных связей между атомами, характерных для ионного и ковалентного типов связи, определяет одно из важнейших свойств металлов — их пластичность, т.е. способность изменять форму без разрушения. Поэтому при изготовлении металлопродукции широко применяют методы пластического деформирования — ковку, прокат, волочение.

1.5. Силы Ван-дер-Ваальса Происхождение этих сил связано с тем, что атомы являются малыми диполями. В среднем по времени электроны в атоме симметрично распределены в пространстве относительно ядер, но в каждый конкретный момент центр отрицательных зарядов может не совпадать с ядром, имеющим положительный заряд, так и образуется диполь. Взаимодействие диполей приводит к появлению сил притяжения. Это взаимодействие несколько усиливается вследствие того, что наличие диполя, образованного одним атомом, способствует появлению диполя у соседнего атома. Силы Ван-дер-Ваальса существуют между всеми атомами. Они слабы и приобретают значение только при отсутствии более сильных связей других типов, рассмотренных выше. Эти силы существенно влияют только на взаимодействие больших органических молекул, являющихся основой полимеров.