Классификация твердых тел. Типы связей

До сих пор мы рассматривали твердое тело как систему, состоящую из дискретных частиц (атомов, ионов, молекул), образующих идеальную трехмерную периодическую структуру, и главное внимание уделяли закономерностям строения и симметрии кристаллических решеток. При этом мы ничего не говорили о силах, которые удерживают частицы вместе около положения их равновесия. Силы, удерживающие частицы в кристалле, имеют ту же природу, что и межатомные силы, которые обусловли­вают образование сложных молекул. Этими силами, как сейчас точно установлено, являются, в основном, силы электростатического притяжения между противоположно заряженными частицами (электронами и ядрами) и силы отталкивания между одноименно заряженными частицами (электронами и электронами, ядрами и ядрами).

Оценки потенциалов взаимодействия между частицами в кри­сталле показывают, что магнитные силы здесь весьма малы, а гравитационными силами вообще можно пренебречь. Таким образом, характер сил межатомного взаимодействия в первую очередь определяется строением электронных оболочек взаимодействующих атомов.

При взаимодействии атомов одного сорта с атомами другого сорта характер химической связи определяется их способностью захватывать или отдавать валентный электрон. Эта способность характеризуется, так называемой электроотрицательностью атомов - X.

По существу, электроотрицательность — это параметр, вы­ражающий тенденцию атома притягивать к себе электроны в конкретном твердом теле. Электроотрицательность — относительная мера взаимодействия атомов, она не является строго физической величиной, поскольку она не постоянна и зависит от природы другого атома, с которым химически связан данный атом.

Один и тот же атом в химической связи иногда одновре­менно может выступать и как электроположительный, и как электроотрицательный. Электроотрицательность очень слабо за­висит от типа связи и от конкретных особенностей кристалли­ческой структуры, что делает ее некоторым объективным пара­метром атомов, который полезен при обсуждении свойств твер­дых тел.

Таким об­разом, в левой части таблицы Менделеева располагаются элементы с наибо­лее сильно выраженными металлическими свойствами (металлы), а в правой — элементы с наиболее сильно выраженными неме­таллическими свойствами (металлоиды).

Разделение химически активных элементов на металлы и ме­таллоиды позволяет ввести три основных типа связи: металли­ческая, ковалентная и ионная. Связь между сильно электрополо­жительными металлами и электроотрицательными неметаллами трактуется как ионная связь. Так как она осуществляется меж­ду противоположно заряженными ионами, то ее называют—по полярности ионов — гетерополярной. К гомополярнымотносят металлическую и ковалентную связи. Металлическая связь реа­лизуется между металлами и металлами, а ковалентная — меж­ду неметаллами и неметаллами или металлоидами. Названные типы связей являются предельными случаями химического взаи­модействия. В реальной ситуации ковалентные связи в чистом виде редко реализуются и имеют в какой-то мере частично ионный характер. Соединений, близких к идеально ионным, также чрезвычайно мало.

Энергия связи

Проблема связи атомов в твердых телах из-за одинаковой природы сил взаимодействия между атомами аналогична проблеме сил связи атомов в молекулах. Силы связи в молекулах и твердых телах имеют много общего. Ответ о силах связи в твердых телах представляет собой обобщение ответа, полученного для молекул. Поэтому для количественной оценки энергии связи атомов в твердых телах сначала рассмотрим силы, которые удерживают атомы вместе в двухатомной молекуле.

Допустим, что имеются два атома А и В. Если атомы находятся далеко друг от друга, то они ведут себя как свободные.Энергия такой системы, состоящей из двух изолированных атомов, равна сумме энергий этих атомов, которую произвольно можно принять за нуль. Атомы не взаимодействуют друг с дру­гом до техпор, пока расстояние

rмежду ними велико по сравнению с (r_A+r_B), r_Aи r_B — радиусы атомов А и В. Если при уменьшении расстояния между атомами энергия системы понижается по сравнению с суммарной энергией изолированных ато­мов, то между атомами возникает сила притяжения, чему соответствует уменьшение потенциальной энергии системы U(r).

При некотором расстоянии r=r₀энергия U (r) достигает минимального значения, которое соответствует силе:

(3.1)

Этот минимум обязательно существует; в противном случае вообще не смогла бы образоваться молекула с конечным расстоянием между ядрами.

При дальнейшем сближении атомов между ними начинают действовать силы отталкивания, быстро возрастающие с уменьшением r, что сопровождается также возрастанием потенциальной энергии U(r).

Смена притяжения отталкиванием может быть приближенно описана путем представления полной потенциальной энергии вза­имодействия в виде суммы двух членов, из которых один (отри­цательный) соответствует энергии сил притяжения, а другой (по­ложительный) — энергии сил отталкивания:

(3.2)

На рис. 3.1 схематически изображены кривые этих потенциалов и суммарная кривая, соответствующая полной потенциальной энергии взаимодействия. При r=r₀, соот­ветствующем минимуму энергии си­стемы, силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания (F_пр—F_от=0), при этом образуется молекула AB с наиболее стабильной конфигурацией, в которой ядра атомов совершают колебания с соб­ственной частотой.

Глубина минимума U₀равна энергии связи атомов в молекуле.Энергия связи, или энергия сцепления, равна разности потенциальной энергии системы в начальном (1) и конечном (2) состояниях.

За начальное состояниесистемы обычно принимают такое состояние, когда частицы (атомы, молекула, ионы) находятся друг от друга на достаточно больших расстояниях и не взаимо­действуют между собой, так что можно положить U₁=0.

Конечное состояние отвечает равновесному расположению час­тиц системы при Т=0 К. Исходя из сказанного, энергию связи можно представить в виде

U₀= - U₂

Для оценки энергии связи, как это видно из формулы (3.2), необходимо знать хотя бы в общем виде зависимости потенциалов притяжения U_пр и отталкивания U_от от расстояния rмежду взаимодействующими атомами. Конкретный вид этих зависимостей определяется природой взаимодействующих атомов.

Легко видеть, что потенциал сил притяжения, исходя из их электростатического характера, можно представить степенной функцией

, (3.3)

где a и m — положительные константы

При т=1 потенциал (3.3) соответствует обычному кулоновскому взаимодействию между противоположно заряженными ионами, а при m = 6, как мы увидим ниже, — потенциалу притяжения при взаимодействии между атомами инертных газов.

Для потенциала сил отталкивания, который обусловлен прежде всего отталкиванием ядер взаимодействующих атомов и зависит от экранировки ядер окружающими их электронами, Борн и Ланде, исходя из классических представлений-, получили выра­жение

(3.4)

где b, n >0 — постоянные. При выводе формулы для потенциала сил отталкивания Борном и Ланде была выбрана статическая модель атома, в которой электроны в 8-электронной оболочке размещены по вершинам ку­ба. Ясно, что при взаимодействии таких атомов потенциал сил отталкивания должен зависеть от их взаимной ориентации, однако этого никогда не наблюдается в эксперименте.

При выводе формул для энергии связи мы будем пользоваться для потенциала сил отталкивания выражением (3.4), поскольку его использование значительно упрощает расчеты.

Теперь запишем выражение для полной потенциальной энер­гии взаимодействия двух атомов в виде

(3.5)

Для того чтобы функция Uв выражении (3.5) имела минимум, необходимо, чтобы показатель степени потенциала отталкивания был больше показателя степени потенциала притяжения, т. е. что­бы выполнялось условие: n>т.

Зависимость энергии связи в кристаллах от межатомного рас­стояния r, так же как и в молекулах, определяется двумя глав­ными членами: 1) притяжением атомов, обусловленным взаимо­действием валентных электронов, и 2) кулоновским отталкивани­ем внутренних электронных оболочек атомных остовов и отталкиванием ядер. Для устойчивого равновесного состоянияобязательно на­личие минимума энергии на суммарной кривой энергий притяже­ния и отталкивания, который соответствует определенной ста­бильной конфигурации в расположении атомов кристаллической решетки.

Энергия связи (или энергия сцепления) кристалла представ­ляет собой энергию, которая необходима для разделения тела на составные части. В зависимости от типа твердого тела составны­ми частями могут быть молекулы и атомы в молекулярных кри­сталлах, атомы в ковалентных и металлических кристаллах, положительно и отрицательно заряженные ионы в ионных кристал­лах.

При расчете энергии сцепления молекулярных и ионных кри­сталлов в силу того, что конфигурация электронов в этих кри­сталлах не слишком сильно отличается от их конфигурации в изолированных атомах или ионах, обычно ограничиваются вычи­слением классической потенциальной энергии системы сферически симметричных частиц, образующих определенную кристаллическую структуру. Считается, что силы, действующие между атомами или ионами, являются центральными, т. е. полная потенциальная энергия системы зависит только лишь от расстояния между вза­имодействующими частицами, которые локализованы в узлах ре­шетки и кинетическая энергия которых пренебрежимо мала.

Оказывается, что даже при таких довольно-таки грубых при­ближениях теоретические оценки энергии связи приводят к до­статочно хорошему согласию с экспериментом.