Межатомные связи в твердых телах

Межатомные связи в
твердых телах
Межатомные связи в материалах
1.
2.
3.
4.
Связь Ван-дер-Ваальса
(молекулярная)
Ионная связь
Ковалентная связь (атомная)
Металлическая связь
В зависимости от вида частиц, находящихся в узлах кристаллической
решетки и типа связей между ними кристаллы бывают четырех типов:
молекулярные, атомные, ионные и металлические
Связь Ван-дер-Ваальса
 Основана на слабом взаимном притяжении друг к
другу материальных частиц (атомы, молекулы, ионы)
Пример: Кристаллы инертных и двухатомных газов, предельных
углеводородов (CH4 и др.), лед, твердый углекислый газ
(«сухой лед»), твердые галогенводороды, твердые простые
вещества, образованные одно- (благородные газы типа Ar),
двух- (F2, Cl2, Br2, J2, H2, N2, O2), трех- (O3), четырех- (P4),
восьми- (S8) атомными молекулами.
Большинство кристаллических
органических соединений также
имеют молекулярную решетку.
Молекулярными называют кристаллические решётки, в узлах
которых располагаются молекулы. Химические связи в них
ковалентные, как полярные, так и неполярные. Молекулы в таких
кристаллических решетках соединены между собой сравнительно
слабыми водородными, межмолекулярными и электростатическими
силами. Поэтому вещества с молекулярной решеткой имеют малую
твердость и низкие температуры плавления. Они малорастворимы в
воде, не проводят электрический ток и обладают высокой
летучестью.
Пример: кристаллическая решётка I2
Вещества с МКР при обычных
условиях находятся в
газообразном или жидком
состоянии
Ионная связь
 Основана на перераспределении электронов
внешнего уровня между соседними атомами.
~ Один атом отдает, а другой
принимает один или несколько
электронов.
~ Атомы становятся ионами с
разными зарядами (+ или -)
~ Между ионами действуют
электростатические силы
притяжения
Ионные кристаллические решётки имеют соли, некоторые оксиды и
гидроксиды металлов
Na
Cl
Связи между ионами в кристалле очень прочные и устойчивые. Поэтому
вещества с ионной решёткой обладают высокой твёрдостью и
прочностью, тугоплавки и нелетучи.
Ковалентная связь
 Основана на обобществлении электронов незаполненных
электронных оболочек разных атомов с образованием
стабильных электронных конфигураций типа инертных газов,
неметаллических атомных и молекулярных соединений.
Пример: молекула хлора Cl2
Распределение электронов в атоме Cl – 1s22s22p63s23p5
Cl + Cl
Cl Cl
Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых
находятся отдельные атомы, которые соединены очень прочными
ковалентными связями.
Пример: решетка алмаза
Металлическая связь
 Обусловлена потерей валентных электронов с
последней оболочки атома материала и
превращением его в положительно заряженный ион.
-
+
-
+
-
-
-
-
+
-
-
-
+
-
-
-
-
+
+
Металлическими называют
решётки, в узлах которых
находятся атомы и ионы металла.
-
+
-
-
-
-
Такие решетки обуславливают
особые физические свойства
металлов: пластичность, ковкость,
металлический блеск, высокая
электро- и теплопроводность и т.д.
Пример: решетка меди
Полиморфизм кристаллов
ПОЛИМОРФИЗМ (от греч. polymorphos-многообразный) - способность
кристаллических тел существовать в двух или нескольких формах с различной
кристаллической структурой и демонстрирующих различные свойства при
одном и том же химическом составе.
Такие формы называются полиморфными
обозначать греческими буквами α, β, γ и т. д.)
Взаимные
превращения
полиморфными переходами.
полиморфных
модификациями
модификаций
(их
принято
называются
Полиморфизм
простых
(однокомпонентных)
твердых
тел
называют
аллотропией. Разные кристаллические формы одного и того же элемента,
такие, как графит и алмаз, называют аллотропами
Частный случай полиморфизма – политипизм (политипия). Политипные
модификации представляют собой различные варианты наложения одинаковых
двухмерных структурных фрагментов; при этом два параметра решетки
неизменны, а третий меняется, оставаясь кратным постоянной величине.
Например, для SiC известно более 40 политипных модификаций (политипов).
Политипия наблюдается также у ZnS, CdI2, глинистых минералов и др.
Типичный пример полиморфных форм (аллотропных состояний) модификации углерода:
алмаз и лонсдейлит, в которых атомы объединены ковалентными связями
в пространственный каркас; графит, в структуре которого имеются слои
наиболее прочно связанных атомов; карбин, построенный из бесконечных
линейных цепочек, фуллерены и графен как производная структура от
графита.
Все эти модификации резко различаются по свойствам.
Лонсдейлит или алмаз гексагональный (P63/mmc) — одна из аллотропных
модификаций углерода. Открыт в 1966 или ранее, первая публикация 1967.
Одновременно был обнаружен в природе, в метеоритном кратере. В
настоящее время группе американских и китайских ученых удалось доказать,
что самый твердый на сегодняшний день материал — специально
обработанный лонсдейлит. Он оказался на 58 % тверже алмаза.
Элементарная ячейка алмаза
Элементарная ячейка лонсдейлита
Карбин — аллотропная форма углерода на основе sp-гибридизации углеродных
атомов. Состоит из углеродных фрагментов с тройной (–С≡С–С≡С–), или
двойной кумулированной (=С=С=С=С=) связью. Может быть линейным или
образовывать циклические структуры
Фуллерены, бакиболы или букиболы — молекулярные соединения,
принадлежащие классу аллотропных форм углерода и представляющие собой
выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа
трёхкоординированных атомов углерода.
Вид вращающегося бакибола C60
Фуллерен C540
Схемы строения различных модификаций углерода:
a) алмаз; b) графит; c) лонсдейлит; d) фуллерен — букибол C60; e) фуллерен C540;
f) фуллерен C70; g) аморфный углерод; h) углеродная нанотрубка
Углеродные нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры
диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до
нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в
трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно
полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина
молекулы фуллерена.
Схематическое изображение нанотрубки
Идеальная нанотрубка представляет собой
свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, то
есть поверхность, выложенную правильными
шестиугольниками, в вершинах которых
расположены атомы углерода. Результат такой
операции зависит от угла ориентации графитовой
плоскости относительно оси нанотрубки.
Графен (graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная
слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp2 – гибридизации и
соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую
решетку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного
кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жесткостью и хорошей
теплопроводностью (~1 ТПа и ~5×103 Вт·м−1·К−1 соответственно). Высокая подвижность
носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных
материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых
различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную
замену кремния в интегральных микросхемах.
Графен действительно уникален. Кроме своей уникальной одноатомной толщины, графен в 10
раз прочнее стали и представляет собой превосходный проводник даже при комнатной
температуре. Несмотря на невероятную прочность, графен обладает приличной гибкостью и
может подвергаться 20% деформации без последствий для кристаллической решетки.
С точки зрения термодинамики, полиморфные модификации обычно являются
самостоятельными фазами.
Полиморфные переходы, согласно принятой в термодинамике классификации,
подразделяются на переходы I и II рода. Последние (в отличие от переходов
первого рода) не сопровождаются скачкообразным изменением энтропии;
теплоемкость в точке такого перехода проходит через высокий и острый
максимум. Изменение кристаллической структуры при переходе второго рода
невелико, а в некоторых случаях практически отсутствует (напр., при переходе
γ-Fe в α-Fe, происходящем при 769°С, теряются ферромагнитные свойства).
Переходами второго рода часто являются переходы типа порядок - беспорядок.
Упрощенная фазовая диаграмма
углерода: заштрихованы области, где
аллотропные модификации могут быть
метастабильны. (diamond — алмаз,
graphite — графит, liquid — жидкость,
vapor — газ)