Курс лекций Волгоград 2011 (075. 8) Ю 16

1.2. Типы химических связей

Появление между положительно заряженными ионами пары отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что оба иона притягиваются к обобществленным электронам и тем самым притягиваются друг к другу.

Каждый атом взаимодействует с ограниченным числом соседей, причем число соседей равно числу валентных электронов атома. Следовательно, ковалентная связь насыщенна. Кроме того, атом взаимодействует только с теми соседями, с которыми он обменялся электронами, то есть ковалентная связь направленная.

Рис. 1.3. Схема образования

ковалентной связи
Увеличение порядкового номе-ра элемента ведет к росту количества электронных оболочек, экранирующих взаимодействие положительно заряженных ядер с валентными электронами. Поэтому снижается сила взаимного притяжения и уменьшается глубина потенциальной ямы. В результате с ростом порядкового номера элемента падает температура плавления, растет коэффициент теплового расширения, уменьшается модуль упругости.

Ионная связь образуется при взаимо-действии атомов с малым количеством валентных электронов и атомов с большим

Рис. 1.4. Схема образования ионной связи

Каждый из положительно заряженных ионов притягивается к свободным электронам, и тем самым ионы притягиваются друг к другу. Металлическая связь ненаправленная и ненасыщенная, и число ближайших соседей у иона определяется в основном геометрическим и энергетическими факторами (рис. 1.5).

ется при сближении молекул или атомов инертных газов. Рассмотрим возникновение поляризационной связи на примере инертных атомов.

У
Рис. 1.5. Схема образования металлической связи

и
одиночного атома электронная оболочка симметрична. При сближении двух атомов их электронные оболочки электрически взаимодействуют и деформируются (см. рис. 1.6). В итоге атомы превращаются в диполи, которые взаимно притягиваются. Чем больше порядковый номер атома, тем больше у него электронных оболочек, а следовательно, связь валентных электронов с ядром ослабевает и деформировать ее становится легче. Возрастает дипольный момент атома и увеличивается энергия связи между атомами. Поэтому температура кипения тяжелых инертных газов заметно выше температуры кипения легких газов.

Аналогичные процессы происходят и при сближении электрически нейтральных молекул. Причем, чем выше молекулярный вес, тем больший дипольный момент молекул и выше энергия связи. Поэтому вещества с низким молекулярным весом при комнатной температуре являются газами, вещества с большим молекулярным весом – жидкостями, а вещества с еще большим молекулярным весом – твердыми телами.

Рис. 1.6. Схема образования диполей при сближении нейтральных атомов

Упорядоченное расположение атомов принято называть кристаллической решеткой. Для описания кристаллических решеток удобно воспользоваться понятием элементарная ячейка кристалла  минимальный объем кристалла, полностью сохраняющий все его свойства.

У элементов четвертой группы ковалентная насыщенная и направленная связь, и у каждого атома четыре соседа. Число ближайших соседей принято называть координационным числом. Элементарную решетку можно представить в виде тетраэдра с одним атомом в центре и четырьмя атомами по вершинам тетраэдра. Кристаллическую решетку с такой элементарной ячейкой имеют кремний, германий, углерод в модификации алмаза. Этот тип кристаллической решетки принято называть решеткой алмаза (рис. 2.1).

Рис. 2.2. Элементарная ячейка решетки типа NaCl
При образовании ионной связи кристаллические решетки получаются более компактными, координационное число достигает 6. Это связано с тем, что ионная связь ненасыщенна, хотя и направленна. Типичным представителем веществ с таким видом связи является соединение NaCl; кристаллическую решетку такого соединения можно представить в виде примитивного куба, в вершинах которого расположены ионы хлора и натрия. Элементарная ячейка кристаллической решетки такого соединения показана на рис. 2.2.

При образовании металлической связи кристаллические решетки становятся еще более компактными. Координационные числа достигают значений 8 и 12. В металлических материалах, как правило, формируются три типа кристаллических решеток: объемноцентрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Элементарные ячейки ОЦК, ГЦК и ГПУ решеток показаны на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Типы кристаллических решеток металлов: а) ГЦК, б) ОЦК, в) ГПУ

ОЦК решетку имеют такие металлы, как вольфрам, молибден, ниобий, низкотемпературные модификации железа, титана, щелочные металлы и ряд других металлов. Серебро, медь, алюминий, никель, высокотемпературная модификация железа и ряд других металлов имеют ГЦК решетку. ГПУ решетка – у магния, цинка, кадмия, высокотемпературной модификации титана.