» » Виды связи атомных соединений
20.01.2015

В соответствии с основным принципом, что материя всегда стремится занять энергетически наиболее выгодное состояние, отдельные атомы имеют более или менее выраженную тенденцию создавать атомное соединение. Разность энергии отдельного атома ЕA и атома в соединении твердого тела, в частности в кристалле, EК называется энергией связи EВ. Эта энергия связи EВ=EА-EК равна энергии, затрачиваемой на освобождение отдельного атома из его соединения. Она зависит от соответствующего вида связи, благодаря которой создается атомное соединение.
В силах, обеспечивающих сцепление кристалла, речь идет о притяжении между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными атомными ядрами. Эти силы притяжения образуются из стремления атомов достигнуть насыщения квантовых состояний в соответствующей внешней оболочке, т.е. принять конфигурацию инертного газа. На 2-й, 3-й, 4-й оболочке это бывает в случае полностью занятых s- и р-состояний (s2 и р6), т.е. при занятии этой соответственно внешней оболочки восемью электронами.
Силам притяжения противостоят силы отталкивания между одноименными зарядами ядер и между электронами. Из равновесия сил притяжения и сил отталкивания создается расстояние между атомами в кристаллическом соединении, определенное квантовыми состояниями внешних электронов и видом связи (рис. 5.6.1). Для расстояния r0 силы притяжения и отталкивания компенсируются (уравниваются). Кристаллическое соединение находится в равновесии.
Виды связи атомных соединений

Таким образом, можно понять, что структура внешних электронных оболочек ведет к различным видам связи между отдельными атомами. Видом связи обусловливаются характерные свойства атомного соединения. Если здесь и нужно уделить наибольшее внимание металлической связи, то для понимания структуры и свойств твердых тел следует рассмотреть и другие ее виды. В зависимости от величины энергии связи различаются следующие ее виды (рис. 5.6.2):
1. Связь Ван-дер-Ваальса (см. рис. 5.6.2, а).
Этот вид связи имеется у твердых инертных газов и молекулярных кристаллов. Он имеет очень низкую энергию связи. Так как инертные газы имеют полные (занятые) квантовые состояния на внешней оболочке, то стремление таких атомов объединиться в прочное соединение можно объяснить тем, что распределение зарядов не является симметричным сферически, а имеет ди-польный момент. Положительные и отрицательные полюса обусловливают слабые соединения (сцепления) этих твердых тел, которые кристаллизуются с самой плотной упаковкой шаров-атомов.
2. Металлическая связь (см. рис. 5.6.2, б).
В металлах имеется сравнительно тонкая заполненная внешняя электронная оболочка. Внешние электроны атомов отдаются и больше не принадлежат определенным атомам. У некоторых металлов, например у Fe и В, на ближних внутренних электронных оболочках не полностью занятые квантовые состояния способствуют связи. Ионные каркасы металлов "плавают" в электронном газе, который действует в качестве "сцепки". Благодаря свободно перемещающимся электронам создается хорошая электрическая проводимость. Так как все атомы в металлах занимают равноценные положения, при действии внешних сил атомы могут смещаться относительно друг друга, причем они по соседству всегда находят равноценные места. Этим можно объяснить хорошую пластичность металлов. Одновременно из характера связи возникает склонность металлов к самой плотной упаковке шаров-атомов.
3. Гомеополярная (ковалентная) связь (см. рис. 5.6.2, в).
Здесь речь идет о валентной связи. С помощью направленных валентных сил однородные атомы сцепляются. Энергия связи при этом сравнительно велика. В стремлении к заполненной внешней оболочке атомы соединяются так, что отсутствующие электроны замещаются таким образом, что два или несколько электронов относятся одновременно к двум или нескольким атомам. Хлор с семью электронами, например, имеет незанятое энергетическое состояние во внешней оболочке. Благодаря соединению двух атомов хлора эти два электрона делятся так, что в молекуле Cl2 для каждого атома имеется полностью занятая оболочка. Из-за этого в молекуле отдельного атома снижается энергия.
Если два электрона для полного замещения энергетического состояния отсутствуют на внешней оболочке, то ковалентная связь трех атомов стабильна, например у сурьмы Sb3. У углерода на внешней оболочке отсутствуют четыре электрона, так что атом углерода с четырьмя ближайшими соседями делит отсутствующие электроны. Таким образом, в алмазе конфигурация пяти атомов стабильна. Число ближайших соседей, т.е. координационное число, вычисляется таким образом из 8—N, причем N есть число электронов во внешней оболочке. Таким образом, ковалентная связь возможна только у элементов с N ≤ 4. При N ≥ 4 число электронов для этого вида сцепления недостаточно. Кристаллы с ковалентной связью очень твердые (алмаз) и обнаруживают в чистом виде очень незначительную проводимость.
4. Гетерополярная (ионная) связь (см. рис. 5.6.2, г).
Виды связи атомных соединений

Этот вид связи обладает очень высокой энергией. По этому типу соединяются элементы с почти полностью занятыми внешними электронными оболочками с элементами с почти незанятыми внешними оболочками. Для образования закрытых оболочек один элемент отдает электрон, другой элемент принимает их.
Так, кристалл NaCl образуется благодаря тому, что Na отдает свой электрон на внешней оболочке, а Cl, у которого отсутствует электрон, принимает его. Благодаря этому Na+ с положительным избытком заряда становится катионом, Cl- с отрицательным зарядом — анионом. Связь через электростатическое взаимодействие противоположно заряженных ионов. В ионном кристалле ионы располагаются так, что кулоновское притяжение разноименных зарядов сильнее, чем кулоновское отталкивание одинаковых ионов. Характерными кристаллическими структурами для ионных кристаллов являются структуры хлорида натрия и хлорида цезия. Так как при деформации связи должны нарушаться, то эти кристаллы, как и ковалентные, являются твердыми и хрупкими. Твердые тела с ионной связью имеют электролитическую проводимость.
В металлах наряду с металлическим сцеплением существуют также ионная и ковалентная связи. Эти виды связи обнаруживаются преимущественно в интерметаллических фазах. При этом эти виды связи в большинстве случаев встречаются не а чистом состоянии, а в смешанных формах. Интерметаллические ; фазы в противоположность чисто металлическим являются очень твердыми, хрупкими и сохраняют свои прочностные свойства до высокой температуры. Таким образом, интерметаллические фазы пригодны для того, чтобы делать металлы твердыми, износо- и теплостойкими.
Важными формами интерметаллических фаз являются карбиды.
Дополнительно к рассмотренным видам связи нужно назвать еще водородную мостовую связь. Эта связь имеет в основном ионный характер. Атом водорода теряет свой электрон и, осаждаясь, создает мост между сильно отрицательными атомами, как, например, F, N и О.