1.1. Виды химической связи в материалах

 

При сближении атомов до расстояния нескольких долей на­но­­­­ме­тра   (1нм=10^{-9 м), между ними появляются силы вза­и­мо­дей­ст­­вия. Если эти си­лы являются силами притяжения, то атомы мо­гут со­­­е­ди­няться с выделением энергии, об­­разуя устойчивые хи­ми­­че­с­кие со­е­ди­нения. При этом электроны внутренних и внешних обо­­­ло­­чек ато­мов ведут себя по-разному. Электроны внутренних, по­­л­­­­­­ностью  за­по­л­нен­ных оболочек прочно связаны с ядром и не уча­­­­­ствуют в об­ра­зовании химических связей. Строение внешней, не пол­ностью за­по­лненной электронами оболочки определяет хи­­­­­­мические свойства ато­мов в образовавшемся соединении.}

Электроны, находящиеся  на внешних оболочках,  являются ва­­ле­­нт­ными. Валентность атома оп­­ре­де­ляется числом  этих эле­к­т­ро­нов. Все многообразие су­ще­ству­ю­щих в природе мате­риалов ха­­ра­­­к­те­­ризуется нес­ко­ль­­кими ви­да­ми хи­­­ми­ческой связи.

Ковалентная (гомеополяр­ная) связь. При наличии такой свя­­­­зи объ­­­­­­­­­­­­единение атомов в мо­ле­­кулу до­­­стигается за счет элек­т­ро­­­нов, ко­­­­то­­­рые становятся об­щи­­­ми для  пар ато­мов  (рис. 1.1).  Пло­­т­­ность от­­­­ри­­­ца­тельно заря­жен­­ного электрон­но­го облака ме­ж­­­ду по­ло­­­жи­­­­те­­ль­но за­ря­женными ионами получается наиболь­­шей. По­­яв­ле­­­­­ние со­­с­то­я­ния с повышен­ной пло­­тностью элек­т­ро­н­но­го заря­да в меж­­и­он­ном пространстве при­­­во­дит к во­з­ни­к­но­ве­нию сил при­­тя­­же­ния между атомами.

Ковалентная связь ха­ра­к­терна как для ор­ганических так и для неорганических со­е­­ди­не­ний. К неорганическим ве­­ще­с­т­вам с ковалентной свя­зью от­но­­сятся алмаз, кре­м­ний, ге­р­ма­ний, ар­се­нид гал­лия (GaAs), ка­р­­бид кре­м­ния (SiC) и дру­гие, яв­ля­­ю­щи­­еся по­лу­про­во­д­ни­ка­­ми. Мно­­­­­­гие по­лу­­про­вод­ни­ки кри­­­­­­с­­­­тал­­ли­зу­ются в стру­к­­­­ту­ре ал­ма­за, в ко­то­рой ка­­ж­дый атом об­­ра­зу­ет че­­­тыре связи со своими бли­­жай­ши­ми со­­се­дя­­ми. Ко­­­валентная связь в не­ор­­га­ни­че­ских ма­териа­лах ха­ра­к­те­­ри­зу­ет­ся высокой про­ч­но­с­тью. Под­твер­ж­дением это­­­му яв­­­­ля­е­т­ся высокие тве­рдость и тем­пе­ратура пла­вления алмаза, крем­ния и др.

Ионная (гетеро­по­ля­р­ная) связь. Наблюдается в хи­ми­чес­ких со­е­­­ди­нениях ато­мов металла с метал­ло­идными атомами (типа NaCl). Ионная связь возникает вслед­с­т­вие перехода ва­лентных эле­­ктронов от металлического атома к металлоидному и,  как ре­зу­­льтат, возникновению электростатического притяжения  раз­но­и­мен­но заряженных атомов друг к другу.

На рис. 1.2 схе­ма­ти­чес­ки представлена трехмерная решетка гипотетического ион­ного кри­сталла, где атомы метал­ла изображены в виде точек (по­ло­жи­те­льно заряженные ионы - катионы), а атомы металлоида - в виде кру­жочков (от­ри­цательные ионы - анионы). В решетке ион­ного кри­сталла че­ре­дуются ионы различного сорта. Способность ато­ма захва­тывать электрон при образовании ион­ной хи­ми­чес­кой свя­зи называется электроотрицательностью. Чем бо­ль­ше раз­­но­сть электроотрицательностей атомов, участвующих в об­­ра­зо­ва­нии химической связи, тем боль­ше степень ионности со­е­динения

Металлическая  связь.  Существует в системах, построен­ных из положительных атомных остовов, находящихся в сре­­де сво­бо­д­­ных коллективизированных электронов (рис. 1.3). При­тяжение ме­­­жду положительными ионами и электронами обу­славливает су­ще­­­­ствование металлов как химических сое­ди­не­ний. Ме­та­л­ли­чес­кую связь можно рассматривать до не­ко­то­рой степени как ко­ва­ле­­­­­нтную связь, поскольку в ее основе ле­жит обобществление вне­ш­­­­них валентных электронов. Спе­ци­фи­ка металлической свя­­зи со­с­тоит в том, что обобществленные эле­ктроны свободно пе­ре­ме­ща­­­ются внутри всей  решетки, об­разуя "элек­тронный газ".

По­э­то­му металлическим материалам свойственны плас­ти­ч­но­сть, вы­со­кая электро- и теп­ло­про­во­д­ность.

Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса). Этот вид хи­ми­че­с­­­кой связи наблюдается у ряда веществ (парафин, жидкие кристаллы) между мо­ле­ку­ла­ми с ковалентным характером внутримолекулярного вза­и­мо­дей­ствия. Вещества с молекулярной связью характеризуются сра­в­­­­­­нительно низ­кой температурой плавления и невысокой ме­ха­ни­че­ской прочностью.