4. Представления о химической связи и кинетике химических реакций

При взаимодействии атомов между ними может возникнуть хими­ческая связь, приводящая к образованию устойчивой многоатомной системы - молекулы, молекулярного иона, кристалла. Условием обра­зования химической связи является уменьшение потенциальной энер­гии взаимодействующих атомов. Возникновение химической связи обусловливается обменом электронами между взаимодействующими ато­мами. Прочность связи, устойчивость молекулы и многоатомных сис­тем определяется энергией связи. Энергия связи - это энергия, не­обходимая для разъединения (атомизации) многоатомных систем на отдельные атомы или для отрыва одного атома от многоатомной сис­темы. В рассматриваемых процессах ПХТ и ИХТ такими многоатомными системами являются: обрабатываемые материалы и многоатомные моле­кулы рабочего газа и продукты их разложения в электрическом раз­ряде.

Актом химической реакции называется химическое превращение, происходящее за время, меньшее времени соударения атомов или мо­лекул. Это время определяется относительной скоростью движения взаимодействующих частиц. Химическая реакция - последовательность элементарных актов, в результате которых из суммы молекул одних веществ образуется сумма молекул других веществ.

Чтобы произошла реакция, т.е. образовались новые молекулы, сначала необходимо разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ, для этого требуется затратить энер­гию, называемую энергией активации. Энергия активации химической реакции определяется как разность между средней энергией частиц составляющих молекул и средней энергией всех частиц - внутренней энергией молекулы.

При получаемых молекулой энергиях, больших энергии актива­ции, происходит диссоциация молекулы. При диссоциации многоатом­ных молекул в результате энергетического воздействия на них про­исходит образование радикалов - осколков молекул, имеющих неспа­ренные электроны. В процессах ПХТ и ИХТ энергетическое воздейс­твие на газ осуществляется с помощью электрического разряда. Воз­никают валентно ненасыщенные частицы, проявляющие вследствие это­го высокую химическую активность. С меньшей вероятностью происхо­дит образование ионов. Такими радикалами являются атомы водорода H^., хлор Cl^., фтора F^., группы атомов OH^., CH₃^., CF₃^.. Число то­чек определяет число неспаренных электронов.

Остатки углеводородов, образующиеся при отборе у молекул од­ного, двух или нескольких атомов водорода, образуют углеводород­ные радикалы, обозначаемые: R^. - одновалентный, R^.. - двухвалент­ный, R^... - трехвалентный радикалы, где R - остаток молекулы, ко­торая может включать в свой состав тысячи атомов.

Таким образом, протекание химической реакции подразумевает на первом этапе образование реакционноспособных радикалов, кото­рые затем вступают в новые химические связи, образуя новое ве­щество.

В процессах ПХТ и ИХТ процесс травления осуществляется в ре­зультате гетерогенных реакций на границе раздела двух фаз: плазма - поверхность твердого тела обрабатываемого материала. Кроме это­го, происходят многочисленные гомогенные реакции в плазме, приво­дящие к образованию и исчезновению реактивных частиц плазмы.

Химическая реакция характеризуется скоростью ее протекания, т.е. кинетикой развития. Факторами, определяющими значение ско­рости химической реакции, являются: природа реагирующих веществ, их концентрация, температура, присутствие катализатора. В процес­сах ПХТ к важным факторам, влияющим на скорость протекания реак­ции травления, относится энергетическая активация поверхности в результате ионной и электронной бомбардировок, ультрафиолетового излучения из плазмы. Скорость протекания гетерогенных реакций за­висит также от скоростей подвода и отвода газа к поверхности травления.

Особенность гетерогенных реакций, в частности реакций ПХТ, состоит в том, что они связаны с переносом вещества. В ходе реак­ции можно выделить три стадии:

- подвод реагирующего вещества к поверхности травления;

- собственно химическая реакция на поверхности;

- отвод продукта реакции от поверхности.

В процессах ПХТ и ИХТ нельзя, как в обычных химических про­цессах (равновесных), отделить кинетику химических реакций от ки­нетики физического взаимодействия реактивных частиц плазмы с об­рабатываемым материалом. При ионно-химической обработке следует принимать во внимание, что кинетика физического взаимодействия предворяет и во многом определяет кинетику последующего химичес­кого взаимодействия.

Скорость химической реакции возбужденных частиц, ионов и ра­дикалов с материалом, как правило, значительно превышает скорость образования этих частиц. Поэтому суммарная скорость химических превращений в процессах ПХТ и ИХТ определяется скоростями образо­вания, диссоциации и ионизации. Лимитирующей стадией гетерогенной реакции ПХТ и ИХТ является, в большинстве случаев, стадия перено­са.