Тема 1 основы теории твердого тела

1. Строение твердых тел

1.1.1 Виды связей

Все вещества – газообразные, жидкие и твердые – состоят из атомов и молекул. Способность атомов вступать в соединение с атомами других элементов и образовывать молекулы, обусловлены внешними валентными электронами.

Существующие виды связей:

а) ковалентная связь (рисунок 1.1) характеризуется образованием устойчивых электронных пар электронов, ранее принадлежавших отдельным атомам. Эти пары становятся общими для атомов, входящих в состав молекулы. Электроны при движении по молекулярной орбите чаще всего находятся между ядрами, где создается как бы избыток отрицательного заряда, что способствует сближению атомов.

Рисунок 1.1 – Молекулы с ковалентной связью

Если двухатомная молекула состоит из атомов одного элемента (H₂, N₂, Cl₂), то электронная пара в равной степени принадлежит обоим атомам, такую молекулу называют неполярной или нейтральной, у них центры положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Если двухатомная молекула состоит из атомов различных элементов, то электронная пара может быть смещена к одному из атомов. Такую ковалентную связь называют полярной, а молекулу с полярной связью, у которой центры зарядов не совпадают, - полярными или дипольными. Дипольная молекула характеризуется величиной электрического дипольного момента, измеряемого в Кл·м:

,

где q – значение заряда, Кл;

l – расстояние между центрами зарядов.

Материалы с ковалентными связями характеризуются высокой твердостью, тугоплавкостью (Кремний).

б) ионная связь – вызывается силами электрического притяжения между положительными и отрицательными ионами. К ним относятся ряд металлов и типичные металлы. Например: хлористый цезий ClCs и титанита барий BaTiO₃, оксиды Cu₂O, ZnO, Fe₂O₃, NiO. Молекулы таких веществ – полярные, ионная связь менее прочная, чем ковалентная.

в) металлическая связь, в основном в металлах. Атом, отдавший внешний электрон, превращается в положительный ион, или вновь присоединяется, превращаясь в нейтральный атом. Т.е. металл можно рассматривать как систему, построенную из положительных ионов, находящихся в среде свободных электронов.

1.1.2 Кристаллическое строение веществ:

а) кристаллические – если атомы или молекулы характеризуются геометрически упорядоченным расположением;

б) аморфные (бесструктурные) – характеризуются хаотическим расположением;

в) аморфно – кристаллические, т.е. могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии (SiO₂).

1.1.3 Кристаллические вещества – это большинство твердых веществ обладающих кристаллическим строением. Форма внутреннего строения – это геометрически правильное расположение атомов или молекул. Кристаллические решетки классифицируют по виду частиц и по форме элементарных ячеек. Возможны 14 видов пространственных решеток: триклинная, моноклинная, таллическая, тетрагональная, ромбоэдрическая, гексагональная, кубическая и т.д.

Триклинная – обладает наименьшей пространственной асимметрией, так как все ребра ячейки различны и не составляют между собой прямого угла.

Кубическая – наибольшая пространственная симметрия, так как ребра одинаковы, между собой составляют прямой угол.

Остальные - занимают промежуточные положения.

Кристаллические решетки обладают размерами, которые характеризуют ее параметр – это расстояние между ближайшими параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку.

Параметр кубической решетки обозначают буквой, а≈0,28-0,6 Нм.

Параметр гексагональной решетки – обозначается двумя индексами: а – сторона шестигранника, с – высота призмы.

В зависимости от вида частиц, образующих кристаллическую решетку, различают: атомные, ионные, металлические и молекулярные решетки.

Атомные – в узлах нейтральные атомы связанные ковалентной связью.

Ионные – в них чередуются положительные и отрицательные ионы (ионная связь).

Металлические - в узлах положительные ионы, в промежутках – свободные электроны.

Молекулярные - в узлах молекулы, а связь – ковалентная и ионная.