8

ФиХТТ Лекция 2

2. Химическая связь в твердых телах

Свойства твердых материалов (прочность, хрупкость, теплоемкость, температура плавления, электрическая проводимость и многие другие) обусловлены строением вещества, природой химичес­ких связей и их величиной.

Энергия химических связей равна работе, которую необходимо совер­шить, чтобы разделить вещество на составные элементы.

По значению энергии связей можно судить о свойствах соедине­ний. Так, если проследить за изменением энергии связи в соедине­ниях кальция, то наблюдается тенденция к ее увеличению в последо­вательности:

СaO Ca(OH)₂ CaCO₃.

Энергия связи характеризует устойчивость соединения. Чем прочнее связь, тем больше требуется затрат на превращение этого соединения в технологическом процессе.

Рассмотрим химические связи по мере возрастания их энергии.

1. Межмолекулярные взаимодействия

На небольших расстояниях, равных одному или нескольким нано­метрам (порядка 10^-9), между частицами проявляются силы межмоле­кулярного взаимодействия, или силы Ван-дер-Ваальса. Возникающие при этом химические связи могут иметь различную прочность.

В зависимости от природы взаимодействующих молекул различают три составляющих межмолекулярного взаимодействия.

При взаимодействии двух полярных молекул, т.е. при наличии у микрочастиц постоянного электрического диполя Р, возникает элек­тростатическое притяжение, которое называется ориентационным взаимодействием. Энергию ориентационного взаимодействия рассчиты­вают по формуле:

, (2.1)

где Т - абсолютная температура; k - постоянная Больцмана; Р=1.38*10^-23 Дж/К - электрический момент диполя полярных молекул; r - расстояние между центрами диполей.

Из формулы (2.1) видно, что энергия ориентационного взаимо­действия резко возрастает с увеличением электрического момента диполя молекул и падает с ростом температуры, так как при этом тепловое движение стремится нарушить взаимную ориентацию молекул.

При взаимодействии полярных и неполярных молекул в последних под действием электрических полей полярных молекул наводится (индуцируется) электрический дипольный момент. Такое взаимодей­ствие называется индукционным. Энергию индукционного взаимодей­ствия рассчитывают по формуле:

, (2.2)

где  - коэффициент поляризуемости неполярных молекул; Р - электрический дипольный момент полярных молекул; r - расстоя­ние между центрами диполей.

Из формулы (2.2) видно, что энергия индукционного взаимодей­ствия не зависит от температуры, так как поведение диполей опре­деляется напряженностью всего поля и происходит при любой про­странственной ориентации молекул.

Неполярные молекулы также вступают во взаимодействие друг с другом. Возникновение сил взаимодействия, которые называются дисперсионными, обусловлено непрерывным движением ядер и электро­нов. Благодаря непрерывному вращению электронов и колебательному движению ядер в каждом из атомов может происходить временное смещение атомных орбиталей относительно ядра и обусловленное этим временное возникновение диполя. Взаимодействие мгновенных микро­диполей обусловливает силы дисперсионного взаимодействия, величи­ну которых рассчитывают по формуле:

, (2.3)

где h_o - “нулевая” энергия, присущая каждому атому или молекуле при 0 К.

Энергия межмолекулярного притяжения в любой системе может быть достаточно удовлетворительно рассчитана суммированием энер­гии трех вышерассмотренных составляющих.

Силы межмолекулярного взаимодействия характеризуются неболь­шой энергией, которая быстро уменьшается с расстоянием. Это приводит к тому что связь является устойчивой только между ближайшими соседями. Поэтому межмолекулярная связь является слабой, а твердые тела с такой связью имеют низкие температуры плавления и кипения, высокую сжимаемость.