
- •Строительное материаловедение
- •Лекция1. Строение атома
- •1. Электронное строение атома
- •2. Спектры излучения и поглощения. Главное квантовое число
- •Орбитальное квантовое число. Физический смысл, числовое и буквенное обозначения
- •Магнитное и спиновое квантовые числа
- •Периодический закон и электронное строение атома
- •Периодичность свойств химических элементов
- •3. Атомные радиусы химических элементов
- •4. Энергия ионизации
- •5. Cродство к электрону
- •6. Электроотрицательность
- •Лекция 2. Химическая связь и строение молекул
- •1. Краткая история развития представлений о химической связи
- •2. Квантово-механическое рассмотрение химической связи.
- •2.1. Ковалентная связь
- •Количественные характеристики химической связи
- •Метод валентных связей
- •Метод молекулярных орбиталей (ммо)
- •Сравнение методов валентных связей и молекулярных орбиталей
- •Свойства ковалентной связи
- •Полярность связей и молекул
- •2.2. Ионная связь
- •4. Металлическая связь
- •5. Межмолекулярные взаимодействия
- •6. Водородная связь
- •Лекция 3. Структура материалов
- •1. Основные понятия, термины, определения
- •2. Внутреннее строение матерпалов
- •Микроструктура
- •Кристаллическая структура
- •3.2. Аморфная структура
- •3.3. Аморфно-кристаллическая структура
- •4. Макроструктура
- •4.1. Особенности структуры поверхностного слоя.
- •4.2. Особенности структуры внутреннего слоя.
- •4.3. Основные характеристики макроструктуры
- •Пористость
- •Гигроскопичность
- •Газопроницаемость
- •Паропроницаемость
- •Водопроницаемость
- •Лекция 4. Свойства материалов
- •1. Основные понятия, термины, определения
- •2. Взаимосвязь основных свойств
- •3. Плотность
- •3. Теплофизические свойства
- •3.1. Теплоемкость Основные понятия, термины определения
- •Теплоемкость при нагревании и переходных процессах
- •Химический состав и теплоемкость
- •Агрегатное состояние и теплоемкость
- •Теплоемкость и ее практическое использование
- •3.2. Тепловое расширение Основные понятия, термины, определения
- •Механизм теплового расширения твердых тел
- •Связь “тип химической связи — тепловое расширение”
- •Влияние структуры материала на тепловое расширение
- •3. Теплопроводность Основные понятия, термины, определения
- •Агрегатное состояние вещества и теплопроводность
- •Влияние состава, структуры и параметров состояния на фононную теплопроводность твердого тела (кристалла)
- •Теплопроводность некристаллических тел
- •Теплопроводность гетерогенных систем
- •Плавление материалов Основные понятия, термины, определения
- •Механизм плавления твердого тела
- •Состав и температура плавления
- •Структура твердого тела и температура плавления
- •Взаимосвязь "температура плавления - тепловое расширение "
- •Лекция 5. Деформативные и прочностныесвойства материалов
- •1. Деформативные свойства Основные понятия, термины, определения
- •Упругость
- •Константы упругости
- •Модуль Юнга
- •Пористость и модуль Юнга
- •Термическое расширение и модуль упругости
- •Пластичность
- •Причины и механизм образования пластических деформаций
- •Хрупкость
- •Эластичность
- •2. Прочность
- •Критерии прочности
- •Факторы, влияющие на показатель прочности
- •Общие положения относительно прочности и разрушения материала
- •2. Твердость
- •Факторы, влияющие на твердость материала
- •Способы оценки твердости
- •Лекция 6. Эксплуатационные свойства
- •6.1. Основные понятия, термины, определения
- •6.2. Водостойкость
- •6.3. Морозостойкость Морозостойкость плотных и пористых материалов
- •Механизм разрушения структуры пористых тел при замораживании
- •Факторы, влияющие на морозостойкость
- •6.3. Коррозионная стойкость Основные понятия, термины, определения
- •Виды коррозии строительных материалов
- •Факторы, влияющие на коррозионную стойкость строительных материалов
- •Общие принципы повышения коррозионной стойкости
- •Заключение
Сравнение методов валентных связей и молекулярных орбиталей
Вначале отметим, что методы валентных связей и молекулярных орбиталей являются приближенными. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки.
Метод МО позволяет описывать и прогнозировать свойства молекулы, зависящие от состояния в них отдельных электронов, такие как устойчивость и неустойчивость. Так, например, с точки зрения ММО, устойчив молекулярный ион Щ и, наоборот, неустойчивы Не2, Ве2. С позиций метода ВС это необъяснимо.
В рамках метода МО хорошо объясняются и прогнозируются магнитные свойства молекул, также необъяснимые с позиций МВС. Однако в рассмотренном простейшем варианте ММО не способен передавать насыщаемость ко-валентной связи (т. е. состав молекулы). Для МВС этот недостаток менее характерен. Расчет геометрической структуры и определение важнейших параметров молекулы с помощью ММО является трудной математической задачей, для решения которой необходимы мощные ЭВМ.
Из сказанного выше можно сделать вывод о том, что наиболее общим и последовательным методом для описания строения молекул является метод молекулярных орбиталей. Тем не менее, метод валентных связей дает возможность, основываясь на небольшом числе предположений, связывать между собой в стройную систему важнейшие опытные данные, и применение этого метода во многих случаях более наглядно и вполне оправдано. Спор о том, какой из методов вернее, беспредметен. Правильнее считать, что они взаимно дополняют друг друга.
Свойства ковалентной связи
Ковалентная связь обладает рядом важных свойств. К их числу относятся: насыщаемость и направленность.
НАСЫЩАЕМОСТЬ — характерное свойство ковалентной связи. Она проявляется в способности атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. Это связано с тем, что одна орбиталь атома может принимать участие в образовании только одной ковалентной химической связи. Данное свойство определяет состав молекулярных химических соединений. Так, при взаимодействии атомов водорода образуется молекула Н2, а не Н3. С точки зрения МВС третий атом водорода не может присоединиться, так как спин его электрона окажется параллельным спину одного из спаренных электронов в молекуле. Способность к образованию того или иного числа ковалентных связей у атомов различных элементов ограничивается получением максимального числа неспаренных валентных электронов.
НАПРАВЛЕННОСТЬ — свойство ковалентной связи, определяющее геометрическую структуру молекулы. Причина направленности связи заключается в том, что перекрывание электронных орбиталей возможно только при их определенной взаимной ориентации, обеспечивающей наибольшую электронную плотность в области их перекрывания. В этом случае образуется наиболее прочная химическая связь.
Полярность связей и молекул
В молекулах положительные заряды ядер скомпенсированы отрицательными зарядами электронов. Однако положительные и отрицательные заряды могут быть пространственно разделены. Предположим, что молекула состоит из атомов разных элементов (НС1, СО и т. д.). В этом случае электроны смещены к атому с большей электроотрицательностью и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают, образуется электрический диполь — система из двух равных по величине и противоположных по знаку зарядов q, находящихся на расстоянии l, называемом длиной диполя. Длина диполя — векторная величина. Ее направление условно принято от отрицательного заряда к положительному. Такие молекулы называют полярными молекулами или диполями.
Полярность молекулы тем больше, чем больше абсолютная величина заряда и длина диполя. Мерой полярности служит произведение q . l, называемое электрическим моментом диполя μ: μ = q . l.
Единицей измерения μ служит Дебай (Д). 1 Д = 3,3 . 10 -30 Кл . м.
В молекулах, состоящих из двух одинаковых атомов μ = 0. Их называют неполярными. Если такая частица попадает в электрическое поле, то в ней под действием поля произойдет поляризация — смещение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов. В частице возникает электрический момент диполя, называемый наведенным диполем.
Дипольный момент двухатомной молекулы АВ можно отождествить с дипольным моментом связи А—В в ней. Если общая электронная пара смещена к одному из атомов, то электрический момент диполя связи не равен нулю. Связь в этом случае называется полярной ковалентной связью. Если электронная пара симметрично расположена относительно атомов, то связь называется неполярной.
В многоатомной молекуле определенный электрический момент диполя можно приписать каждой связи. Тогда электрический момент диполя молекулы может быть представлен как векторная сумма электрических моментов диполя отдельных связей. Существование или отсутствие момента диполя у молекулы связано с ее симметрией. Молекулы, имеющие симметричное строение, неполярны (μ = 0). К ним относятся двухатомные молекулы с одинаковыми атомами (Н2, С12 и др.), молекула бензола, молекулы с полярными связями BF3, A1F3, CO2, ВеС12 и др.
Электрический момент диполя молекулы является важным молекулярным параметром. Знание величины μ может указать на геометрическую структуру молекулы. Так, например, полярность молекулы воды указывает на ее угловую структуру, а отсутствие момента диполя СО2 — на ее линейность.