ВИДЫ МЕЖАТОМНЫХ СВЯЗЕЙ Шевырталов Сергей

Межатомные связи - В основе всех типов связей – Кулоновское взаимодействие электронов и ионов; - Межатомные связи различаются не природой взаимодействия, а характером движения атомов, валентных электронов, ионов; - Типы и силы связи зависят от конкретного строения электронных оболочек взаимодействующих атомов; - Ни один из видов связей не встречается в чистом виде. Вещество может относиться к тому или другому типу по характеру преобладающей связи 2 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Виды межатомных связей - Ионная связь; - Ковалентная связь; - Металлическая связь; - Связь Ван-дер-Ваальса 3 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Ионная связь - Основывается на Кулоновском взаимодействии разноименно заряженных ионов; - Возникает между химическими элементами с сильно отличающейся электроотрицательностью; 4 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА Электpоoтрицательность χ (греч. хи) способность атома удерживать внешние (валентные) электроны. Она определяется степенью притяжения этих электронов к положительно заряженному ядру Элeктроотрицательность элементов подчиняется периодическому закону: она растет слева направо в периодах и снизу вверх в главных подгруппах Периодической системы элементов Д.И. Менделеева

Ионная связь ИС характерна для соединений, у которых один элемент является металлом (в основном щелочным), а другой близок к последней группе периодической системы элементов (галогены) 5 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Ионная связь Примеры: NaCl, KBr, LiF… Li: 1s 2 2s 1 F: 1s 2 2s 2 2p 5 Атом, потерявший электрон становится положительно заряженным ионом, а получивший – отрицательно заряженным. => между разнозаряженными ионами возникают силы электростатического притяжения 6 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Ионная связь Примеры: NaCl, KBr, LiF… Li: 1s 2 2s 1 F: 1s 2 2s 2 2p 5 Принцип Паули. «Два электрона с одинаково направленными спинами не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии» => Одноименно заряженные ионы отталкиваются 7 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Ионная связь Кое-что еще… - Ионные кристаллы являются диэлектриками в твердом состоянии, т.к. все электроны сосредоточены на электронных орбиталях отдельных атомов, но обладают ионной проводимостью в состоянии расплава или раствора; - Так же ионные кристаллы являются диамагнетиками; Примеры ионных кристаллов: - Оксиды (Al 2 O 3, Ti 2 O 3 …) - Соли (NaCl, HCl, NaBr…) - Энергия взаимодействия 10 6 Дж/моль 8 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Ковалентная связь - Связь между двумя атомами с одинаковой электроотрицательностью, возникающая при обобществлении электронов; - Т.е. электроны принадлежат частично двум атомам 9 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА - Число атомов, с которыми атом образует связь, определяется количеством электронов на внешних электронных оболочках; - Число связей = числу ближайших соседей K = 8 – N K – координационное число кристалла; N – валентность Примеры веществ с КС: - Алмаз, кремний, германий, водород

Ковалентная связь 10 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА Пример. Молекула водорода (H 2 ) - Два атома водорода на расстоянии; - Каждый электрон принадлежит своему протону. При сближении на расстояние, меньшее радиуса электронных орбит, каждый из электронов оказывается под влиянием обоих протонов. Далее все зависит от…

Ковалентная связь 11 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА Пример. Молекула водорода (H 2 ) - Два атома водорода на расстоянии; - Каждый электрон принадлежит своему протону. При сближении на расстояние, меньшее радиуса электронных орбит, каждый из электронов оказывается под влиянием обоих протонов. Далее все зависит от… направления спинов электронов //Снова принцип Паули//

Металлическая связь - Связь возникает между двумя атомами с одинаковым или близким значением электроотрицательности; - Формируется при коллективизации валентных электронов, слабо связанных с атомом, при этом эти электроны становятся общими для всего кристалла 12 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА В результате между коллективизированными электронами и ионами возникают силы электростатического взаимодействия.

Металлическая связь - В обобществлении электронов участвуют все ионы решетки; - Обобществленные электроны свободно перемещаются внутри всего кристалла; - Электрический ток в металлах – движение сорванных с орбитального радиуса электронов в поле положительно заряженных ионов, находящихся в узлах решетки 13 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Связь Ван-дер-Ваальса - Самый слабый вид связей (Энергия взаимодействия 10 4 Дж/моль) - Является короткодействующей, т.к. резко убывает с увеличением расстояния Источником сил является поляризационный эффект, вызванный влиянием поля электронов, движущихся вокруг ядра данного атома, на движение электронов другого атома. Приводит к образованию диполей. 14 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА Жесткие Молекулы с двумя полюсами, как под воздействием внешнего поля, так и без него. Наведенные Приобретают полярность только во внешнем поле

Связь Ван-дер-Ваальса Состоит из трех типов слабых электромагнитных взаимодействий: - Ориентационное взаимодействие (сила Кизома) - Индукционное взаимодействие (сила Дебая) - Дисперсионное взаимодействие (сила Лондона) 1/r 6 15 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Связь Ван-дер-Ваальса Ориентационное взаимодействие. Осуществляется между полярными молекулами, являющимися постоянными диполями Чтобы обеспечить минимум потенциала, диполи стремятся расположиться в одном направлении вдоль общей оси. Однако тепловое движение разрушает этот порядок. Для нахождения "результирующего" ориентационного потенциала необходимо провести статистическое усреднение взаимодействия по различной возможной ориентации пары молекул 16 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Связь Ван-дер-Ваальса Индукционное взаимодействие. Возникает между полярной и неполярной молекулами. Электрическое поле, создаваемое диполем, наводит поляризацию на другую молекулу. 17 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Связь Ван-дер-Ваальса Дисперсионное взаимодействие. - Взаимодействие между мгновенным и наведенным диполем; - Возникает между всеми атомами и молекулами; - Определяется квантовомеханическими флуктуациями электронной плотности (мгновенное распределение заряда одного атома или молекулы, характеризуемое мгновенным дипольным моментом, индуцирует мгновенный дипольный момент в другом атоме или молекуле 18 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

КОЕ-ЧТО ЕЩЕ… 19 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

AFM, IBM, C 60 и межатомные связи - Принцип действия атомно-силового микроскопа основан на детектировании сил Ван-дер-Ваальса; - C60 (Фуллерен) 20 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА CO

Графит - Аллотропная модификация углерода - Гексагональная решетка - Состоит из параллельных слоев, образованных правильными шестиугольниками; - Положение слоев повторяется через 1 - Внутри слоя связи между атомами ковалентные, а между слоями – В-д-В 21 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Потенциал Леннард-Джонса (6-12) Модель парного взаимодействия неполярных молекул. где r расстояние между центрами частиц, глубина потенциальной ямы, расстояние, на котором энергия взаимодействия становится равной нулю. Силы В-д-В (притяжения) 22 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА Перекрытие электронных облаков (отталкивание)

АМОРФНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ

Что это? - Неупорядоченные системы - Твердые тела со структурой ближнего атомного порядка Две группы: - Металл-металлоид Cплавы переходных металлов Fe, Co, Ni, Ti, Pd… с металлоидами B, C, P, Si… - Металл-металл а) Сплавы переходных металлов друг с другом (Nb-Ni, Zr-Pd) б) Простых металлов друг с другом (Mg-Zn, Mg-Cu) в) Простых металлов с переходными (Ti-Be, Zr-Be) г) Простых металлов с редкоземельными (La-Al, La-Be) д) Переходных металлов с редкоземельными (Gd-Co, Tb-Co) 22 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Практическое применение - Магнитные головки - Преобразователи - Высокочувствительные датчики - Фильтры для очистки различных растворов 22 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Способы получения АС Три группы: - Из газообразного - Из жидкого - Из твердофазного состояния 22 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Получение АС из газообразного состояния - Вакуумное термическое напыление - Катодное напыление - Ионно-плазменное напыление - Разложение в тлеющем разряде И другие… 22 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Получение АС из жидкого состояния - Метод закалки из расплава - Лазерное стеклование - Газотермическое напыление - Электролитическое и химическое осаждение аморфных слоев 22 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Получение АС из твердого состояния - Метод ионной имплантации (ионизация внедряемых атомов и их ускорение до высоких энергий в электрическом поле) - Путем механической обработки (шлифование, полировка, трение) - Из твердофазных реакций (отжиг многослойных композиций металлов при температуре ниже температуры стеклования. Аморфная структура образуется на границе двух Ме слоев в результате встречной диффузии атомов разного сорта) 22 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Термическое напыление АС получают в результате нагрева, испарения и осаждения вещества на подложку в замкнутой камере при понижении в ней давления газа ниже Торр Испарение чаще всего происходит из жидкой фазы 22 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Термическое напыление - Резистивный нагрев Материал испаряется за счет джоулева тепла, выделяемого при пропускании через нагреватель электрического тока. Применимо для веществ с температурой плавления до 2000 о С - Взрывное испарение Заключается в подаче порошка испаряемого материала на резистивный испаритель, нагретый до температуры на о С выше температуры испарения наиболее тугоплавкого компонента - Лазерный нагрев - Высокочастотные испарители Материал распыляется под действием нагрева вихревыми токами, создаваемыми высокочастотным полем. - Электронно-лучевой нагрев Осуществляется кинетической энергией пучка электронов. 22 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Список литературы - И.В. Золотухин, Новые направления физического материаловедения, Издательство Воронежского государственного университета, А.С. Иванов, Физические основы микро- и нанотехнологий: учебное пособие, Издательство национального исследовательского политехнического университета, Б.Г. Ливанов, Физика металлов: учебник для вузов, МИСИС, В.Л. Миронов, Основы сканирующей зондовой микроскопии, РАН институт физики микроструктур, Нижний Новгород, Дж. Займан, Принципы теории твердого тела, ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА