Влияние типа связи на структуру и свойства кристаллов

Влияние типа связи на структуру и свойства кристаллов

• Влияние типов связей на структуру и свойства кристаллов Тип связи, возникающей между элементарными частицами в кристалле, определяется электронной структурой атомов, вступающих во взаимодействие. Элементарные частицы в кристалле собираются на определенном расстоянии и придают Кристаллу максимальную термодинамическую стабильность. Расстояние, на которое частицы приближаются друг к другу, определяется взаимодействием сил, действующих на кристалл.

Сила притяжения возникает за счет взаимодействия электронов с положительно заряженными ядрами собственных атомов, а также с положительно заряженными ядрами соседних атомов. Сила отталкивания возникает в результате взаимодействия положительно заряженных ядер соседних атомов при их сближении. Сила отталкивания проявляется с мощным приближением и интенсивно нарастает. Рисунок 1.9.

Силы взаимодействия (u) и изменения энергии связи (o) при сближении атомов в кристалле Это больше, чем силы притяжения(рис. 1.9). Людмила Фирмаль

Когда частицы приближаются друг к другу на расстояние (Jo), сила уравновешивается. Эта конвергенция соответствует минимуму энергии связи (ESB) и термодинамически стабилизирует Кристалл. Определяют температуру плавления и испарения, модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения и др. Ближе к кристаллу электронная структура атома существенно меняется. Подуровень энергии превращается в зону, перекрывающуюся, что позволяет осуществлять обмен и социализацию валентных электронов.

Электронная плотность валентной зоны определяет ее электрические и тепловые свойства. При наличии незаполненного подуровня в валентной зоне Кристалла, наблюдаемого в металле, наблюдается кристалл с хорошей электропроводностью (п. (см. 17.1). Когда валентная зона полностью заполнена, такой переход возможен только в том случае, если электрон сможет преодолеть полосу запрещенной энергии и перейти в полосу более высокой энергии со свободной level. In случай такого перехода, электрон Требуется больше энергии.

• Кристалл с такой электронной структурой является полупроводником или диэлектриком по электрическим характеристикам(см. раздел 17.2, раздел 17.3). Теплопроводность кристаллического тела также обусловлена электропроводностью, движением валентных электронов и взаимодействием атомов (ионов). В кристаллах с незаконченной валентной зоной теплопроводность в основном осуществляется валентными электронами, такие кристаллы обладают хорошей теплопроводностью.

Они включают в себя металл. Поскольку большая часть тепла передается через взаимодействие ионов, теплопроводность диэлектриков, в которых энтростатическая зона полностью закончена, значительно ниже. Магнитные свойства кристаллов также зависят от заполнения энергетических полос атомов. Если подуровень не соблюден, то присущий электрону момент не компенсируется, и в результате

Кристалл становится парамагнитным или феромонным! Кошка. Людмила Фирмаль

Когда энергетическая зона заполнена, кристаллы становятся антимагнитными (см. раздел 15.1). Все кристаллы в силу природы доминирующей связи делятся на молекулы, доли, металлы, ионы. Однако в некоторых случаях такое разделение является условным, так как может работать 1 тип соединения и несколько соединений.

Молекулярный Кристалл. Это кристаллы, в которых преобладает ван-дер-Ваальсова связь. Такие связи возникают между любыми элементарными частицами (ионами, атомами, молекулами), но во многих кристаллах они меньше по сравнению с другими, более важными силами. В кристаллах инертных газов ван-дер-Ваальсова

связь уникальна, поэтому она определяет структуру и свойства кристалла. Кристалл. Виды энергии, кДж / г атом (кДж / моль) связи АГ СН4 Алмаз Зю лиф натра Фе на 7.5 10750 1180 1000 750 390110, M-опека-ковалентная связь-ионная Mstally-I обмен Рисунок 1.10.Образование диполей при сближении атомов аргона Известно, что аргон, как и другие инертные газы, превращается в жидкость и даже в твердое вещество при очень низких температурах и высоком давлении. Атомы инертных газов полностью завершают энергетические уровни, поэтому, когда атомы находятся

близко друг к другу, электронный обмен становится невозможным. Возникновение притяжения между атомами объясняется мгновенной поляризации, когда атомы находятся близко друг к другу(рис. 1.10). Аналогичная сила действует между молекулами с насыщенными связями в кристаллах 2 атомарных газов H2, N2, C12, присутствие

которых также возможно только при очень низких температурах и высоких давлениях. В нормальных условиях, в кристаллах J2, H2O, CO2, CH4 и других опионовых веществ. Поскольку с каждым соседним атомом образуется мгновенный диполь, то ван-дер-Ваальсова сила

ns равна directed. As в результате атом пытается увеличить число соседей в Кри Штабелированная стальная решетка в самом компактном путе. Типичной решеткой для инертных газов является ГЦК-решетки, в которой атомы располагаются в ее узлах(см. Рисунок 1.7). Кристалл йода имеет ромбическую решетку Центральной решетки(рис. 1.11） И его узловой точкой является молекула. Поскольку энергия связи силы Ван-дер-Ваальса низка,

температуры плавления и испарения молекулярного Кристалла низки. Многие из них в нормальном состоянии являются газовыми. Кристалл состоит из электрически нейтральных атомов (молекул) и молекулярного диэлектрического Кристалла, благодаря чему энергетическая зона полностью заполнена. Для полимеров нижняя граничная энергия определяет более высокий коэффициент линейного расширения(см. таблицу).2, нитроанилина (см. раздел

12.3). Ковалентные кристаллы. Это кристаллы, в которых ковалентный тип связи predominates. It образуется элементами IV, V и VI подгруппы B. Из-за большого потенциала ионизации он электроотрицателен и взаимодействует с другими группами элементов для выделения валентных электронов и завершения валентной зоны. При взаимодействии Атом социализирует соседние атомы и валентные электроны, завершая валентную зону. Общие кристаллы образуют атомы углерода, кремния, Германия, сурьмы

и висмута. Число атомов Рисунок 1.11.Кристаллическая решетка йода： о-схема; Б-пространственное изображение один.） Он приводит к социализации электронов, зависит от валентности элемента и может быть определен по правилу (8-N).Где N-валентность элемента. Например, для углерода это число равно 4. Рассмотрение такой социализации легко начать с простой системы-водорода molecule. In в данном случае это типичный пример ковалентной связи, в которой 2 электрона образуют спин в противоположном направлении. В электрическом поле из 2 протонов есть 2 электрона.

Оба электрона в молекуле водорода принадлежат обоим атомам, и из-за перекрытия валентной зоны они постоянно»блуждают»от одного атома к другому, образуя общую обменную силу. В общих кристаллах в узлах кристаллической решетки находятся атомы с одинаковой действующей силой. Например, атом углерода имеет 4 валентных электрона, через которые он образует 4 направленные связи и начинает обменные взаимодействия с 4 соседними атомами. Между каждой парой атомов происходит обмен валентными электронами, подобно атому молекулы водорода. В природе углерод встречается

в 2 кристаллических форм(рис. 1.12).Обе кристаллические решетки характеризуют наличие 4 со Day. In сложная Алмазная решетка, все 4 соседних элемента находятся на одинаковом расстоянии от центрального атома(они хорошо видны в элементе, обозначенном ломаной линией). один.） Рисунок 1.12.Кристаллическая решетка алмаза (а) и графита (б) В графитовой слоистой гексагональной

решетке 4 соседние 1 (см. жирную линию на рис. 1.12) находятся на значительном расстоянии. Между 3 атомами в плоскости дна решетки действует ковалентная сила связи, а между основаниями действует слабая Ван-дер-Ваальсова сила. При деформации дорожног

о движения, межслоевой облигации будут уничтожены в первую очередь. Этим объясняется низкая твердость графита. Коэффициент линейного расширения увеличивается в направлении действия силы Ван-дер-Ваальса (см. таблицу 1.2). Ковалентные связи характеризуются направленностью, поскольку каждый атом взаимодействует с определенным числом соседних atoms. As в результате атомы в общем Кристалле укладываются некомпактным образом, образуя кристаллическую структуру с небольшим координационным числом. Поэтому конфигурационное число кубической решетки алмаза равно 4 (K4). Направление

межатомной связи и плотно упакованная кристаллическая структура приводят к низкой пластичности и высокой твердости(алмаз-самый твердый материал). Благодаря высокой энергии связи ковалентные кристаллы характеризуются высокой температурой плавления (в алмазах она равна 5000°С)и испарением. Когда образуется

валентная зона, заполненная этой связью, общий Кристалл становится полупроводником или диэлектриком. Алмазный полупроводник. Превосходная проводимость графита объясняется заменой 4 ковалентных связей на 1 ван-дер-Ваальсовую связь, в результате чего появляется свободный носитель электрического

тока. Температурный коэффициент электрического сопротивления Кристалла ковалентной связи имеет отрицательное значение. То есть при нагревании электрическое сопротивление уменьшается. Ковалентные кристаллы включают в себя множество сложных кристаллических веществ, состоящих из различных атомов, таких как карбид кремния и нитрид алюминия. Металлические кристаллы. Это кристаллы, в которых преобладает связь металлического типа.

Они образованы элементами всех подгрупп а и I-III подгруппы пин B. It электрически положительный из-за своей низкой ионизации potential. In металлические кристаллы, при взаимодействии с другими группами элементов, атомы легко отказываются от валентности и превращаются в катион. При взаимодействии

валентные зоны атомов перекрываются, образуя общую зону со свободными уровнями. Это позволяет валентным электронам свободно перемещаться в пределах этого zone. It бывает Валентные электроны в объеме всего кристалла. Поэтому валентные электроны в металле не считаются потерянными или приобретенными атомами.

Они социализируются большинством атомов кристалла, в отличие от ковалентных кристаллов, в которых такая социализация ограничена 1 парой атомов. Каждый атом пытается привлечь как можно больше соседних атомов, поэтому металлическая связь

является ненаправленной. Результатом этого является высокое координационное число и большая компактность кристаллической структуры metal. As показано, что фокусные и ГЦК кристаллические структуры имеют большие координационные числа, характеризующие компактность решетки. (Металлы сплавленные с Ni, Ag, Cu, Au, Fey, Pt, Al, и Pb имеют non-центризованную кубическую

решетку. Гексагональная плотноупакованная решетка Многие металлы имеют hcp, но только M и Co имеют отношение c(a = 1.633.Соответствует сферической симметрии атома). Отклонение c / a от значения 1,633 объясняется наличием части ковалентной связи

и несферической симметрией атома, обусловленной this. In в этом случае, помимо взаимодействия с металлом, ковалентное взаимодействие происходит в направлении, в котором оно растягивается резиной. Отношение c / a больше 1,633 (Zn и Cd), если несферический атом лежит в кристалле вдоль его длинной оси вдоль оси Z. Если атомы расположены на малой оси вдоль оси Z,

то отношение<•/«меньше 1.633 (быть, ТСА, зра). Образование некоторых ковалентных связей и атомная симметрия nssfsr также объясняют формирование кристаллической структуры ВСС. Такие

конструкции не имеют высокой плотности упаковки. кристаллическая структура ОЦК-Fе, СГ, МО, Ж, В, та, наконечник, НБ, ЗРП и т. д. Между металлами и некоторыми неметаллами распространено явление изоморфизма, то есть способности иметь различные типы кристаллических структур в твердом состоянии при различных температурах (или давлениях).Эти кристаллические структуры называются аллотропами или деформациями.

Холодное исправление называется a, а горячее исправление-0, y, 8 и т. д. Стабильность изменений при определенной температуре и давлении определяется величиной термодинамического потенциала (свободной энергии Г ^ Ч-СТ. (1.1） Чтобы быть более стабильным при

данной температуре、 1 в термодинамических расчетах icMiiepaiypa дается в Кельвине, а в других случаях в траловых ячейках. Рисунок 1.13.Если включено, то изменение термодинамического потенциала на 2 изменения в металле! РО звук Меньшее алгебраическое значение термодинамического потенциала. Это может быть достигнуто либо малой энтальпией H, либо большой энтропией S. В металлических кристаллах плотно упакованные

структуры hcp (K = 12) и fcc (K = 12) (рис.1.13) стабильны за счет низкой энтальпии при низких температурах (от T).Более «рыхлая» структура ВСС (K = 8) устойчива при высоких температурах за счет своей большой энтропии. Этим объясняется устойчивость ОЦК решетки при

высоких температурах многих металлов Ti, Zr, Fe (J. устойчивость ОЦК решетки при высоких и низких температурах связана с увеличением электронной составляющей энтропии. Изменение типа соединения может изменить стабильность change. At при низких температурах модификация олова решеткой Sr ^алмаза стабильна из-за высокой ковалентной энергии и, следовательно, низкой энтальпии, а при нагревании она заменяется модификацией Snp с более слабой металлической связью. Около 30 различных металлов имеют температурный полиморфизм (таблица 1.4).

При температуре 20-25 ° С перестройка решетки не происходит при низкой диффузионной подвижности атомов, поэтому быстрое охлаждение позволяет поддерживать высокие температурные перепады в течение длительного времени. Кроме того, известен полиморфизм

под влиянием температуры и давления. Таблица 1.4.Кристаллическая структура полиморфного металла Металл Кристалл К«!Грубая структура этого изменяет диапазон температур. С. Титан до 882 графических процессоров Отскочил 882-1668 Цирконий GPU Макс 862 Отскочил 862-1852 Алмазная сузунда 13 Содержание 13-232 Алмаз урана до 663 г. Оглавление 663-764 КБК 764-1130 911 гладить ВСС ЗК 911-1392 Отскочил 1392-1539 До 477 графических процессоров кобальта ЗК 477-1490 При нагревании до 2000 ° C и воздействии

давления приблизительно 10 10 па графитообразный углерод перекристаллизовывается в алмаз. Если давление железа очень высокое, то было обнаружено изменение низкой температуры за счет

гексагональной решетки ГКП. Увеличение давления может трансформировать деформацию менее плотных структур в плотные при более низких температурах. При Ge, Si и Sn, при высоком давлении, общий Кристалл алмазной решетки (K = 4) превращается в Тетраметаллический Кристалл! O-объемная Центральная решетка тела (K = 8). Поскольку энергия металлической связи несколько ниже энергии ковалентной связи, в большинстве случаев металл имеет

более низкую температуру плавления, испарения и модуль упругости по сравнению с ковалентным кристаллом, но температурный коэффициент линейного расширения выше. 。 Чаще всего при увеличении энергии связи ЕП, температуры плавления 1ПЛ, модуля

упругости Е) 1) увеличивается Р, энергия активации самодиффузии, коэффициент линейного расширения а уменьшается до противоположного(табл. 1.5). Таблица 1.5.Энергия межатомной связи и свойства металла Металл 1 г н CS 4 * 3 и| О и «8 и 7 rt tz U CL l kJ JE o n», L. t * Jp Q cC 1-ri£C C’c Mai 151650 26 45134 1.7 Алюминий 232660 24 71142 2.7 Медь 340 1083 16121197 8,9 -Бериллиевая 1284 12310160 1.8 Железо 396 1539 12214250 7,8 Титан 419 1665 9.9 112 122 4.5 Цирконий 460 1852 9.6 70 92 6.5 Хром.-1875 6.2 280310 7.1 Ванадий.-1919 8.7 135 398 6.1 Ниобий.-2468 7.2 124 398 8.6 Молибден-670 2625 5.1 334 424 10.2 Лен Тантал 3000 6.5 185460 16.6 Вольфрам 880 3410

4.4 420 500 19.3 Эта закономерность была обнаружена экспериментально и имеет некоторые исключения. Среди них модуль Be необычайно высок. Это позволяет использовать сплав в качестве более жесткого материала (см. Главу 13).Металлы Ti и Zr не только недооценивают модуль упругости, но и недооценивают значение энергии активации самодиффузии.

Последнее объясняет снижение термостойкости. Он приведен в таблице. Значение 1,5 Esb определяется теплотой испарения. £г» р и(? Из-за образования неориентированных металлических связей и плотных структур металлические кристаллы более пластичны, чем ковалентно связанные кристаллы, и имеют более низкую твердость. Наличие

свободных уровней в валентной зоне обеспечивает хорошую проводимость. Температурный коэффициент электрического сопротивления металлического кристалла имеет положительное значение. То есть при нагревании электрическое сопротивление увеличивается. Ионный crystals. In в сложных кристаллах, состоящих из элементов различной валентности, возможно образование ионных форм связей. Такие кристаллы называются ионами. Если атомы находятся близко друг к другу, а валентные энергетические полосы

перекрываются между элементами, то происходит перераспределение электронов. Электроотрицательный элемент теряет свою валентность, превращаясь в положительный ион, а электроотрицательный элемент приобретает ее, тем самым расширяя свою валентную зону в стабильный состав, подобный инертному газу. Таким образом, ионы размещаются в узлах ионных кристаллов. Представителем этой группы является кристалл оксида FeO, решетка которого состоит из отрицательно заряженных ионов

кислорода и положительно заряженных ионов железа. Перераспределение валентных электронов при связывании ионов происходит между атомами 1 молекулы (1 атом железа и 1 атом кислорода). Для ковалентного кристалла координационное число K и результирующий тип решетки определяются валентностью элемента. Для ионных кристаллов координационное число определяется отношением радиуса ионов металла к радиусу неметаллических ионов. Это связано с тем, что каждый ион стремится притянуть к себе множество ионов противоположного знака. Ионы в решетке сложены в виде шариков разного диаметра. Поскольку радиус Иона нерудных больше, чем радиус металла, ионы

металла заполняют поры кристаллической решетки, образованной ионами неметаллические. В ионных кристаллах, координационное число определяется Число ионов противоположного знака, окружающих определенный Ион. Следующее значение отношения радиуса металлического км к радиусу неметаллического К11М и соответствующее координационное число получают из формы упаковки шариков разного диаметра. Л’… 8 6 4 2 / ?Г / У1 / М 1-0.73 0.73-0.41 0.41-0.22 0.22 Для ЭО указанный коэффициент равен 0,54, поэтому номер регулировки равен 6.На рисунке 1.14 показана кристаллическая решетка FeO. Ионы кислорода образуют решетку fcc, а ионы железа занимают в ней поры. Каждый ион железа окружен 6 ионами кислорода, и наоборот, каждый ион кислорода окружен 6 железом ions. In в связи с этим пара ионов, которые можно считать

молекулами, неразличима в ионных кристаллах. При испарении такие кристаллы распадаются на молекулы. Поскольку ионный радиус неметаллов растет быстрее, чем радиус ионов металлов, соотношение ионных радиусов может изменяться при heated. It изменяется тип кристаллической структуры, т. е. на полиморфизм. Например, в оксиде Fe2O3 кристаллическая решетка шпинели

изменяется на ромбоэдрическую решетку при нагревании (см. раздел 14.2). Энергия связи ионного Кристалла близка к энергии связи общего Кристалла и превышает энергию связи металлического кристалла, особенно молекулярного Crystal. In в связи с этим ионный кристалл обладает высокой температурой плавления и испарения,

высоким модулем упругости, низкой сжимаемостью и коэффициентом линейного расширения. За счет заполнения энергетической зоны за счет перераспределения электронов ионные кристаллы становятся полупроводниками или диэлектриками. Многие ионные кристаллы имеют ковалентную часть bond. By под действием электромагнитного поля друг друга йод вызывает ионную поляризацию, в результате чего образуется смешанная ионная ковалентная связь. Поляризация деформирует электронную полосу, в результате чего ионы теряют свою сферу symmetry. As изменяется доля ковалентных связей в ионных кристаллах, меняются и свойства.

Кристаллы образованы элементами различных групп A, BM1. Пропорция [, БВ|, ЛН1ВЧ, л1 ’в1’covalent увеличивает связь с’b4 в aisbiv. В последнем соединение, которое образуется в результате элементы 4-й группы, доля ковалентных связей составляет 90%, и кристаллы преимущественно ковалентной. Увеличение доли ковалентных связей приводит к увеличению электрической проводимости л’b411 Кристалл является диэлектриком, и, глаг, в Кристалл полупроводника. Рисунок 1.14. Кристаллическая решетка ФЭО: а-схема; Б-пространственное изображение 6.）

Смотрите также:

Материаловедение — решение задач с примерами

Фазовый состав сплавов	Строение и свойства материалов
Дефекты кристаллов	Элементы кристаллографии