ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ В КОНДЕНСИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ В КОНДЕНСИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ

Мощь тяготенья держит миры, Атомов сродство жизнь создает, Света господство к знанью ведет.

Ковалентные кристаллы

Структурными единицами в таких кристаллах являются атомы(поэтому они атомные), объединенные ковалентной связью (поэтому – ковалентные). И хотя в… Так, алмаз представляет собой гигантскую молекулу, которую можно увидеть… В кварце нет молекул SiО2 с двойными связями, подобных молекулам СО2, которые должны были бы быть линейными (СЧSi =…

Ионная связь и ионные кристаллы

Происхождение ионной связи не требует особых комментариев. В предельном случае полярной связи можно считать, что менее электроотрицательный атом… Но всё же, если говорить о молекулах, то реально можно считать такими только… В отличие от ковалентной связи, ионная – ненаправленная и ненасыщенная, так как электростатическое взаимодействие…

Межмолекулярные взаимодействия

И молекулярные кристаллы

Диполь-дипольные взаимодействия

Прежде всего это диполь-дипольное взаимодействие (иначе – вандерваальсовое, в честь впервые рассмотревшего его голландского учёного… И любой заряд, и диполь создают вокруг себя электрическое поле. Поэтому… Именно диполь-дипольное взаимодействие удерживает вместе молекулы углеводородов в жидком бензине или в нефти, или в…

Молекулярные кристаллы

Кристаллы с такими связями называют молекулярными (ван-дер-ваальсовыми). На рис. 31 показана кристаллическая решетка иода, I2. Показано, что и в… Поэтому молекулярные кристаллы непрочны термически и механически, температуры… Межмолекулярная связь может иметь пространственную направленность, но не такую, как ковалентная связь, а связанную с…

Водородная связь

Таблица 11 Свойства соединений Н2Х Соединение H2O H2S … Существенно более высокие температуры плавления и кипения по сравнению с таковыми для аналогов свидетельствуют о…

Зонная теория, металлическая связь и металлы

Для многих металлов характерно небольшое значение энергии ионизации (3,9 эВ для Cs[**]), т. е. отрыва электрона от атома, что указывает на слабую связь валентных электронов с ядром. Природа этой связи такая же, как и ковалентной, но в образовании металлической связи принципиально важно коллективное взаимодействие валентных электронов, рассматриваемое в зонной теории твёрдых тел.

Представление о зонной теории

В результате каждый из исходных энергетических уровней расщепляется в достаточно широкую (~1 эВ) полосу (зону), которые разделены зонами запрещённых… Заполнение уровней электронами происходит согласно уже описанным принципам –… В итоге возможны два принципиально отличающихся по возможности проводить электрический ток (и многим другим важным…

Классификация веществ по электронной проводимости

Класс	Металлы (проводники)	Неметаллы (диэлектрики)
ЗЗ	Нет ЗЗ	Есть ЗЗ, DЕ ¹ 0
Диэлектрики	Полупроводники
Ширина ЗЗ DЕ, эВ		> 2-3 эВ	< 2-3 эВ (обычно даже < 1эВ)
собственные	примесные
n-типа	р-типа
Носители заряда	Электроны проводимости	Нет заметной проводимости	Электроны проводимости и дырки	Электроны проводимости	Дырки
Источник носителей	Собственные валентные е		Собственные валентные е	Донорные е примеси	Дырки (из-за ионизации примеси)
Количество носителей	~N0	Практически нет	Очень мало (<10-10 N0)	Мало (~NП << N0)
Влияние температуры на проводимость	Слабо уменьшается с ростом Т		Резко растёт с ростом Т	Сложно растёт с ростом Т

Примечание. ЗЗ – запрещённая зона; N₀ – общее количество валентных электронов; N_П – количество атомов донорной или акцепторной примеси.

Ковалентные кристаллы – непроводники (неметаллы). Ширина запрещённой зоны для простых ковалентных кристаллов тем меньше, чем меньше потенциал ионизации, поэтому для элементов группы IVА изоструктурные алмаз – типичный диэлектрик, Si, Ge, Sn – полупроводники со всё меньшей шириной ЗЗ, устойчивой полиморфной модификацией олова является металлическая, Рb – металл. Ионные кристаллы, естественно, неметаллы, ширина ЗЗ коррелирует с разностью электроотрицательностей атомов, составляющих соединение. Поэтому соединения А_IB_VII, где А_I и B_VII – атомы соединений I и VII групп ПС соответственно (NaCl, LiF и др.) являются типичными диэлектриками, как и относящиеся к типу А_IIB_VI оксиды щелочноземельных металлов. Зато многие сульфиды, селениды, теллуриды (ZnS, CdTe и т. п.) – полупроводники. К типичным полупроводникам относятся соединения типа А_IIIB_V (GaAs, InSb и др.), для которых разность ЭО элементов невелика, связь в которых не ионная, а полярная ковалентная.

В молекулярных кристаллах валентные электроны обычно локализованы, и они являются диэлектриками. Но существуют соединения, обладающие специфической структурой (полимерными цепочками сопряжённых связей), по которым могут перемещаться электроны – органические металлы (или полупроводники).

Металлы

Наличие в металлах свободно перемещающихся электронов приводит к особенностям, отличающим металлы от неметаллов: высокие электропроводность и… Металлическая связь ненаправленная, ненасыщенная, кристаллические структуры… Электропроводность металлов велика (в ней участвуют все валентные электроны) и максимальна при Т = 0 К (когда реже…

Сравнение разных типов связи

Как уже упоминалось несколько раз в разд. 3, использованный здесь (как и в огромном числе учебников) метод валентных схем – самое наглядное для… Можно и валентные электроны в алмазе или кварце рассматривать находящимися на… Напротив, в кристаллах неметаллов (диэлектриков и полупроводников) степень делокализации низка. Свойства ковалентных…

Различные типы взаимодействий в конденсированном состоянии

Межмолекулярная связь I2–I2 сильнее, чем F2–F2 из-за увеличения радиуса атомов и поляризуемости. Поэтому температуры плавления и кипения в подгруппе… Итак, любые связи между частицами – атомами, ионами, молекулами – следствие… Именно тип взаимодействия между частицами (структурными составляющими вещества в кристалле) полностью определяет…

Свойства кристаллов с различным типом связи

Например, в структуре FeS2 (пирит) имеются близко расположенные друг к другу пары атомов серы, что позволяет отнести пирит к ионным кристаллам… В СаСО3 (кальцит, арагонит) имеется ионная связь между Са2+ и многоатомным… В сульфате меди (II) CuSO4 атомы S и О связаны ковалентной полярной связью внутри аниона SO42 -; анионы и катионы Cu2+…

Свойства агрегатных состояний

Агрегатные (фазовые) состояния вещества

И химическая связь

Различия в агрегатном состоянии (твёрдое, жидкое, газообразное[***]) иногда приводят к отличиям не только в физических, но и химических свойств вещества. Но сначала уточним отличия в физических свойствах.

Газ

Газообразное состояние вещества описывают моделями идеального и неидеального газа. Идеальный газ – совокупность бесконечно малых, невзаимодействующих частиц(молекул) определённой массы. При отличной от 0 К температуре они имеют среднюю кинетическую энергию mv²/2 = 3kT/2, где m – масса молекулы; v – скорость; k = 1,38·10^-23 Дж/К·моль – постоянная Больцмана. Легко оценить среднюю скорость молекул в газе; для О₂ при 300 К это ~ 480 м/с, при этом часть молекул имеет большие, часть – меньшие скорости, все хаотически двигаются, сталкиваясь со стенками удерживающего газ сосуда. Важно понимать, что это тепловое поступательное движение частиц в газе не требует подвода энергии извне, присуще частицам и продолжается всегда. Поэтому газ заполняет весь сосуд полностью, он не сохраняет ни форму, ни объём. Газ нет необходимости перемешивать – он перемешивается самопроизвольно, причём с высокими (для реальных значений Т) скоростями. Так, стоит убрать перегородку, разделяющую два различных газа, и они через некоторое время полностью перемешаются.

Из этой модели следует подтверждённое экспериментами уравнение Менделеева–Клапейрона, описывающее состояние идеального газа:

pV = nRT, (7)

где p – давление; V – объём; n – количество газа (в молях); R = 8,31 Дж/К·моль = 0,082 л·атм/К·моль – универсальная газовая постоянная; R = N_A·k, N_A – число Авогадро; k – постоянная Больцмана. Отсюда легко вычислить полезную величину – объём 1 моля идеального газа при н. у. – 22,4 л/моль.

Газы легко сжимаются: как видно из уравнения (7), изотермическое увеличение давления в 2 раза приводит к уменьшению объёма газа также в 2 раза.

Модель идеального газа хорошо описывает свойства реальных газов при не слишком высоких давлениях и не слишком низких температурах, когда действительно можно полностью пренебречь взаимодействием молекул: количество молекул газа в 1 см³ при н. у. ~ 3·10¹⁹, среднее расстояние между частицами ~10^-6 см = 100 Å значительно (примерно на два порядка) превышает размер самих молекул, плотность составляет ~ 0,001 г/см³.

При больши́х давлениях уже нельзя пренебрегать столкновениями между молекулами в газе, а при низких температурах – их взаимным притяжением за счёт вандерваальсовых сил. Такие газы называют неидеальными, существуют их различные модели. В целом свойства неидеальных газов не очень существенно отличаются от идеального – в уравнение (7) вносятся незначительные поправки.

Жидкость

Причины конденсации – ковалентные и нековалентные взаимодействия, рассмотренные в пп. 4.1–4.5. Энергия этих взаимодействий в конденсированном… Жидкости сохраняют объём, но не форму – они, как и газ, принимают форму… В обычных, классических жидкостях взаимное расположение частиц частично упорядоченное: если описывать вокруг…

Химические изменения

При изменении агрегатного состояния

Для веществ, имеющих в конденсированном состоянии связи иного типа, чем вандерваальсовые, ситуация сложнее. Некоторые типичные примеры приведены на… Ионный NaCl (б) сохраняет характер связи при переходе в расплав, но в газе… О принципиальном отсутствии металлической связи в газообразном состоянии, содержащем отдельные атомы (на рис. 40, в –…