🗊Презентация Химическая связь в кристаллах

Химическая связь в кристаллах к.х.н., доц. Губанов Александр Иридиевич

Что читать?

Фазовая диаграмма воды

Конденсированное состояние Жидкости и твёрдые вещества имеют близкие плотности, существенно превосходящие плотности газов, поэтому их объединяют термином конденсированное состояние.

Таблица связей Взаимодействия, образующие конденсированные тела, (иначе – силы) подразделяют на пять типов:

Кристаллы и аморфные тела Кристалл – наличие дальнего порядка Аморфное тело / жидкость – нет дальнего порядка.

Ковалентные кристаллы Если макромолекулы состоят из повторяющихся одинаковых или однотипных фрагментов (мономеров), их называют полимерами (полиэтилен, (–СН2–)n). Это не ковалентный кристалл. Правильное чередование атомов или молекулярных фрагментов в двух или трех направлениях приводит к образованию ковалентных (другое название – атомных) кристаллов. Ковалентный кристалл – жесткий!

Кристалл = молекула Кварц – трёхмерная полимерная макромолекула (–OSiO–)n В кварце нет молекул SiО2 с двойными связями, подобных молекулам СО2 Ковалентные кристаллы, как и все молекулярные соединения, – стехиометрические. (четкое соотношение составляющих элементов) Одно и тоже соединение может в твёрдом состоянии иметь различные структуры – полиморфные модификации

Свойства ковалентных кристаллов Природа связи определяет свойства ковалентных кристаллов – физические и химические. Большая энергия ковалентной связи обуславливает прочность кристаллов, как к термическим, так и к механическим воздействиям. Высокие температуры плавления ( > 1000º С,), и большая твердость (10 у алмаза по Моосу). Направленность ковалентной связи затрудняет механическую деформацию. Кристаллы обладают низкой пластичностью и высокой хрупкостью.

Ионные кристаллы Притяжение ионов как разноименно заряженных тел.

Ионные кристаллы При объединении разноименных ионов образуются ионные кристаллы. Типичные примеры – галогениды щелочных металлов, например NaCl и NaF. Структурные единицы здесь – ионы, объеди­няемые ионной (кулоновской) связью.

Поляризация Взаимодействие ионов всегда сопровождается взаим­ной поляризацией – смещением положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронных облаков в электриче­ском поле соседних ионов. Поляризующее действие иона тем больше, чем больше его заряд и меньше размер. Величина электронной поляризации (смещения электронного облака), наоборот, возрастает с увеличением размера частицы и удалением электронов от ядра.

Свойства ионных кристаллов Характеристикой для ионных кристаллов служит хорошая растворимость в полярных растворителях (вода, кислоты и т. д.). Это происходит из-за заряженности составляющих частей (ионов). При этом диполи растворителя притягиваются к заряженным концам молекулы, и, в результате Броуновского движения, «растаскивают» молекулу вещества на части и окружают их, не давая соединиться вновь. В итоге получаются ионы окружённые диполями растворителя. При растворении подобных соединений, как правило, выделяется энергия.

Свойства ионных кристаллов Энергия ионной связи сопоставима с ковалентной. Кристаллы прочные – высокие температуры плавления ( ~ 1000º С), и большая твердость (10 у алмаза по Моосу). Не направленность связи обеспечивает достаточно высокую пластич­ность ионных кристаллов (особенно при повышенных температурах и давлениях; хорошо известно, что подземные соляные пласты мо­гут течь, как реки, конечно, с меньшими скоростями). Проводят электричество (плохо – реально может перемещаться только незначительная часть ионов, не более ~10–6–10–10 ). Ионная проводимость существенно возрастает с увеличением температуры .

Молекулярные кристаллы Существуют вещества, молекулы которых сохраняются при переходе в конденсированное состояние. Такие кристаллы называют молекулярными.

Силы, создающие молекулярные кристаллы диполь-дипольное взаимодействие (иначе – вандерваальсовое, в честь впервые рассмотревшего его голландского учёного Ван-дер-Ваальса).

Вандерваальсовы взаимодействия молекул

Вклад отдельных составляющих в энергию молекулярного взаимодействия

Молекулярные кристаллы

Молекулярные кристаллы При переходе в кристаллическое состояние характеристики ковалентных связей (длины, энергии, валентные уг­лы) не меняются. Энергия межмолекулярного диполь-дипольного взаимодействия на 2–3 порядка меньше кова­лентного, соединяющего атомы внутри молекул. Вандерваальсовая связь слабая! Молекулярные кристаллы непрочны термически и механически, темпера­туры их плавления и кипения лежат в диапа­зоне ~ от 10 до 500 К. При бóльших температурах энергия тепловых движений частиц превышает энергию слабых межмолекуляр­ных связей, кристаллы плавятся и испаряют­ся, многие такие соединения представляют собой при н. у. газы (H2, Ar, CH4, С2Н4, CO2, Cl2), или жидкости (С5Н12, Br2, PCl3, CHCl3).

Водородная связь Химическая связь, образованная положитель­но поляризованным водородом молекулы А—Н (или полярной груп­пы— А-Н) и электроотрицательным атомом В другой или той же молекулы, называется водородной связью.

Водородная связь

Металлическая связь

Металлическая связь

Металлическая связь

Классификация веществ по электронной проводимости

Металлы Природа металлического взаимодействия, как и всех других хи­мических связей,– электромагнитная. Резкой границы между метал­лической и ковалентной связью нет. Большинство простых веществ (более 80 из примерно 100) – ме­таллы, в ПС они находятся слева от диагонали B – Si – As – Te – At (для длинной формы, исключая Gе). Общеупотребительное разделе­ние на «металлы» и «неметаллы» условно. Энергия металлических связей сопоставима с кова­лентными и ионными. Температура кипения самого «не­прочного» металла, Cs, равна 668 °С В большинстве реальных металлов, особенно для d-и f- элементов, природа связи промежуточная между металлической и ковалентной. (температура плавления W равна 3420 °С, кипения ~5700 °С) Металлы пластичные, так как связь не направленная.

Итоговая таблица