Физические механизмы образования кристаллов Все механизмы связи между атомами,

образованию молекул и кристаллов, обусловлены силами электрического притяжения и отталкивания,

т.е. имеют электрическую природу. Электромагнитное взаимодействие между атомами заставляет атомы объединяться и формировать разные типы кристаллической решетки. Разные, но близкие по характеристикам атомы, формируют кристаллические решетки, в которых атомы расположены идентично. Знание этих общих закономерностей построения кристаллов позволяет часто предсказывать новые структуры и материалы или улучшать физические свойства уже существующих материалов.

В настоящее время по характеру связи атомов выделяют 5 типов кристаллов: 1) ионные кристаллы 2) ковалентные кристаллы, 3) металлические кристаллы, 4) молекулярные кристаллы с водородными связями, 5) Ван-дер-Ваальсовы кристаллы. Существуют кристаллы, которые можно считать переходными между этими типами, встречаются кристаллы в которых часть связей ковалентная, а часть - водородная.

атома к электрону. Первый потенциал ионизации J соответствует энергии, необходимой

для отрыва электрона от нейтрального невозбужденного атома. Минимальные значения потенциала ионизации имеют атомы щелочных металлов (Li, Na,K,Rb,Cs).
Энергию Э, освобождающуюся при присоединении электрона к нейтральному невозбужденному атому с образованием аниона, называют сродством атома к электрону. Наибольшим сродством к электрону обладают атомы галогенов (F, Cl, Br, I).
При взаимодействии атомов одного вида с атомами другого вида характер химической связи определяется их способностью захватывать или отдавать валентные электроны - электроотрицательностью атомов Х.

Все элементы периодической таблицы можно расположить в ряд по значению электроотрицательности. Каждый ряд начинается с наиболее электроположительных элементов, склонных к образованию положительных ионов (щелочные металлы). На противоположном конце располагаются наиболее электроотрицательные элементы (галогены). В левой части каждого ряда располагаются металлы, а в правой – элементы с неметаллическими свойствами.

себя как свободные. Энергия такой системы равна сумме энергий этих

атомов, которую можно принять за нуль. Атомы не взаимодействуют между собой пока расстояние между ними не будет сравнимо с ra+rb, где ra и rb – радиусы атомов. При уменьшении расстояния между атомами энергия системы понижается и возникает сила притяжения (уменьшение потенциальной энергии взаимодействия). При некотором расстоянии r=r0 энергия взаимодействия достигает минимального значения, при дальнейшем сближении атомов между ними начинают действовать силы отталкивания, быстро возрастающие с уменьшением расстояния между атомами. При r=r0 силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания, при этом образуется молекула со стабильной конфигурацией. Глубина минимума потенциальной энергии взаимодействия равна энергии связи атомов в молекуле.

начале координат, а вторая расположена в бесконечности и из бесконечности

приближается к первой частице.
Сила притяжения обычно описывается следующей формулой:

 

где b и m - постоянные целые числа и зависят от природы решетки.
По мере сближения частиц при малых r резко возрастает сила отталкивания.
Обычно полагают





где a и n целые постоянные числа, зависящие от типа решетки.
 

превышали силу притяжения, необходимо чтобы n>m (для некоторых кристаллов полагают

n=12, m=6).

Тогда суммарную силу взаимодействия можно представить в виде:


 
Зная, что




можно показать, что суммарная потенциальная энергия взаимодействия системы 2-х частиц U определяется формулой:
 

 

где

 

был больше показателя степени потенциала притяжения, т. е. чтобы выполнялось

условие   . Из условия минимума энергии   


найдем равновесное состояние между атомами   :









следует, что энергетическое сцепление в основном определяется потенциалом сил притяжения.


Таким образом, величина энергии связи определяется:
·         притяжением атомов, обусловленным взаимодействием валентных электронов;
·         кулоновским отталкиванием внутренних оболочек и ядер.

двух постоянных диполей. Постоянный диполь создает электрическое поле:
Для возникновения водородной

связи нужно, чтобы в молекуле был один или несколько атомов водорода, связанных с электроотрицательными атомами (O, N, F). Водородные связи характерны для таких веществ как H2O, NH3, HF. Они менее прочные, чем ковалентные в 20 раз.

Энергия и сила взаимодействия диполей:

отличие от последней – это взаимодействие неполярных молекул, в которых

дипольный момент не постоянный, а флуктуирующий. Под действием ван-дер-ваальсовых сил образуются так называемые молекулярные кристаллы, к числу которых относят почти все кристаллы органических веществ. Эти связи гораздо слабее всех рассмотренных выше и поэтому заметно проявляют себя при отсутствии условий для возникновения ионной, ковалентной металлической или водородной связи.
У атома имеется флуктуирующий дипольный момент, определяемый положением электронов на орбитах, он создает поле:

которое поляризует соседний атом, в результате у него наводится дипольный момент

- диэлектрическая восприимчивость

Энергия взаимодействия диполей и сила:

один атом. В ионных и ковалентных твердых телах энергия связи

больше в 100 раз, т.е. ~10эВ на атом. В металлах энергия связи находится в пределах от 1 до 5 эВ на атом. Молекулярные кристаллы имеют низкую температуру плавления и возгонки. По электрическим свойствам они являются идеальными изоляторами, с высоким удельным сопротивлением и оптическими свойствами, характеризующимися низким показателем преломления и низкой диэлектрической проницаемостью.

Ковалентная связь образуется за счет перекрытия электронных облаков, в результате между атомами образуется сгусток отрицательного заряда, который стягивает два атома. Атом в зависимости от его валентности может иметь несколько таких связей, расположенных под определенными углами друг к другу. Атомы в ковалентном кристалле соединяются за счет ковалентных связей, причем углы между связями и их "длины" могут слегка отличаться для кристаллов с разной структурой. Типичным ковалентным кристаллом можно считать алмаз. В его решетке каждый атом окружен четырьмя соседями, расположенными симметрично по углам тетраэдра относительно него. Именно так часто располагаются ковалентные связи атома углерода. Кристаллы с ковалентной связью обладают высокой твердостью и малой электропроводностью при низких температурах.

часть таблицы) на последней оболочке заполнено электронами лишь небольшое количество

мест. Волновые функции тех электронов, которые находятся на этой оболочке (2s), гораздо сильнее “размазаны” в пространстве, чем волновые функции электронов предпоследней занятой оболочки (1s). Таким образом, 2s электроны в среднем находятся от ядра примерно в 5 раз дальше, чем 1s электроны. При сильном сближении атомов (до соприкосновения 1s оболочек) среднее расстояние 2s электронов до “чужих” ядер становится меньшим, чем до “своего” ядра. Сближение электронов как с “чужими” ядрами, так и со “своими”, уменьшает потенциальную энергию системы, что означает возникновение сил притяжения между атомами. При таком сближении атомов потенциальные ямы поверху сливаются. Если в области слияния имеются электронные уровни, то соответствующие электроны “обобществляются” и принадлежат всему кристаллу. Так возникает металлическая связь.

присутствовали слабо связанные электроны. Выигрыш в энергии, получаемый при образовании

металлической связи, оказывается тем заметнее, чем большее число соседей имеет атом. Предел сближению атомов кладет отталкивание заполненных оболочек, связанное с принципом Паули.