химический каталог




Физическая химия

Автор Б.П.Никольский, Н.А.Смирнова, М.Ю.Панов, Н.В.Лутугина и др.

исталлы обладают высокой энергией связи, прочностью, высокой температурой плавления.

Для кристаллов с ковалентной связью характерно значительное перекрывание электронных оболочек атомов. В алмазе, например, четыре внешние электрона атома углерода обобществлены четырьмя соседними атомами. Образуется простирающаяся по всему объему кристалла тетраэдрическая сетка связей С—С, прочность которых того же порядка, что и связь между атомами углерода в органических молекулах (и та же длина связи 1,54* Ю-8 см). Кристалл является прочным, плавится при высоких температурах. Ковалентные кристаллы образованы элементами, промежуточными между металлами и неметаллами.

При образовании молекулярного кристалла, в котором взаимодействия сводятся к вандерваальсовым, перераспределения электронов между молекулами не происходит. Так как вандер-ваальсовы взаимодействия много слабее кулоновских и кова-лентных, молекулярные кристаллы имеют заметно более низкие энергии связи и температуры плавления. Для них характерна плотнейшая упаковка частиц. Наиболее распространены молекулярные кристаллы, образованные органическими веществами (например, углеводородами). Примером неорганических молекулярных кристаллов является затвердевшие благородные газы.

Особенности систем с водородными связями были отмечены при общем рассмотрении межмолекулярных взаимодействий (см. разд. II. 6). Типичный пример кристалла такого типа — лед, тетраэдрическая структура которого определена способностью молекулы воды вступать в четыре водородные связи с соседними молекулами. Водородные связи, как и ковалент-ные, вследствие своего направленного характера могут приводить к образованию ажурных структур, тогда как для кристаллов других типов характерна более плотная (часто, как в случае кристаллов с вандерваальсовыми взаимодействиями, плотиейшая) упаковка.

Общая черта рассмотренных четырех типов связи — локализация валентных электронов, их принадлежность определенным атомам (одному или группе). Это позволяет объединить вещества с такими связями в общее понятие неметаллов. Иной характер обнаруживает металлическая связь, которая осуществляется нелокализоваииыми электронами. Металл можно представить как совокупность положительных ионов в узлах решетки и обобществленных валентных электронов, свободно движущихся по всему объему кристалла [электронный газ).

Наличие свободных электронов обуславливает хорошую электро- и теплопроводность металлов, их непрозрачность, блеск, ковкость. Металлические свойства проявляют элементы, легко отдающие электроны — в частности, элементы первых двух групп периодической системы. С увеличением числа валентных электронов межатомные взаимодействия приобретают ковалентный характер. Кристаллическая структура металлов часто является плотноупакованной, с координационным числом 12 (граиецентрироваииая кубическая решетка для Си, Ag, Pb, гексагональная — для Zn и Mg). Некоторые металлы (щелочноземельные, вольфрам) кристаллизуются в объемноцентри-рованиой кубической структуре.

IV. 4.3. Металлы, изоляторы и полупроводники

Специфические свойства металлов: высокие электро- и теплопроводность вплоть до абсолютного нуля, универсальная связь между двумя указанными характеристиками и др. — определены наличием в металле свободных иелокализованных электронов, электронного газа. В первом приближении этот газ можно считать идеальным. Особенность электронного газа состоит в том, что он не подчиняется классической статистике Больцмана и должен быть описай квантовой статистикой, относящейся к частицам с полуцелым спином, фермионам.

Для таких частиц справедлив принцип запрета Паули, согласно которому:

в даииом квантовом состоянии (одночастичном) ие может находиться более одной частицы,

Электронный газ при Т = О К полностью вырожден: все состояния с энергией уровень Ферми) заняты, все состояния с большей

Рис. IV. 9. Распределение Ферми —. Дирака при Г-=_0 и вблизи абсолютного нуля (Л^ — среднее число частиц в /-м квантовом состоянии).

энергией — пусты (рис. IV. 9). При повышении температуры электроны, находящиеся вблизи уровня Ферми, переходят в возбужденные состояния, однако доля таких электронов с ростом температуры возрастает очень медленно, очень медленно изменяется с температурой средняя энергия электронного газа, что обусловливает чрезвычайно малую его теплоемкость. Квантовая статистика объяснила тот экспериментальный факт, что электронный газ при средних и даже высоких температурах дает пренебрежимо малый вклад в теплоемкость металла, тогда как согласно классическому закону равнораспределения этот вклад должен был бы составить 3/2R на 1 моль газа.

Теоретическое обоснование гипотезы электронного газа в металле дала квантовая теория твердого- тела (зонная теория). Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при сближении атомов вследствие взаимодействия между ними электронные энергетические уровни смещаются (проявляется принцип Паули), причем это смещение в наибольшей степени затрагивает внешние, валентные электроны. В результате из одинаковых уровней далеко отстоящих атомов образуется энергетическая зона близко расположенных уровней (рис. IV. 10).

Энергетический спектр электронов в твердом теле представляет совокупность разрешенных зон, между которыми находятся запрещенные зоны. Если верхняя разрешенная зона занята лишь частично, то электроны имеют возможность свободно двигаться по кристаллу и совокупность их подобна электронному газу. У щелочных металлов, например, внешняя s-зона заполнена наполовину (рис. IV. 10, а). У щелочноземельных элементов число состояний во внешней s-зоне совпадает с числом валентных электронов (по два от каждого атома), так что эта зона должна была бы заполниться целиком. Однако в кристалле наружные s- и р-зоны перекрываются; объединенная s—р-зона занята лишь частично (рис. IV. 10, о") и кристалл является металлом.

У неметаллов внешняя (валентная) зона занята полностью и отделена от соседней разрешенной зоной разрыва (рис. IV. 10,в). В этом случае электроны полностью локализованы, свободных электронов нет, электронная проводимость отсутствует. Проводимость может возникнуть при повышении гем

лературы, если часть электронов вследствие теплового возбуждения из валентной зоны перейдет в более высокую зону (зону проводимости). Вероятность такого перехода зависит от температуры и ширины запрещенной зоны.

Последняя определяет различие между изоляторами и полупроводниками: у первых ширина запрещенной зоны очень значительна, у вторых сравнительно невелика (для Ge, например, 0,7 эВ, для Si 1,0 эВ). Поэтому в изоляторах электроны полностью остаются в валентной зоне даже при высоких температурах, т. е. распределение, представленное на рис. IV. 10, в, сохраняется.

В полупроводниках переход происходит в ощутимой степени уже при средних температурах. В валентной зоне появляются незанятые состояния (дырки), в зоне проводимости — свободные электроны (рис. IV. 11). И те, и другие могут двигаться в своей зоне и быть переносчиками электричества; при этом движени

страница 53
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261

Скачать книгу "Физическая химия" (6.95Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
светильники шафнер
часы fortuna
ферромагнитная посуда
где можно выучиться на парикмахера в ульяновске

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(02.12.2016)