Кратко по сути — природа связи, почему даёт такие макроскопические свойства, и конкретные примеры.
1) Ионная связь — природа взаимодействия
- Механизм: электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами. Формула для энергии притяжения (в простейшем приближении Кулона):
$$E\propto \frac{q_1{q}_2}{4\pi {\epsilon }_{0}r}.$$ - Особенности: нековалентная, недирекционная, заряды локализованы на ионах; высокая координация (часто 6 или 8).
- Следствия для макроскопических свойств:
- Твёрдость и высокая температура плавления: сильное электростатическое притяжение даёт значительную энергию решётки → требуется много энергии для разрушения (плавления).
- Хрупкость: при сдвиге пластической деформации соседние плоскости могут привести к наложению одноимённых зарядов → сильное отталкивание → хрупкое разрушение.
- Электропроводность: в твёрдом состоянии нет подвижных зарядов → непроводник; в расплаве или в растворе ионы подвижны → проводят ток.
Пример NaCl:
- Структура: кубическая решётка (NaCl, координация 6).
- Т.пл.: $\approx 801^{\circ }\mathrm{C}$ ($\approx 1074\mathrm{K}$); твёрд, но хрупок.
- Электропроводность: твёрдый NaCl — диэлектрик; плавленый/растворённый — проводит за счёт подвижных Na${}^{+}$, Cl${}^{-}$.
2) Ковалентная связь (включая сетевые ковалентные)
- Механизм: совместное использование пар электронов между атомами; связь направленная и локализованная (орбитали перекрываются).
- Особенности: сильная направленность даёт жёсткую трёхмерную сеть при сетевых ковалентных кристаллах.
- Следствия:
- Очень высокая прочность и высокая температура плавления для сетевых ковалентных веществ (много сильно связанных связей на атом).
- Хрупкость: пластическая деформация затруднена, т.к. для сдвига нужно разорвать направление связи.
- Электропроводность зависит от электронной структуры: в бесшовных сетях может быть большой запрещённый промежуток → изолятор; если есть узкая запрещённая зона — полупроводник.
Пример Si (алмазоподобная ковалентная сеть):
- Структура: алмазоподобная (координация 4).
- Т.пл.: $\approx 1414^{\circ }\mathrm{C}$ ($\approx 1687\mathrm{K}$) — высокая за счёт сильных ковалентных связей.
- Механические свойства: твёрдый, хрупкий (связи направленные).
- Электропроводность: полупроводник с запрещённой зоной $E_g(\mathrm{Si})\approx 1.12\mathrm{eV}$; зависимость проводимости от температуры:
$$\sigma \propto e^{-E_g/(2kT)},$$ поэтому при повышении $T$ проводимость растёт; возможна сильная проводимость при легировании (доноры/акцепторы).
3) Металлическая связь
- Механизм: атомные валентные электроны делокализованы по кристаллу («электронный газ»), ионы образуют положительный решётчатый каркас; связь недирекционная.
- Особенности: делокализованные электроны с лёгкой подвижностью; высокая координация (обычно 8–12).
- Следствия:
- Пластичность и ковкость: ненаправленные связи позволяют дислокациям легко скользить → металлы пластичны.
- Хорошая электропроводность в твёрдом состоянии благодаря свободным электронам; для упрощённой модели:
$$\sigma =\frac{n{e}^2\tau }{m},$$ где $n$ — плотность носителей, $\tau$ — время релаксации.
- Точки плавления варьируют (в зависимости от плотности связей и электронной плотности).
Пример Cu:
- Структура: кубическая гранецентрированная (fcc), координация 12.
- Т.пл.: $\approx 1084^{\circ }\mathrm{C}$ ($\approx 1357\mathrm{K}$).
- Механические свойства: пластичный, ковкий.
- Электропроводность: очень высокая в твёрдом состоянии (много подвижных d/s-электронов, частично заполненные зоны), поэтому отличный проводник.
Краткое сводное объяснение различий
- Источник прочности: ионные — электростатические силы между зарядами; ковалентные — локальные перекрывания орбиталей; металлические — энергия делокализованных электронов. Чем больше средняя энергия связи на каждый атом/ион, тем выше температура плавления и твёрдость.
- Подвижность зарядов: ионные — только при плавлении/растворе; ковалентные сетевые — нет свободных носителей (защищённый диапазон), поэтому изолятор/полупроводник; металлы — свободные электроны в твёрдом состоянии → хорошая проводимость.
- Механическая деформация: направленные локальные связи (ковалентные, ионные) препятствуют пластичности → хрупкость; недирекционные металлические связи позволяют скольжение → пластичность.
Эти принципы полностью объясняют наблюдаемые свойства NaCl (ионичный, твёрдый но хрупкий, не проводит в твердом, проводит в расплаве), Si (сетевая ковалентная, высокая т.пл. и твёрдость, полупроводник) и Cu (металл, пластичность и высокая проводимость).