Склеивание в твердых телах

Твердые тела можно классифицировать по характеру связей между их атомными или молекулярными компонентами. Традиционная классификация выделяет четыре вида связи: ^[1]

Ковалентная связь , которая образует сеть ковалентных твердых тел (иногда называемых просто «ковалентными твердыми телами»).
Ионная связь , образующая ионные твердые тела.
Металлическая связь , образующая металлические твердые тела.
Слабая межмолекулярная связь , образующая молекулярные твердые вещества (иногда их аномально называют «ковалентными твердыми телами»).

Типичные представители этих классов имеют характерное распределение электронов. ^[2] термодинамические, электронные и механические свойства. В частности, энергии связи этих взаимодействий широко варьируются. Связь в твердых телах может быть смешанной или промежуточной, однако не все твердые тела обладают типичными свойствами определенного класса, а некоторые можно назвать промежуточными формами . Бумага

Основные классы твердых тел

Сетевые ковалентные твердые тела

Сетевое ковалентное твердое тело состоит из атомов, удерживаемых вместе сетью ковалентных связей (пар электронов, общих для атомов с одинаковой электроотрицательностью ), и, следовательно, его можно рассматривать как одну большую молекулу. Классический пример – алмаз ; другие примеры включают кремний , ^[3] кварц и графит .

Характеристики

Высокая прочность (за исключением графита)
Высокий модуль упругости
Высокая температура плавления
хрупкий

Их прочность, жесткость и высокие температуры плавления являются следствием прочности и жесткости ковалентных связей , которые удерживают их вместе. Они также характерно хрупкие, поскольку направленный характер ковалентных связей сильно сопротивляется сдвиговым движениям, связанным с пластическим течением, и, по сути, разрушаются при возникновении сдвига. Это свойство приводит к хрупкости по причинам, изученным в области механики разрушения . Сетчатые ковалентные твердые тела по своему поведению варьируются от изолирующих до полупроводниковых, в зависимости от ширины запрещенной зоны материала.

Ионные твердые тела

Стандартное ионное твердое тело состоит из атомов, удерживаемых вместе ионными связями , то есть электростатическим притяжением противоположных зарядов (результат переноса электронов от атомов с более низкой электроотрицательностью к атомам с более высокой электроотрицательностью). К ионным твердым веществам относятся соединения, образованные щелочными и щелочноземельными металлами в сочетании с галогенами; Классический пример – поваренная соль, хлорид натрия .

Ионные твердые тела обычно имеют среднюю прочность и чрезвычайно хрупкие. Точки плавления обычно умеренно высокие, но некоторые комбинации молекулярных катионов и анионов образуют ионную жидкость с температурой замерзания ниже комнатной температуры. Давление пара во всех случаях чрезвычайно низкое; это следствие большой энергии, необходимой для перемещения голого заряда (или пары зарядов) из ионной среды в свободное пространство.

Металлические твердые тела

Металлические твердые тела удерживаются вместе за счет высокой плотности общих делокализованных электронов, что приводит к образованию металлической связи . Классическими примерами являются такие металлы, как медь и алюминий , но некоторые материалы являются металлами в электронном смысле, но имеют незначительные металлические связи в механическом или термодинамическом смысле (см. промежуточные формы ). Металлические твердые тела по определению не имеют запрещенной зоны на уровне Ферми и, следовательно, являются проводящими.

Твердые тела с чисто металлической связью характеризуются пластичностью и в чистом виде имеют низкую прочность; точки плавления могут ^{[ непоследовательный ]} быть очень низкой (например, ртуть плавится при 234 К (-39 ° C). Эти свойства являются следствием ненаправленной и неполярной природы металлических связей, которая позволяет атомам (и плоскостям атомов в кристаллической решетке) перемещаются друг мимо друга, не нарушая своих связующих взаимодействий. Металлы можно укрепить путем введения кристаллических дефектов (например, путем легирования ), которые мешают движению дислокаций , которые опосредуют пластическую деформацию. Кроме того, некоторые переходные металлы помимо металлической связи демонстрируют направленную связь. это увеличивает прочность на сдвиг и снижает пластичность, придавая некоторые характеристики ковалентного твердого тела ( промежуточный случай ниже);

Твердые вещества промежуточных видов

Четыре класса твердых тел допускают шесть попарных промежуточных форм:

Ионный к ковалентной сети

Ковалентная и ионная связь образуют континуум, причем ионный характер увеличивается с увеличением разницы в электроотрицательности участвующих атомов. Ковалентная связь соответствует разделению пары электронов между двумя атомами практически одинаковой электроотрицательности (например, связи C–C и C–H в алифатических углеводородах). По мере того как связи становятся более полярными, они приобретают все более ионный характер. Оксиды металлов различаются по ионно-ковалентному спектру. ^[4] Например, связи Si –O в кварце полярны, но в значительной степени ковалентны и считаются смешанными. ^[5]

Ковалент металлической сети

То, что во многих отношениях является чисто ковалентной структурой, может поддерживать металлическую делокализацию электронов; металлические углеродные нанотрубки являются одним из примеров. Переходные металлы и интерметаллические соединения на основе переходных металлов могут иметь смешанную металлическую и ковалентную связь. ^[6] что приводит к высокой прочности на сдвиг, низкой пластичности и повышенным температурам плавления; Классический пример – вольфрам .

Молекулярно-сетевая ковалентность

Материалы могут занимать промежуточное положение между молекулярными и сетчатыми ковалентными твердыми телами либо из-за промежуточной организации их ковалентных связей, либо потому, что сами связи имеют промежуточный тип.

Промежуточная организация ковалентных связей:

Относительно организации ковалентных связей напомним, что классические молекулярные твердые тела, как говорилось выше, состоят из небольших неполярных ковалентных молекул. Приведенный пример, парафин , является членом семейства углеводородных молекул с разной длиной цепи, с полиэтиленом высокой плотности на длинноцепном конце ряда. Полиэтилен высокой плотности может быть прочным материалом: когда углеводородные цепи хорошо выровнены, полученные волокна соперничают по прочности со сталью. Ковалентные связи в этом материале образуют протяженные структуры, но не образуют сплошной сети. Однако при сшивании полимерные сети могут стать непрерывными, и ряд материалов охватывает диапазон от сшитого полиэтилена до жестких термореактивных смол, богатых водородом аморфных твердых веществ, стекловидного углерода, алмазоподобного углерода и, в конечном итоге, самому алмазу. Как показывает этот пример, не может быть резкой границы между молекулярными и сетчатыми ковалентными твердыми телами.

Промежуточные виды связи:

Твердое тело с обширными водородными связями будет считаться молекулярным твердым телом, однако сильные водородные связи могут иметь значительную степень ковалентного характера. Как отмечалось выше, ковалентные и ионные связи образуют континуум между общими и перенесенными электронами; ковалентные и слабые связи образуют континуум между общими и неподеленными электронами. Кроме того, молекулы могут быть полярными или иметь полярные группы, а образующиеся области положительного и отрицательного заряда могут взаимодействовать, образуя электростатическую связь, напоминающую связь в ионных твердых телах.

Молекулярный в ионный

Большая молекула с ионизированной группой технически является ионом, но ее поведение может быть во многом результатом неионных взаимодействий. Например, стеарат натрия (основной компонент традиционного мыла) полностью состоит из ионов, однако это мягкий материал, совершенно не похожий на типичное ионное твердое вещество. Существует континуум между ионными твердыми веществами и молекулярными твердыми веществами с небольшим ионным характером в их связи.

Металлический к молекулярному

Металлические твердые тела связаны высокой плотностью общих делокализованных электронов. Хотя слабосвязанные молекулярные компоненты несовместимы с сильными металлическими связями, низкие плотности общих делокализованных электронов могут придавать различную степень металлической связи и проводимости, накладывающуюся на дискретные, ковалентно связанные молекулярные единицы, особенно в системах уменьшенных размеров. Примеры включают комплексы переноса заряда .

От металлического до ионного

Заряженные компоненты, составляющие ионные твердые тела, не могут существовать в море делокализованных электронов высокой плотности, характерном для сильной металлической связи. Однако некоторые молекулярные соли обладают как ионной связью между молекулами, так и значительной одномерной проводимостью , что указывает на степень металлической связи между структурными компонентами вдоль оси проводимости. Примеры включают соли тетратиафульвалена .

См. также

Ссылки

^ Максич, Звонимир (1990). «Понятие химической связи в твердых телах». Теоретические модели химической связи . Нью-Йорк: Springer-Verlag. стр. 417–452. ISBN 0-387-51553-4 .
^ Мори-Санчес, Паула; А. Мартин Пендас; Виктор Луанья (2002). «Классификация ковалентных, ионных и металлических твердых тел на основе электронной плотности». Журнал Американского химического общества . 124 (49). Американское химическое общество : 14721–14723. дои : 10.1021/ja027708t . ПМИД 12465984 .
^ Свойства элементов периода 3 . ютуб
^ Лангле, М. (2004). «Ионно-ковалентный характер связей металл-кислород в оксидах: сравнение экспериментальных и теоретических данных» . Активные и пассивные электронные компоненты . 27 : 1–60. дои : 10.1080/0882751031000116142 .
^ Белащенко, ДК; Островский, О.И. (2001). «Молекулярно-динамическое моделирование оксидов с ионно-ковалентными связями». Термохимика Акта . 372 (1–2): 143–152. дои : 10.1016/S0040-6031(01)00452-X .
^ Нгуенман, Д; Витек, В; Хорсфилд, А (2007). «Экологическая зависимость склеивания: проблема моделирования интерметаллидов и термоплавких материалов». Прогресс в материаловедении . 52 (2–3): 255. doi : 10.1016/j.pmatsci.2006.10.010 .

Внешние ссылки

Склеивание в твердых телах. Архивировано 13 апреля 2021 г. на Wayback Machine. Проверено 10 декабря 2009 г.
Материаловедение , дата обращения 10 декабря 2009 г.

[1] Максич, Звонимир (1990). «Понятие химической связи в твердых телах». Теоретические модели химической связи . Нью-Йорк: Springer-Verlag. стр. 417–452. ISBN 0-387-51553-4 .

[2] Мори-Санчес, Паула; А. Мартин Пендас; Виктор Луанья (2002). «Классификация ковалентных, ионных и металлических твердых тел на основе электронной плотности». Журнал Американского химического общества . 124 (49). Американское химическое общество : 14721–14723. дои : 10.1021/ja027708t . ПМИД 12465984 .

[3] Свойства элементов периода 3 . ютуб

[4] Лангле, М. (2004). «Ионно-ковалентный характер связей металл-кислород в оксидах: сравнение экспериментальных и теоретических данных» . Активные и пассивные электронные компоненты . 27 : 1–60. дои : 10.1080/0882751031000116142 .

[5] Белащенко, ДК; Островский, О.И. (2001). «Молекулярно-динамическое моделирование оксидов с ионно-ковалентными связями». Термохимика Акта . 372 (1–2): 143–152. дои : 10.1016/S0040-6031(01)00452-X .

[6] Нгуенман, Д; Витек, В; Хорсфилд, А (2007). «Экологическая зависимость склеивания: проблема моделирования интерметаллидов и термоплавких материалов». Прогресс в материаловедении . 52 (2–3): 255. doi : 10.1016/j.pmatsci.2006.10.010 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]