Молекулярная физика. Том 2 - Матвеев А.Н.
Скачать (прямая ссылка):
случае действуют очень слабые силы, называемые ван-дер-ваальсовыми. Их
происхождение и особенности будут рассмотрены в этом же параграфе
несколько позднее. Сейчас достаточно отметить лишь слабость этих сил,
чтобы показать относительную непрочность молекулярных кристаллов.
У металлов, или металлических кристаллов, ковалентная связь усиливается и
приводит к тому, что плотность электронов между остовами ионов достигает
заметных значений, а электроны, осуществляющие связь между ионами,
практически потеряли всякую связь с ионами, от которых они произошли, и
могут рассматриваться как общие электроны всего кристалла. В кристалле
получается электронный газ. Возникающая при этом связь называется
металлической.
Такие типы связи не исчерпывают всего многообразия связей, существующих в
кристаллах. Вещества с достаточно сложной кристаллической структурой
часто не удается отнести к кристаллам с каким-то определенным типом
связи. Кроме того, если какая-то связь имеет доминирующее значение,
другие типы связи могут также играть некоторую роль. Например, у металлов
проявляются некоторые особенности ковалентной и молекулярной связи. Кроме
того, в ряде случаев вообще недостаточно принять во внимание лишь парные
взаимодействия. Непарные взаимодействия убывают с расстоянием быстрее,
чем
60
60. Плотная упаковка ионов одинакового радиуса
61. Расположение ионов, когда отношение их радиусов 1/2 + 1
§ 29. Силы взаимодействия 223
другие парные силы между молекулами, но тем не менее в ряде ситуаций
играют заметную роль.
Важную роль в образовании связей в твердых телах играет водородная связь.
По своей физической природе она не является отдельным типом связи. Но по
своей роли ее целесообразно выделить в отдельную категорию. Это
обусловлено особенностями строения атома водорода. Во-первых, ионом атома
водорода является протон, размеры которого примерно в 105 раз меньше всех
других ионов. Поэтому практически этот ион можно считать точечным. Во-
вторых, электрон в атоме водорода очень сильно привязан к ионному остову
(протону). Ионизационный потенциал атомарного водорода около 13,5 эВ, что
в несколько раз больше ионизационного потенциала для других атомов. Это
означает, что при образовании ионных кристаллов он ведет себя иначе, чем
другие элементы, в частности протон как бы "садится" непосредственно на
поверхность отрицательного иона, в результате чего возникают такие
структуры, которые невозможны при наличии любых других ионов.
При подходящих условиях протон может, например, обеспечить возникновение
сил притяжения между двумя отрицательными ионами по той схеме, которая
дана на рис. 59. Электрон при этом должен, конечно, "не мешать"
возникновению этого притяжения. Сущность водородной связи состоит в том,
что электрон и протон движутся так, что в кристалле возникают
обусловленные их движением связи, называемые водородными. Важным при
возникновении водородных связей является то, что первой заполненной
электронной оболочкой в кулоновском поле является оболочка с двумя
электронами. Поэтому атом водорода может образовать лишь одну ковалентную
связь, что очень существенно для характеристики структуры соответствующих
ковалентных кристаллов.
62. Расположение ионов, когда различие их радиусов велико
63. Расположение ионов различного радиуса, когда расстояние между
ближайшими соседями равно сумме их ионных радиусов
Если средняя кинетическая энергия молекул меньше абсолютного значения
средней энергии их взаимного притяжения, т. е. если средняя полная
энергия молекул (энергия взаимодействия + кинетическая энергия)
отрицательна, то возникает связанное состояние системы молекул, т. е.
либо жидкость, либо твердое тело.
224 4. Газы с межмолекулярным 'взаимодействием и жидкости
Структура жидкостей. В газах и в жидкостях молекулы не связаны между
собой стационарными устойчивыми связями. Молекулы изменяют относительные
положения. В газах расстояние между молекулами в среднем большое и они
быстро изменяют взаимное положение. В жидкостях расстояние между
молекулами мало, они плотно заполняют занимаемое жидкостью пространство и
сравнительно медленно меняют взаимное положение. В течение сравнительно
продолжительных промежутков времени группы молекул могут образовывать
агрегаты молекул. Эти агрегаты молекул по своим свойствам напоминают
твердое тело. Таким образом, жидкости по своей структуре и
межмолекулярным силам имеют как свойства газа, так и свойства твердых
тел. В связи с этим теория жидкостей является наиболее трудной и наименее
разработанной.
Силы Ван-дер-Ваальса. При сравнительно больших расстояниях между
молекулами действуют силы притяжения, называемые силами Ван-дер-Ваальса.
Эти силы возникают вследствие того, что при небольшом смещении
отрицательных и положительных зарядов в нейтральной молекуле она
перестает быть нейтральной в электрическом отношении, превращаясь в
диполь, т. е. совокупность разноименных, одинаковых по абсолютному
