К вопросу о металлической связи в плотнейших упаковках химических элементов. Металлическая связь реферат

Металлическая связь. Свойства металлической связи.

Количество просмотров публикации Металлическая связь. Свойства металлической связи. - 3534

Металлическая связь — химическая связь, обусловленная наличием относительно свободных электронов. Характерна как для чистых металлов, так и их сплавов и интерметаллических соединœений.

Механизм металлической связи

Во всœех узлах кристаллической решётки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа движутся валентные электроны, отцепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента͵ удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решётка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Силы связи не локализованы и не направлены. По этой причине в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа (к примеру, 12 или 8). Когда два атома металла сближаются, орбитали их внешних оболочек перекрываются, образуя молекулярные орбитали. В случае если подходит третий атом, его орбиталь перекрывается с орбиталями первых двух атомов, что дает еще одну молекулярную орбиталь. Когда атомов много, возникает огромное число трехмерных молекулярных орбиталей, простирающихся во всœех направлениях. Вследствие многократного перекрывания орбиталей валентные электроны каждого атома испытывают влияние многих атомов.

Характерные кристаллические решётки

Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решёток с плотной упаковкой атомов: кубическую объёмно центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.

В кубической объёмно центрированной решётке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объёма куба. Кубическую объёмно центрированную решётку имеют металлы: Pb, K, Na, Li, β-Ti, β-Zr, Ta, W, V, α-Fe, Cr, Nb, Ba и др.

В кубической гранецентрированной решётке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Решётку такого типа имеют металлы: α-Ca, Ce, α-Sr, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt,Rh, γ-Fe, Cu, α-Co и др.

В гексагональной решётке атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы:Mg, α-Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, β-Co, Be, β-Ca и др.

Другие свойства

Свободно движущиеся электроны обусловливают высокую электро- и теплопроводность. Вещества, обладающие металлической связью, часто сочетают прочность с пластичностью, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей. Также важным свойством является металлическая ароматичность.

Металлы хорошо проводят тепло и электричество, они достаточно прочны, их можно деформировать без разрушения. Некоторые металлы ковкие (их можно ковать), некоторые тягучие (из них можно вытягивать проволоку). Эти уникальные свойства объясняются особым типом химической связи, соединяющей атомы металлов между собой – металлической связью.

Металлы в твердом состоянии существуют в виде кристаллов из положительных ионов, как бы “плавающих” в море свободно движущихся между ними электронов.

Металлическая связь объясняет свойства металлов, в частности, их прочность. Под действием деформирующей силы решетка металла может изменять свою форму, не давая трещин, в отличие от ионных кристаллов.

Высокая теплопроводность металлов объясняется тем, что если нагреть кусок металла с одной стороны, то кинœетическая энергия электронов увеличится. Это увеличение энергии распространится в “ электронном море” по всœему образцу с большой скоростью.

Становится понятной и электрическая проводимость металлов. В случае если к концам металлического образца приложить разность потенциалов, то облако делокализованных электронов будет сдвигаться в направлении положительного потенциала:данный поток электронов, движущихся в одном направлении, и представляет собой всœем знакомый электрический ток.

referatwork.ru

Металлическая связь

Количество просмотров публикации Металлическая связь - 390

Само название ʼʼметаллическая связьʼʼ указывает, что речь пойдет о внутренней структуре металлов.

Атомы большинства металлов на внешнем энергетическом уровне содержат небольшое число валентных электронов по сравнению с общим числом внешних энергетически близких орбиталей, а валентные элект­роны из-за небольшой энергии ионизации слабо удерживаются в атоме. По этой причине энергетически более выгодно, чтобы электроны не были локализованы, а принадлежали всœему металлу. Так, по одному электрону содержат 16 элементов, по два – 58, по три – 4 элемента и ни одно­го — только один Pd. Лишь атомы элементов Ge, Sn и Pb имеют на внешнем уровне по 4 электрона, Sb и Bi – по 5 и Ро – 6. Но эти элементы не являются характерными металлами.

Элементы – металлы образуют простые вещества. В обычных условиях это кристаллические вещества (кроме ртути). Согласно теории ʼʼсвободных электроновʼʼ в узлах решётки металла находятся положительно заряженные ионы, которые погружены в электронный ʼʼгазʼʼ, распределённый по всœему металлу, из нелокализованных валентных электронов. Между положительно заряженными ионами металла и нелокализованными электронами существует электростатическое взаимодействие, обеспечивающее устойчивость вещества.

На рис. 3.17 представлена схема кристаллической решетки металла натрия. В ней каждый атом натрия окружен восœемью сосœедними атомами. На примере этого вещества рассмотрим металлическую связь.

У атома натрия, как и у всœех металлов, имеется избыток валентных орбиталей и недостаток электронов. Так, его валентный электрон (3s1) может занимать одну из 9 свободных орбиталей: 3s (одна), Зр (три) и 3d (пять). При сближении атомов, в результате образования кристаллической решетки валентные орбитали сосœедних атомов пере­крываются, благодаря чему электроны свободно движутся из одной орбитали в другую, осуществляя связь между всœеми атомами кристалла металла (рис. 3.18).

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, металлическая связь - ϶ᴛᴏ сильно нелокализованная химическая связь, возникающая в том случае, когда атомы имеют мало валентных электронов по сравнению с количеством свободных валентных орбиталей, а валентные электроны из-за малой энергии ионизации слабо удерживаются ядром.

Металлическая связь имеет неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ сходство с ковалентной, поскольку основана на обобщении валентных электронов. При этом при ковалентной связи обобщены валентные электроны только двух со­седних атомов, в то время как при металлической связи в обобществле­нии этих электронов принимают участие всœе атомы. Именно по­этому кристаллы с ковалентной связью хрупки, а с металлической — пластичны; в последнем случае возможно взаимное смещение ионов и электронов без нарушения связи. Это говорит о нелокализованности (от­сутствии направленности) металлической связи. Наличие электронов, которые могут свободно перемещаться по объёму кристалла, обеспечивает высокую электрическую проводимость и теплопроводность, а также ковкость. Металлический блеск обусловлен отражением световых лучей от электронного газа, который несколько выходит за границу положительно заряженных ионов. Именно металлической связью объясняются физические свойства металлов.

Металлическая связь характерна для металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии. Это свойство агрегатов атомов, расположенных в непосредственной близости друг к другу. При этом в парообразном состоянии атомы металлов, как и всœех веществ, связаны между собой ковалентной связью. Пары´ металлов состоят из отдельных молекул (одноатомных и двухатомных). Прочность связи в кристалле больше, чем в молекуле металла, в связи с этим процесс образования металлического кристалла протекает с выделœением энергии.

Читайте также

referatwork.ru

Металлическая связь

Количество просмотров публикации Металлическая связь - 291

Гибридизация орбиталей и пространственная конфигурация молекул

При образовании двойных, тройных связей в органических соединœениях (этилен, ацетилен) происходит перекрывание р-электронных облаков в плоскостях, перпендикулярно σ-связям и образование π-связей.

Атомы большинства металлов на внешнем энергетическом уровне содержат небольшое число электронов (1, 2. 3), это в основном s- и d-элементы. В обычных условиях металлы - кристаллические вещества (кроме ртути). На рисунке представлена схема кристаллической решетки натрия.

Кристаллическая решетка натрия

Как видно, каждый атом натрия окружен восœемью сосœедними атомами. У атома натрия, как и у других металлов, имеется избыток валентных орбиталей и недостаток электронов. При сближении атомов в результате образования кристаллической решетки валентные орбитали сосœедних атомов перекрываются, благодаря чему электроны свободно перемещаются из одной орбитали в другую, осуществляя связь между всœеми атомами кристалла металла. Такой тип химической связи принято называть металлической.

Между ковалентной и металлической связью имеется большое сходство – оба типа химической связи основаны на обобществлении валентных электронов. Только в металлах обобществленные электроны обслуживают весь кристалл, то есть они полностью делокализованы. Электроны, осуществляющие связь, обобществлены (ʼʼэлектронный газʼʼ) и перемещаются по всœему объёму металла, в целом электронейтрального. Этим объясняется отсутствие пространственной направленности металлической связи и высокие координационные числа металлических структур. Размещено на реф.рфЭто означает, что металлическая связь не проявляет свойств насыщаемости, столь характерных для ковалентной связи. Делокализация же валентных электронов в металлах является следствием многоцентрового характера металлической связи и причиной хорошей электро- и теплопроводности металлов, пластичности и ковкости. Для веществ с ковалентной связью при отсутствии примесей электропроводность должна быть обеспечена только в результате разрушения этих связей. Объясняется это тем, что ковалентная связь соединяет только два сосœедних атома, а общие электроны пребывают в непосредственной близости от них и прочно с ними связаны.

Металлическая связь – многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов, основанная на обобществлении внешних электронов атомов. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, металлическая связь характерна только для конденсированного состояния вещества. В паро- и газообразном состоянии атомы всœех веществ, в т.ч. и металлов, связаны между собой только ковалентной связью.

Аналогия между ковалентной и металлической связями подтверждается распределœением электронной плотности между атомными остовами. Для обоих типов связей в пространстве между атомными остовами сохраняется значительная электронная плотность, образуя электронные мостики между взаимодействующими атомами.

Разница состоит по сути в том, что в ковалентной связи электронные мостики имеют строго определœенное пространственное направление, а у металлической связи электронная плотность равномерно распределœена по всœем направлениям. В результате в решетке типичных металлов всœе атомы кристаллографически эквивалентны и эффективные заряды атомов равны нулю.

Читайте также

referatwork.ru

Металлическая и водородная связи | Бесплатные курсовые, рефераты и дипломные работы

Металлическая связь

Металлы представляют собой простые вещества, и можно было бы полагать, что связь в металлах должна быть ковалентной неполярной. В действительности же валентные электроны металлов, как элементов с малыми значениями электроотрицательности слабо связаны с ядром, и при соединении двух атомов не может образовываться достаточно прочная ковалентная связь. Лишь в парообразном состоянии существуют ковалентно построенные двухатомные молекулы металлов, например, Li2, Nа2, K2, энергия связи, в которых в несколько раз меньше, чем, например, энергия связи в молекуле водорода.

В жидком же и твердом состоянии двухатомные молекулы в металлах отсутствуют. За счет чего же атомы металлов удерживаются между собой? Рассмотрим следующий тип связи – металлическую … связь.

Предположения о природе металлической связи можно получить на основании двух отличий металлов от соединений с ковалентными и ионными связями. Во-первых, металлы отличаются от других веществ высокой электро- и теплопроводностью, и, во-вторых, являются в обычных условиях кристаллическими веществами с высокими координационными числами атомов (т.е. каждый атом окружен большим числом соседей, с ним связанных).

Из первого свойства следует, что по крайней мер, часть электронов может относительно свободно передвигаться по всему объему куска металла. Из второго свойства – что атомы не связаны друг с другом, так как валентных электронов в атомах металлов недостаточно для образования обычных ковалентных связей.

У атомов металлов имеется малое количество электронов и избыток свободных орбиталей. Следовательно, при сообщении небольшой энергии валентные электроны могут занимать не только “свои“, но и соседние орбитали, расположенные несколько выше по энергии и дальше от ядра. При сближении атомов в результате образования кристаллической решетки валентные орбитали соседних атомов перекрываются, вследствие чего электроны свободно перемещаются из орбитали одного атома в орбиталь другого, осуществляя связь между всеми атомами кристалла.

При этом атом металла превращается в положительно заряженный ион, но другой электрон, подходя к иону, может образовывать с ним на мгновение атом. Если рядом с ним в этот момент окажется другой атом. то между этими атомами на некоторое время может образовываться обычная ковалентная неполярнаная связь.

Таким образом, в кристалле металла между атомами возникает ковалентная неполярная связь, перемещающаяся по объему металла, а между ионами металла и электронами – ионная связь, т.е. связь в металлах представляет собой нечто промежуточное между ионной и ковалентной связью. Кристалл металла можно представить как сочетание атомов и ионов металла, в промежутках между которыми перемещаются электроны, получившие название “электронного газа“.

Следует отметить, что поведение этих электронов практически полностью подчиняется законам, выведенным для идеальных газов.

Таки образом, металлическая связь – это многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов, основанная на обобществлении внешних электронов атомов металлов в твердом и жидком состоянии.

Металлическая связь характерна только для конденсированного состояния вещества и представляет собой не связь между отдельными частицами, а связь целых агрегатов частиц.

По мере увеличения числа валентных электронов прочность металлической связи увеличивается.

Следует отметить, что метод валентных связей не может интерпретировать полностью металлическую связь: в металлах наблюдается недостаток валентных электронов по сравнению с числом межатомных связей. Отсюда и интерметаллические соединения, как правило, не подчиняются законам классической ковалентности, а на основании положения в Периодической системе невозможно предсказать истинный состав интерметаллидов.

Дата добавления: 2014-11-20; просмотров: 1.

refac.ru

Металлическая связь | Бесплатные курсовые, рефераты и дипломные работы

Атомы большинства металлов на внешнем энергетическом уровне содержат небольшое число валентных электронов по сравнению с общим числом внешних энергетически близких орбиталей, а валентные элект­роны из-за небольшой энергии ионизации слабо удерживаются в атоме. Поэтому энергетически более выгодно, чтобы электроны не были локализованы, а принадлежали всему металлу. Так, по одному электрону содержат 16 элементов, по два – 58, по три – 4 элемента и ни одно­го — только один Pd. Лишь атомы элементов Ge, Sn и Pb имеют на внешнем уровне по 4 электрона, Sb и Bi – по 5 и Ро – 6. Но эти элементы не являются характерными металлами.

Элементы – металлы образуют простые вещества. В обычных условиях … это кристаллические вещества (кроме ртути). Согласно теории «свободных электронов» в узлах решётки металла находятся положительно заряженные ионы, которые погружены в электронный «газ», распределённый по всему металлу, из нелокализованных валентных электронов. Между положительно заряженными ионами металла и нелокализованными электронами существует электростатическое взаимодействие, обеспечивающее устойчивость вещества.

На рис. 3.17 представлена схема кристаллической решетки металла натрия. В ней каждый атом натрия окружен восемью соседними атомами. На примере этого вещества рассмотрим металлическую связь.

У атома натрия, как и у всех металлов, имеется избыток валентных орбиталей и недостаток электронов. Так, его валентный электрон (3s1) может занимать одну из 9 свободных орбиталей: 3s (одна), Зр (три) и 3d (пять). При сближении атомов, в результате образования кристаллической решетки валентные орбитали соседних атомов пере­крываются, благодаря чему электроны свободно движутся из одной орбитали в другую, осуществляя связь между всеми атомами кристалла металла (рис. 3.18).

Таким образом, металлическая связь – это сильно нелокализованная химическая связь, возникающая в том случае, когда атомы имеют мало валентных электронов по сравнению с количеством свободных валентных орбиталей, а валентные электроны из-за малой энергии ионизации слабо удерживаются ядром.

Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалентной, поскольку основана на обобщении валентных электронов. Однако при ковалентной связи обобщены валентные электроны только двух со­седних атомов, в то время как при металлической связи в обобществле­нии этих электронов принимают участие все атомы. Именно по­этому кристаллы с ковалентной связью хрупки, а с металлической — пластичны; в последнем случае возможно взаимное смещение ионов и электронов без нарушения связи. Это говорит о нелокализованности (от­сутствии направленности) металлической связи. Наличие электронов, которые могут свободно перемещаться по объему кристалла, обеспечивает высокую электрическую проводимость и теплопроводность, а также ковкость. Металлический блеск обусловлен отражением световых лучей от электронного газа, который несколько выходит за границу положительно заряженных ионов. Именно металлической связью объясняются физические свойства металлов.

Металлическая связь характерна для металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии. Это свойство агрегатов атомов, расположенных в непосредственной близости друг к другу. Однако в парообразном состоянии атомы металлов, как и всех веществ, связаны между собой ковалентной связью. Пары´ металлов состоят из отдельных молекул (одноатомных и двухатомных). Прочность связи в кристалле больше, чем в молекуле металла, поэтому процесс образования металлического кристалла протекает с выделением энергии.

Дата добавления: 2014-09-29; просмотров: 1.

refac.ru

Доклад - К вопросу о металлической связи в плотнейших упаковках химических элементов

К вопросу о металлической связи в плотнейших упаковках химических элементов

Г.Г.Филипенко

Гродно, 1996

Аннотация.

Обычно в литературе металлическая связь описывается, как осуществленная посредством обобществления внешних электронов атомов и не обладающая свойством направленности. Хотя встречаются попытки (см. ниже ) объяснения направленной металлической связи т.к. элементы кристаллизуются в определенный тип кристаллической решетки.Почему атомы химических элементов объединяются так, а не иначе? Почему происходят аллотропические переходы (изменение типа кристаллической решетки)? Сколько электронов отдает атом в зону проводимости? Что есть металлическая валентность?

В работе «К вопросу о металлической связи в плотнейших упаковках химических элементов» показано, что металлическая связь в плотнейших упаковках (ГЕК и ГЦК) между центральноизбранным атомом и его соседями в общем случае, предположительно, осуществляется посредством 9 (девяти) направленных связей, в отличие от числа соседних атомов равного 12 (двенадцати) (координационное число). Металлическая валентность элемента в его монокристалле и валентность этого элемента по кислороду, водороду- разные понятия.

Введение.

Пока невозможно в общем случае вывести из квантовомеханических расчетов кристаллическую структуру металла по электронному строению атома, хотя, например, Ганцхорн и Делингер указали на возможную связь между наличием кубической объемно-центрированной решетки в подгруппах титана, ванадия, хрома и наличием в атомах этих металлов валентных d- орбиталей. Нетрудно заметить, что четыре гибридные орбитали направлены по четырем телесным диагоналям куба и хорошо приспособлены для связи каждого атома с его 8 соседями в кубической объемноцентрированной решетке. При этом оставшиеся орбитали направлены к центрам граней элементарной ячейки и, возможно, могут принимать участие в связи атома с шестью его вторыми соседями /3/ стp. 99.

Первое координационное число (К.Ч.1) “8” плюс второе координационное число (К.Ч.2) “6” равно “14”.

Попытаемся связать внешние электроны атома данного элемента со структурой его кристаллической решетки, учитывая необходимость направленных связей (химия) и наличие обобществленных электронов (физика), ответственных за гальваномагнитные свойства.

Согласно /1/ стр.20, число Z- электрон проводимости от атома в зоне проводимости, получено авторами, предположительно, исходя из валентности металла по кислороду, водороду и обязано быть подвергнуто сомнению, т.к. экспериментальные данные по Холлу и модулю всестороннего сжатия близки к теоретическим только для щелочных металлов. ОЦК решетка, Z=1 не вызывает сомнений. Координационное число равно 8.

На простых примерах покажем, что на одну связь у алмаза при плотности упаковки 34% и координационном числе 4 приходится 34%:4=8,5%.

У кубической примитивной решетки плотность упаковки 52% и координационное число 6 приходится 52%: б=8,66%.

У кубической объемноцентрированной решетки плотность упаковки 68% и координационное число 8 приходится 68%:8=8,5%.

У кубической гранецентрированной решетки плотность упаковки 74% и координационное число 12 приходится 74%:12=6.16%, а если 74%:9=8,22%.

У гексагональной решетки плотность упаковки 74% и координационное число 12 приходится 74%:12=6,16%, а если 74%:9=8,22%.

Очевидно, что эти 8,66-8,22% несут в себе некий физический смысл. Оставшиеся 26% кратны 8,66 и 100% гипотетическая плотность упаковки возможна при наличии 12 связей. Но реальна ли такая возможность?

Внешние электроны последней оболочки или подоболочек атома металла образуют зону проводимости. Число электронов в зоне проводимости влияет на постоянную Холла, коэффициент всестороннего сжатия и т.д.

Построим модель металла-элемента так, чтобы оставшиеся, после заполнения зоны проводимости, внешние электроны последней оболочки или подоболочек атомного остова неким образом влияли на строение кристаллической структуры (например: для ОЦК решетки-8 «валентных» электронов остова, а для ГЕК и ГЦК -12 или 9).

Очевидно, что для подтверждения нашей модели необходимо сравнить экспериментальные и теоретические данные по Холлу, коэффициенту всестороннего сжатия и т.д.

ГРУБОЕ, КАЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРОНОВ В ЗОНЕ ПРОВОДИМОСТИ МЕТАЛЛА — ЭЛЕМЕНТА. ОБЪЯСНЕНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ОБРАЗОВАНИЕ ТИПА РЕШЕТКИ МОНОКРИСТАЛЛА И НА ЗНАК ПОСТОЯННОЙ ХОЛЛА.

(Алгоритм построения модели)

Измерения поля Холла позволяют определить знак носителей заряда в зоне проводимости. Одна из замечательных особенностей эффекта Холла заключается, однако, в том, что в некоторых металлах коэффициент Холла положителен, и поэтому носители в них должны, видимо, иметь заряд, противоположный заряду электрона /1/. При комнатной температуре это относится к следующим металлам:: ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, цинк, цирконий, ниобий, молибден, рутений, родий, кадмий, церий, празеодим, неодим, иттербий, гафний, тантал, вольфрам, рений, иридий, таллий, свинец /2/. Решение этой загадки должна дать полная квантовомеханическая теория твердого тела.

Примерно, как для некоторых случаев применения граничных условий Борна-Кармана, рассмотрим сильно упрощенный одномерный случай зоны проводимости. Вариант первый: тонкая замкнутая трубка, полностью заполненная электронами кроме одного. Диаметр электрона примерно равен диаметру трубки. При таком заполнении зоны, при локальном передвижении электрона, наблюдается противоположное движение «места» незаполнившего трубку, электрона, то есть движение неотрицательного заряда. Вариант второй: в трубке один электрон — возможно движение только одного заряда — отрицательно заряженного электрона. Из этих двух крайних вариантов видно, что знак носителей, определяемых по коэффициенту Холла, в какой-то степени, должен зависеть от наполнения зоны проводимости электронами.

На порядок движения электронов также будут накладывать свои условия и структура зоны проводимости, и температура, и примеси, дефекты, а для магнитных материалов и рассеяние на магнитных квазичастицах — магнонах.

Так как рассуждения наши грубые, учитываем в дальнейшем пока только наполнение зоны проводимости электронами. Заполним зону проводимости электронами так, чтобы внешние электроны атомных остовов оказывали влияние на образование типа кристаллизационной решетки. Предположим, что число внешних электронов на последней оболочке атомного остова, после заполнения зоны проводимости, равно числу атомов соседей (координационному числу) /5/. Координационные числа ГЕК, ГЦК (гексагональной и гранецентрированной) плотнейших упаковок 12 и 18, а объемноцентрированной решетки (ОЦК)8и14/3/. Для ГЕК и ГЦК рассмотрим также число 9!

Построим таблицу с учетом вышеизложенного. Температура комнатная .

Где: RH — Постоянная Холла (коэффициент Холла)

Z — предполагаемое число электронов, отданное одним атомом в зону проводимости

Z остов. — число внешних электронов атомного остова.

Тип решетки — тип кристаллической структуры металла при комнатной температуре в некоторых случаях для температур фазовых переходов (T).

Выводы.

Несмотря на грубые допущения, из таблицы видно, что, чем больше атом элемента отдает электронов в зону проводимости, тем положительнее постоянная Холла, и, наоборот, постоянная Холла отрицательна для элементов, отдавших в зону проводимости один-два электрона, что не противоречит выводам Пайерлса, а также просматривается связь между электронами проводимости (Z) и валентными электронами (Zостов), обуславливающими кристаллическую структуру.

Фазовые переходы элемента из одной решетки в другую можно объяснить перебросом в зону проводимости металла одного из внешних электронов атомного остова или его возвратом из зоны проводимости на внешнюю оболочку остова под воздействием внешних факторов (давление, температура).Для высокосимметричных структур ГЦК или ОЦК объяснять эти переходы ангармонизмом колебаний нелепо.

Пытались дать разгадку, а получили новую, довольно хорошо объясняющую физико-химические свойства элементов, загадку — это «координационное число орбиталей» = 9 (девять) для ГЦК и ГЕК. Такое частое явление числа-9 в приведенной таблице наводит на мысль, что плотнейшие упаковки недостаточно исследованы.

Методом обратного отсчета от экспериментальных значений коэффициента всестороннего сжатия к теоретическим по формулам Ашкрофта и Мермина /1/, определяя число Z, можно убедиться о его близком совпадении с приведенным в таблице 1.

Для простоты в работе рассматриваются идеальные монокристаллы элементов.В статье сделан маленький шажок для понимания кристаллизации атомов элемента в решетку кристалла своего типа, фазовых (аллотропических) переходов из одного типа решетки в другой для одного и того же элемента (например, для типа решетки высокой симметрии, применим ли принцип ангармонических колебаний атомов?), количества электронов, отданное любым атомом данной решетки в зону проводимости.

Сложная форма зоны проводимости, образованная предположительно между гибридными орбиталями атомного остова в реальном пространстве, должна находиться в районе поверхности ячейки Вигнера-Зейтца.

Надеюсь, что статья будет интересна химикам, металлургам, кристаллографам и др.

Список литературы

1. Н.Ашкрофт, Н.Мермин «Физика твердого тела». Москва, 1979г.

2. Г.В.Самсонов «Справочник „Свойства элементов“.Москва, 1976г.

3. Г.Кребс „Основы кристаллохимии неорганических соединений“. Москва, l971r.

4. Я.Г.Дорфман, И.К.Кикоин „Физика металлов“. Ленинград, 1933г.

5. Г.Г.Скидельский „От чего зависят свойства кристаллов“. „Инженер“ № 8, 1989г.

6. Б.Ф.Ормонт „Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников“, Москва, 1968 год

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

Металлическая связь в плотнейших упаковках (ГЕК, ГЦК)

Из рассуждений о числе направленных связей (или псевдосвязей, т.к. между соседними атомами металла находится зона проводимости) равном девяти по числу внешних электронов атомного остова для плотнейших упаковок, вытекает, что по аналогии с решеткой ОЦК (восемь атомов-соседей в первой координационной сфере) у ГЕК и ГЦК решеток в первой координационной сфере, должно быть девять, а имеем 12 атомов. Но 9 атомов соседей, связанных любым центральноизбранным атомом, косвенно подтверждаются экспериментальными данными по Холлу и модулю всестороннего сжатия (да и в опытах по эффекту де Гааза-ван -Альфена число осцилляций кратно девяти).

Значит для трех атомов из 12, связей либо нет, либо 9 направленных связей центральноизбранного атома перебирают 12 атомов первой координационной сферы во времени и пространстве.

На рис.1.1, d, е показаны координационные сферы в плотнейших гексагональной и кубической упаковках.

d e

Рис. 1.1. Плотные упаковки

Обратим внимание, что в гексагональной упаковке треугольники верхнего и нижнего оснований повернуты в одну и ту же сторону, а в кубической — в разные.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.

Теоретический расчет модуля всестороннего сжатия (В).

В=(6,13/(rs/а0))5*1010 дн/см2,

где В — модуль всестороннего сжатия,

а0 — боровский радиус,

rs — радиус сферы, объем которой равен объему, приходящемуся на один электрон проводимости.

rs=(3/4n)1/3,

где n — плотность электронов проводимости.

Расчеты по Ашкрофту и Мермину.

Расчет по рассмотренным в работе моделям.

Конечно, давление газов свободных электронов само по себе, одно, не полностью определяет сопротивление металла сжатию, тем не менее во втором случае расчета теоретический модуль всестороннего сжатия лежит ближе к экспериментальному, причем с одной стороны. Очевидно необходим учет второго фактора — влияние на модуль «валентных» или внешних электронов атомного остова, определяющих кристаллическую решетку.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.

Таблица элементов (физическая).

www.ronl.ru

К вопросу о металлической связи в плотнейших упаковках химических элементов

Г.Г.Филипенко

Гродно, 1996

Аннотация.

Обычно в литературе металлическая связь описывается, как осуществленная посредством обобществления внешних электронов атомов и не обладающая свойством направленности. Хотя встречаются попытки (см. ниже ) объяснения направленной металлической связи т.к. элементы кристаллизуются в определенный тип кристаллической решетки.Почему атомы химических элементов объединяются так,а не иначе?Почему происходят аллотропические переходы (изменение типа кристаллической решетки)?Сколько электронов отдает атом в зону проводимости? Что есть металлическая валентность?

В работе «К вопросу о металлической связи в плотнейших упаковках химических элементов» показано, что металлическая связь в плотнейших упаковках (ГЕК и ГЦК) между центральноизбранным атомом и его соседями в общем случае, предположительно, осуществляется посредством 9 (девяти) направленных связей, в отличие от числа соседних атомов равного 12 (двенадцати) (координационное число). Металлическая валентность элемента в его монокристалле и валентность этого элемента по кислороду, водороду- разные понятия.

Введение.

Пока невозможно в общем случае вывести из квантовомеханических расчетов кристаллическую структуру металла по электронному строению атома, хотя, например, Ганцхорн и Делингер указали на возможную связь между наличием кубической объемно-центрированной решетки в подгруппах титана, ванадия, хрома и наличием в атомах этих металлов валентных d- орбиталей. Нетрудно заметить, что четыре гибридные орбитали направлены по четырем телесным диагоналям куба и хорошо приспособлены для связи каждого атома с его 8 соседями в кубической объемноцентрированной решетке. При этом оставшиеся орбитали направлены к центрам граней элементарной ячейки и, возможно, могут принимать участие в связи атома с шестью его вторыми соседями /3/ стp. 99.

Первое координационное число (К.Ч.1) “8” плюс второе координационное число (К.Ч.2) “6” равно “14”.

Попытаемся связать внешние электроны атома данного элемента со структурой его кристаллической решетки, учитывая необходимость направленных связей (химия) и наличие обобществленных электронов (физика), ответственных за гальваномагнитные свойства.

Согласно /1/ стр.20, число Z- электрон проводимости от атома в зоне проводимости, получено авторами, предположительно, исходя из валентности металла по кислороду, водороду и обязано быть подвергнуто сомнению, т.к. экспериментальные данные по Холлу и модулю всестороннего сжатия близки к теоретическим только для щелочных металлов. ОЦК решетка, Z=1 не вызывает сомнений. Координационное число равно 8.

На простых примерах покажем, что на одну связь у алмаза при плотности упаковки 34% и координационном числе 4 приходится 34%:4=8,5%.

У кубической примитивной решетки плотность упаковки 52% и координационное число 6 приходится 52%:б=8,66%.

У кубической объемноцентрированной решетки плотность упаковки 68% и координационное число 8 приходится 68%:8=8,5%.

У кубической гранецентрированной решетки плотность упаковки 74% и координационное число 12 приходится 74%:12=6.16%, а если 74%:9=8,22%.

У гексагональной решетки плотность упаковки 74% и координационное число 12 приходится 74%:12=6,16%, а если 74%:9=8,22%.

Очевидно, что эти 8,66-8,22% несут в себе некий физический смысл. Оставшиеся 26% кратны 8,66 и 100% гипотетическая плотность упаковки возможна при наличии 12 связей. Но реальна ли такая возможность?

Внешние электроны последней оболочки или подоболочек атома металла образуют зону проводимости. Число электронов в зоне проводимости влияет на постоянную Холла, коэффициент всестороннего сжатия и т.д.

Построим модель металла-элемента так, чтобы оставшиеся, после заполнения зоны проводимости, внешние электроны последней оболочки или подоболочек атомного остова неким образом влияли на строение кристаллической структуры (например: для ОЦК решетки-8 "валентных" электронов остова, а для ГЕК и ГЦК -12 или 9).

Очевидно, что для подтверждения нашей модели необходимо сравнить экспериментальные и теоретические данные по Холлу, коэффициенту всестороннего сжатия и т.д.

ГРУБОЕ, КАЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРОНОВ В ЗОНЕ ПРОВОДИМОСТИ МЕТАЛЛА - ЭЛЕМЕНТА. ОБЪЯСНЕНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ОБРАЗОВАНИЕ ТИПА РЕШЕТКИ МОНОКРИСТАЛЛА И НА ЗНАК ПОСТОЯННОЙ ХОЛЛА.

(Алгоритм построения модели)

Измерения поля Холла позволяют определить знак носителей заряда в зоне проводимости. Одна из замечательных особенностей эффекта Холла заключается, однако, в том, что в некоторых металлах коэффициент Холла положителен, и поэтому носители в них должны, видимо, иметь заряд, противоположный заряду электрона /1/. При комнатной температуре это относится к следующим металлам:: ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, цинк, цирконий, ниобий, молибден, рутений, родий, кадмий, церий, празеодим, неодим, иттербий, гафний, тантал, вольфрам, рений, иридий, таллий, свинец /2/. Решение этой загадки должна дать полная квантовомеханическая теория твердого тела.

Примерно, как для некоторых случаев применения граничных условий Борна-Кармана, рассмотрим сильно упрощенный одномерный случай зоны проводимости. Вариант первый: тонкая замкнутая трубка, полностью заполненная электронами кроме одного. Диаметр электрона примерно равен диаметру трубки. При таком заполнении зоны, при локальном передвижении электрона, наблюдается противоположное движение "места" незаполнившего трубку, электрона, то есть движение неотрицательного заряда. Вариант второй: в трубке один электрон - возможно движение только одного заряда - отрицательно заряженного электрона. Из этих двух крайних вариантов видно, что знак носителей, определяемых по коэффициенту Холла, в какой-то степени, должен зависеть от наполнения зоны проводимости электронами.

На порядок движения электронов также будут накладывать свои условия и структура зоны проводимости, и температура, и примеси, дефекты, а для магнитных материалов и рассеяние на магнитных квазичастицах - магнонах.

Так как рассуждения наши грубые, учитываем в дальнейшем пока только наполнение зоны проводимости электронами. Заполним зону проводимости электронами так, чтобы внешние электроны атомных остовов оказывали влияние на образование типа кристаллизационной решетки. Предположим, что число внешних электронов на последней оболочке атомного остова, после заполнения зоны проводимости, равно числу атомов соседей (координационному числу) /5/. Координационные числа ГЕК, ГЦК (гексагональной и гранецентрированной) плотнейших упаковок 12 и 18, а объемноцентрированной решетки (ОЦК)8и14/3/. Для ГЕК и ГЦК рассмотрим также число 9!

Построим таблицу с учетом вышеизложенного. Температура комнатная .

Z - предполагаемое число электронов, отданное одним атомом в зону проводимости

Z остов. - число внешних электронов атомного остова.

Тип решетки - тип кристаллической структуры металла при комнатной температуре в некоторых случаях для температур фазовых переходов (T).

www.coolreferat.com

Смотрите также

• 
  Виды пламени реферат
• 
  Биологические загрязнения реферат
• 
  Английская грамматика реферат
• 
  Заболевания паразитарные реферат
• 
  Введение маркетинг реферат
• 
  Страхование пассажиров реферат
• 
  Стили мышления реферат
• 
  Реферат оптическая иллюзия
• 
  Реферат виктор цой
• 
  Рузвельт франклин реферат
• 
  Оптическая иллюзия реферат