Справочник по физике для инженеров и студентов - Яворский Б.М.
ISBN 5-488-00330-4
Скачать (прямая ссылка):
2) Ионные кристаллы (NaCl, LiF, оксиды металлов, сульфиды, карбиды, селениды и др.) характеризуются ионной (гетерополярной) связью между правильно чередующимися в узлах кристаллической решетки положительными и отрицательными ионами. Потенциальная энергия связи составляет — 1 МДж/моль (например, 0,75 МДж/моль у LiF). Характерные свойства ионных кристаллов: высокие точки плавления и большие теплоты сублимации, сильное поглощение в инфракрасной области, малые электропроводность и теплопроводность при низких температурах. При высоких температурах обнаруживается значительная ионная проводимость.
3) Валентные (атомные) кристаллы (С, Ge, Te и др.) характерны для кристаллических решеток полупроводников, многих органических твердых тел. Наблюдаются также у некоторых металлов и интерметаллических соединений. Химическая связь между нейтральными атомами — гомеополярная связь — обусловлена квантовомеханическим взаимодействием. Потенциальная энергия связи составляет сотни кДж/молъ (например, энергия связи у алмаза 710 кДж/моль). Основные свойства валентных кристаллов: высокие температуры плавления и теплоты сублимадии, высокая
11.9.1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА И СТРОЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
303
механическая прочность (твердость), малая электропроводность в чистых образцах.
4) Молекулярные кристаллы (Ar, CH4, парафин, многие твердые органические соединения). В узлах кристаллических решеток находйтся молекулы, и связь между ними осуществляется силами Ван-дер-Ваальса, главным образом дисперсионными. Потенциальная энергия связи составляет ~ 10 кДж/моль (например, 7,5 кДж/моль у Ar, 10 кДж/моль у CH4). Основные свойства: низкие точки плавления и кипения, плотная упаковка молекулярных кристаллов. Инертные газы, превращаясь в твердое тело, образуют плот-ноупакованную кубическую структуру.
5) Кристаллы с водородными связями (лед, HF и др.). Атом водорода, обладающий одной ковалентной (атомной) связью, в некоторых случаях связывается силами притяжения с двумя атомами, образуя водородную связь с потенциальной энергией связи ~ 20 кДж/моль. Образование связи происходит так, что атом водорода отдает свой электрон одному из атомов молекулы, а получившийся ион водорода (протон) в основном за счет ионного взаимодействия образует водородную связь. При этом атомы сильно сближены, и протон не может обеспечить связь более чем двух атомов. Подобная связь действует между молекулами воды и вместе с притяжением дипольных моментов молекул H2O обеспечивает особые свойства воды и льда вблизи 4 °С. Водородная связь осуществляется между белковыми молекулами, обеспечивая их специфическую геометрию, и играет большую роль в процессе полимеризации — образовании групп однотипных молекул.
5°. Между кристаллическим строением твердых тел и их химическим составом существуют связи, исследуемые в кристаллохимии. Всякое химически индивидуальное вещество характеризуется определенными элементами симметрии кристаллов. Важнейшими положениями кристаллохимии являются: а) сходство формы кристаллов у веществ с аналогичным химическим составом (изоморфизм); б) возможность существо-нлиия нескольких кристаллических форм для твердых тол одного химического состава, каждая из которых устойчива в различных условиях (полиморфизм). Для развития кристаллохимии и всего учения о кристалли-
304
11.9 КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
ческих твердых телах большую роль играет рентгеноструктурный анализ. С его помощью установлено, что каждый структурный элемент кристалла (атом, ион) имеет практически непроницаемую «сферу действия», и расстояния между атомами в кристаллах являются суммами радиусов их сфер действия. Так, структура ионных кристаллов существенно зависит от соотношения ионных радиусов.
6°. Тепловое движение связанных частиц твердых тел состоит в колебаниях частиц относительно узлов кристаллической решетки. В результате совместного действия сил притяжения и отталкивания между частицами, а также отсутствия полной периодичности в реальных кристаллах эти колебания не являются гармоническими (ангармонические колебания).
Гармоническим колебаниям соответствует квадратичная зависимость потенциальной энергии взаимодействия частиц U(q) от смещения q частиц из положения равновесия. Ангармоничность колебаний учитывается следующими после квадратичного членами разложения в ряд U(q) по степеням q. В первом приближении ангармоничность учитывается удержанием кубического члена в разложении потенциальной энергии взаимодействия частиц по степеням q:
U(q) = U0 + fi-b~f’
где Ufj — значение U при q = 0, P0 — коэффициент ква-зиупругой силы.
2. ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
1°.С повышением температуры происходит расширение твердых тел, называемое тепловым расширением. Различают линейное и объемное тепловые расширения, характеризуемые средними коэффициентами линейного а, и объемного Uv расширений в данном интервале температур.
2°. Если I0 — первоначальная длина тела, а А/ — удлинение этого тела при нагревании на AT, то U1 в этом интервале температур определяется по формуле
