Science hálózati atomközi interakció és elektronikus szerkezete szilárd

Az ionos kötés jellemző vegyületek, amelyekben az egyik elem egy fém. és a másik közel van az utolsó csoport a periódusos rendszer. például alkálifém-halogenideket (NaCl, KBr, LIF) ionos kötéssel képviseli a Coulomb kölcsönhatás ellentétes töltésű ionok. Ugyanakkor az elektrosztatikus erők nem képesek tartani a rendszer egyensúlyban van, ezért az ionos kötést soha „tiszta”. Amikor közeledik ionokra nem elektrosztatikus taszító természet erői. Ez kvantummechanikai erők miatt a Pauli-elv. Eszerint alapelve kvantummechanika két elektron azonos pörgetés (spin - belső kvantum fokú szabadságot, saját forgatónyomaték a részecske) nem lehet ugyanabban a kvantum állapot, vagyis egy és ugyanaz az energia szintet. Ezért, az elektron héját az atomok nem tudnak behatolni egymást, taszítják. Az általános jellege energia függését a kötődését atomközi távolságok az ionos típusú csatlakozás ábrán látható. 1. Az ilyen fajta energiát azt jelenti, hogy a nagy távolságok közötti atomok vonzó erők, lassan nullához (Coulomb vonzereje ellenkező ionok) és elég közel taszítóerők fennállnak gyorsan hajló végtelenig (kvantummechanikai erők meghatározott Pauli-elv ). r0 meghatározza a helyzetét stabil egyensúlyi a rácsállandó.

Ábra. 1. A kötési energiája az ionos vegyület. Vrez (R) - a kapott kötési energia V származó - taszító energia, Vred - energia vonzás, r0 - egyensúlyi atomközi távolsági tartozó és a minimális kötési energia.

Még az atomok és molekulák, az elektromos dipólmomentum amely egyenlő nulla, lesz egy fluktuáló dipólus momentum társított pillanatnyi helyzetét a elektron az atom. A pillanatnyi elektromos mező társított nyomaték hatására a dipólusmomentum indukált a szomszédos atomokban. Átlagban, a kölcsönhatás a dipólus momentum az atom forrás által indukált dipólus momentum szomszédos atomból vezet a vonzás közötti atomok, hogy energetikailag előnyös, mivel a rendszer energiája csökken. Az energia a van der Waals-féle kölcsönhatás a távolsággal csökken, mint 1 / r 6. dipólmomentum eredő véletlenszerűen generál egy elektromos mező. Ez a mező polarizálja a szomszédos atommal, ami egy dipól (- elektromos szuszceptibilitás). A kölcsönhatási energia a dipólusok egyenlő a potenciális energia a dipólus mező. A szigorúbb kvantummechanikai számítás ugyanazt az eredményt adja. Az energia mennyisége miatt kristályok van der Waals kölcsönhatást egy vagy két nagyságrenddel kisebb, mint az ion, ezért a megfelelő vegyületnek alacsony olvadáspontja és forráspontja. Van-der-Waals kötések vannak túlsúlyban a nemesgázok, kristályosodó hőmérsékleten körülbelül 10-100 K, molekuláris kristályok, amelyek nem épített egyedi atomok és molekulák. Ezek hidrogénatom, amelyben a molekulák H2 rács. Fullerének - kristályok, molekulákból álló tartalmazó hatvan szénatomos (C60), és mások.

A klasszikus példája a kovalens kötés - hidrogén molekula H2 (két elektron és két proton), a fő szerepet, amelyet az oktatás játszik csere erők. Ez kvantummechanikai természet erői. Akkor merülnek fel, mert ugyanaz a Coulomb kölcsönhatás elektronok és Pauli elveit, figyelembe véve az összefüggés a mozgás az elektronok jelenléte miatt a spin. Schrödinger egyenletet a hidrogén molekula két megoldás: szimmetrikus permutáció elektron koordináták (csere helyeken), amely megfelel az állam elektronok ellentétes forog, és antiszimmetrikus, amikor a spinek párhuzamosak. Kölcsönhatási energia megfelelő mindegyik oldatból ábrán mutatjuk be. 2, valamint. Az egyensúlyi állapot a molekula kapjuk csak a szimmetrikus megoldás (link állami). Ábra. 2b eloszlását mutatja elektronsűrűség a hidrogén molekula. A elektronsűrűség közepén összekötő vonal a két mag esetén egy szimmetrikus megoldások, a legmagasabb, és abban az esetben, egy antiszimmetrikus eltűnik. Szimmetrikus (kötőanyag) állapot energetikailag kedvezőbb, mivel az elektronok kölcsönhatásba egyidejűleg mindkét magban, és ezáltal csökkenti az energia a rendszer.

Ábra. 2 a - kötési energia hidrogén molekula számára államok a parallel és antiparallel forog; b - a eloszlása ​​elektronsűrűség a hidrogén molekula számára államok antiparallel és párhuzamos forog.

Egy állam, ahol pörgetések antiparallel, kölcsönös lemondás a spin külső vegyérték elektronok. Így, képződése során a molekula, elektronok a külső héjak atomok átrendezzük úgy, hogy a vegyértéke az atomok telített, mint a telítettség a vegyértékek tartalmaz külső kompenzáció a vegyérték elektron forog, így a kémiai vegyérték meghatározandó számú külső héj elektronok kompenzálatlan forog. Emiatt, a nemes gázok nem kovalens kristályok - csere elektronok más atomokkal nincs jelen, mivel az elektron héj teljesen kitöltve. A klasszikus példája a kovalens kristályok gyémánt félvezetők, szilícium, germánium. A szén-dioxid-két elektront az s-állapotban, kettő a p-állapotban. Amikor közeledik a elektronhéjak atomok átrendezzük úgy, hogy mind a négy elektronok párosítatlan. elektronsűrűség eloszlás erősen nem egyenletes, irányított, és tetraéderes szimmetria, jellemző a kristályszerkezet adatokat. A félvezető vegyületek csoportjának elemeiből III és V és II és VI a periódusos rendszer, mint például a GaAs, ZnS, atomközi kötés már keveréket kovalens és ionos összetevőit.

Sok szabad elektron fémek. Az elektronok átvihetők egyik atom a másikra. Kommunikáció az atomok között a kristály válik kollektivizálták. Ezért, a legegyszerűbb esetben, a fémes kötés lehet tekinteni, mint egy határérték vagy kovalens kötés, vagy a határ ion (azaz például nátrium-fém lehet leírni Na + +). Az összes mesterkélt ez a megközelítés, hogy van valami hasznos. Ábra. A 3. ábra az eloszlását elektronikus töltéssűrűsége a kristályok különböző típusú kapcsolat, és az átmenet a kovalens kötés a fém.

Ábra. 3. sematikus kétdimenziós elektronikus képet töltés eloszlása ​​szilárd, és - egy ionos kristály, - kovalens kristály - fém.

Elejétől a fejlesztési alapuló elmélet fémek legegyszerűbb modell, amelyben a vezetési elektronok minősülnek ideális gáz szabad részecskéket. Az első mű, amelyben az elektron gáz egy fém segítségével leírt klasszikus statisztikák nem voltak képesek megmagyarázni az összes tulajdonságait fémek. A helyzet azonban az, hogy alapmodell volt olyan sikeres, hogy amellett, hogy a Pauli-elv vezetett meglepően jó magyarázat a kísérletileg megfigyelt tulajdonságok, mint az elektromos vezetőképességet. a hővezető fémek és mások. szabad elektron modellt siker paradox, mivel az elektronok mozognak egy fém doboz, erős ionos kristály (periodikus) potenciális. Számviteli periodicitás ható az elektronok a ion kristály kapacitás lehetővé tette, hogy azt mutatják, hogy az energia-spektrum egy sávszerkezet. és az elektron energia függvénye az impulzus (pontosabban a kristály lendület - hangsúlyozni kell, hogy az elektron mozog a kristály). Nézzük meg ezeket a gondolatokat.