Элементы физики твердого тела. Кристаллические и аморфные вещества. Кристаллическая решетка. (Лекция 9) презентация

Кристаллическая решетка.
Виды межатомных связей в твердых телах.

тел, их атомно-электронной структуры, установление зависимости между составом и структурой и физическими свойствами.

Основные виды твёрдых тел. Кристаллы

Существуют два вида твёрдых веществ, отличающиеся структурой: кристаллические и аморфные.

Аморфные тела не имеют упорядоченной структуры и их можно рассматривать как жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости.

Кристаллические вещества - твёрдые тела, в которых атомы расположены упорядоченно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решётку.

строго определённых точках пространства. Точки размещения частиц - узлы решётки.

Элементы физики твёрдого тела

Ион Cl -

Ион Na +

Примеры кристаллических решеток:

а). Поваренная соль. В узлах - ионы хлора и натрия.

б). Металлы. В узлах - ионы металла.

Изучает кристаллы прикладная наука - кристаллография.

в). Алмаз.

единица, содержащая как один, так и несколько атомов.

Строение элементарной ячейки определяет многие свойства кристалла: электрические, магнитные, механические.

Ячейку выбирают. Принцип выбора: наиболее простая форма (наибольшее число прямых углов), минимальный объем.

Элементы физики твёрдого тела

объемно-центрированная кубическая решетка α-железа

Элементарная ячейка

нужно как-то характеризовать (описывать).

Для полного описания структуры кристалла необходимо дополнительно задать пространственную решетку и базис.

Элементы физики твёрдого тела

Эти параметры содержатся во всех справочниках по структуре веществ

b, c различают 7 кристаллических систем.

Простейшие это кубические системы (a = b = c и α = β = γ).

Объёмно-центрированная

Простая

Гране-центрированная

Период кристаллической решётки (длина ребра элементарной ячейки решётки) a, b, c составляет порядка единиц ангстрем (∼ 10-10 м).

Понятие о кристаллической решётке.

Элементы физики твёрдого тела

Для обозначения узлов, направлений и плоскостей кристаллов используются индексы Миллера - изучить самостоятельно!

заставляет объединяться и формировать разные типы кристаллической решетки электростатическая энергия взаимодействия зарядов.

По характеру связи атомов выделяют 5 типов кристаллов:
ионные кристаллы,
ковалентные кристаллы,
металлические кристаллы,
Ван-дер-Ваальсовы (молекулярные) кристаллы,
молекулярные кристаллы с водородными связями.

Деление условное, существуют кристаллы со смешанным характером связей (переходные).

Fr) и галоиды (F, Cl, Br, I, At – астат).

Cl -

Na +

Cl

Na

=

+

Атом металла превращается в положительный ион, а атом галоида в отрицательный ион. Ионы взаимодействуют друг с другом по закону Кулона, как два разноимённых заряда.

Элементы физики твёрдого тела

Формируются под влиянием электростатического взаимодействия разноименно или одноименно заряженных ионов.

Ионные кристаллы по физическим свойствам являются изоляторами. По оптическим свойствам чистые кристаллы прозрачны в широком спектральном диапазоне.

поваренная соль.

три имеют решётку типа алмаза).

За счет перекрытия электронных облаков между атомами образуется сгусток отрицательного заряда, который стягивает два атома.

Типичный ковалентный кристалл - алмаз. Кристаллическая решетка алмаза - гранецентрированная кубическая решетка с четырьмя дополнительными частицами. В такой решетке каждый атом окружен четырьмя соседями, расположенными симметрично по углам тетраэдра относительно него.

Ковалентная связь (атомная связь) - химическая связь, образованная перекрытием (обобществлением) пары валентных электронных облаков.

остовами. Эти электроны образуют отрицательно заряженное облако, в котором находятся ионы металла.

Элементы физики твёрдого тела

Взаимодействие этих ионов друг с другом и с электронным облаком ведет к упорядоченному расположению ионов в металле. 

Электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; иначе 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.

кристаллы. Силы обусловлены поляризацией атомов при сближении друг с другом.

до сближения

после сближения

Образуются из электрически нейтральных атомов за счет диполь - дипольного взаимодействия между ними.

Связь Ван-дер-Ваальса наиболее универсальна. Возникает между любыми частицами, но это наиболее слабая связь, энергия ее примерно на два порядка ниже энергии ионной и ковалентной связи.

водорода может быть связан прочно с двумя другими атомами. Один из атомов забирает себе электрон водорода, превращая его в протон, которому иногда энергетически выгоднее оказаться между двумя отрицательно заряженными ионами, чем быть связанным только с одним из атомов.

Разновидность молекулярной связи (связи Ван-дер-Ваальса) - водородная связь.

Пример: H2, N2, O2, CO2, H2O.

Наибольшее значимыми являются те водородные связи, которые образуются между двумя электроотрицательными атомами, в особенности между атомами N, O, F.

-

-

F

O

H

+