Химическая связь

Строение атома

Атом– это наименьшая частица химического элемента, обладающая его свойствами.

Атом состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов и т. д. Электрон имеет массу покоя me = 9,1·10^-28г, является носителем наименьшего электрического заряда (кванта электричества)

е = 1,6·10^-19 Кл. Основные характеристики электрона, протона и нейтрона приведены в табл.1.

Таблица 1

Характеристики элементарных частиц

Характеристика	Электрон	Нейтрон	Протон
Масса покоя me		1838,5
Заряд е	–1		+1

В данном курсе рассматривается простейшая планетарная модель атома, в которой протоны и нейтроны составляют положительно заряженное ядро атома, а электроны движутся по орбитам вокруг ядра. Ядро атома и окружающие его электроны образуют устойчивую пространственную систему. Электроны могут вращаться не по произвольным, а только по строго определенным орбитам, соответствующим устойчивому состоянию атома.

Количество протонов в ядре и порядок заполнения электронами оболочек можно определить по таблице Д. И. Менделеева.

Самые ближние орбиты электронов называются основными, на них электроны могут находиться очень долго, а более удаленные – возбужденными. Здесь электрон долго находиться не может.

Электрон при поглощении фотона (кванта электромагнитного поля) может переходить с основной орбиты на более удаленную (неустойчивую, возбужденную орбиту). Но через некоторое время электрон испускает фотон и возвращается на основную устойчивую орбиту.

Каждой орбите электрона соответствует определённый уровень энергии. Совокупность уровней энергии образует энергетический спектр атома. Они несут информацию об атомной структуре вещества.

Такие газы как гелий, аргон, неон – одноатомные. Большинство веществ в природе существует в виде молекул, состоящих из нескольких атомов. В молекуле между атомами возникают различные связи.

Под химической связью понимают взаимодействие между атомами, обусловленное совместным использованием ими электронов.

Главные особенности химической связи:

1) значение полной энергии многоатомной системы меньше, чем сумма энергий несвязанных атомов, из которых она образована.

2) электронная плотность в поле связи заметно отличается от плотности электронов в не связанных атомах.

Природа химической связи определяется электрическим кулоновским взаимодействием ядер и электронов. При образовании связи электроны распределяются так, что силы, стремящиеся сблизить и оттолкнуть ядра, уравновешиваются.

Наиболее часто в молекулах встречаются следующие связи:

– ковалентная;

– ионная;

– металлическая;

– молекулярная.

Ковалентная связь возникает при обобществлении электронов двумя соседними атомами. Обобществление ведёт к формированию общей для связывающихся атомов электронной пары.

Ионная связь – тип химической связи, энергия которой определяется кулоновскими силами притяжения противоположно заряженных ионов. Признаком соединений с ионной связью является свойство разлагаться на ионы в полярных растворителях (например, в воде).

Металлическая связь характерна для металлов и приводит к образованию твёрдых кристаллических тел. Металлы можно рассматривать как системы, построенные из положительно заряженных атомных остовов в узлах решётки, находящихся в среде свободных электронов.

Молекулярная связь. Такая связь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными связями. При сближении двух молекул с ковалентной связью валентные электроны в обеих молекулах начинают вращаться согласованно, и между молекулами возникает сила притяжения. Молекулярная связь наблюдается, например, в парафине, имеющем низкую температуру плавления, свидетельствующую о непрочности этой связи. Молекулярная связь называется также связью Ван-дер-Ваальса (в честь нидерландского учёного).

ЛЕКЦИЯ №2

II. Электротехнические материалы

Классификация электротехнических материалов

Электротехнические материалы характеризуются определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю. Электротехнические материалы могут подвергаться воздействиям как отдельно электрических и магнитных полей, так и их совокупности. В данном курсе рассматривается только отдельное воздействие электрических и магнитных полей.

Электротехнические материалы в электрическом поле подразделяются на диэлектрики, проводники и полупроводники, а в магнитном поле – на сильномагнитныеислабомагнитные.

Различие между проводниками, диэлектриками и полупроводниками наиболее наглядно иллюстрируется с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердого тела, в которых по вертикали отложены значения энергий электронов на орбитах.

В энергетической диаграмме твердого тела можно различить три зоны:

1 - заполненная электронами зона;

2 - запрещенная зона шириной (значения энергии, которыми электроны в данном твердом теле обладать не могут);

3 - зона проводимости (свободная зона). Электроны, находящиеся в этой зоне обуславливают протекание электрического тока.

У диэлектрика запрещенная зона настолько велика (3,5 эВ), что свободные электроны практически не возникают и электроны в обычных условиях не наблюдается, так как энергию 3,5 эВ имеют лишь фотоны ультрафиолетового излучения, а также космических и радиоактивных лучей.

Полупроводники имеют узкую запрещенную зону (3,5 < < 0), которая может быть преодолена за счет внешних воздействий (облучение полупроводника, нагрев и т. д.) и у материала появляется проводимость.

У проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне проводимости или даже перекрывается ей (. Вследствие этого электроны из заполненной зоны свободно могут переходить на занятые уровни зоны проводимости под влиянием слабой напряженности электрического поля и вызывать протекание тока.

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. Если взять катушку и поместить в нее сердечники из разных материалов, то магнитное поле, возникающее внутри сердечника, будет усиливать или ослаблять внешнее поле в m раз. По магнитным свойствам все материалы можно разделить на две группы:

а) слабомагнитные (µ » 1);

б) сильномагнитные (µ >>1).

Слабомагнитные материалы в технике применяются редко, поэтому их рассматривать не будем. В энергетике в качестве магнитных материалов используются лишь материалы, у которых µ >>1.

Таким образом, в разделе «Электротехнические материалы» будут рассмотрены следующие группы материалов:

1. Диэлектрики.

2. Полупроводники.

3. Проводники.

4. Магнитные материалы (µ >> 1).