Химиялық байланыс және атомдық және иондық радиустар

 

Әл – Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университеті

 

 

Реферат

 

 

 

Тақырыбы: Химиялық байланыс және атомдық және иондық радиустар

 

 

 

 

 

 

 

 

Қабылдаған: Ташкеева Г.К.

Орындағандар: Оразова А.

Орын А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы қаласы, 2014 жыл

 

Жоспар:

1. Кіріспе бөлім
2. Негізгі бөлім
1. Химиялық байланыс және оның түрлері
2. Атомдық және иондық радиустар
3. Қорытынды
4. Қолданылған әдебиеттер

 

1. Кіріспе бөлім

Материалтану дегеніміз –  заттардың қасиеттері, оларды өзгерту арқылы жаңа материал алуға бағытталған, физика ғылымының барлық салаларын негізге ала, сонымен қатар химия, механика және өзіне теорияны негізге алатын басқа да ғылым салалардан құралған ғылыми білімнің бөлігі. Материалтанудың негізі – ол материалдарда болып жатқан түрлі процесстермен қатар, түрлі факторлардың әсер ететіні жайлы, олардың материал қасиетіне тигізетін өзгерістерін қарастырады.

Ал, материал – деп өзінде бар және берілген басқа заттармен әсерлесу функциясына  керекті қасиеттер жиынтығынан құралған зат болып табылады. Жаңа материалды ойлап табу үшін оның құрамындағы атомдар арасындағы байланыстармен, физика-химиялық қасиеттерін білу керек, сол себепті осы жұмыста біз байланыстардың түрлерімен қатар, оларға тән жалпы түсініктерді қарастырамыз.

 

2. Негізгі бөлім
1. Химиялық байланыс және оның түрлері

Заттағы атомдардың кеңістіктік орналасуы, оның құрылымы – материалдың көптеген қасиеттерін анықтайды. Құрылымды білу және оның өзгеруіне түрлі параметрлерді қолдану арқылы керекті материалдың өту процесстерін басқарумен қатар, қасиеттерін қолданамыз.

Заттың физика-химиялық қасиеті оның атомының электрондық құрылымына тікелей байланысты болады. Атомдардың өзара әрекеттесуі ең алдымен олардың электрондық қабықшаларының өзара әрекеттесуіне байланысты. Сол себептен, белгілі бір материалдар мен процесстердің жасалуына біз олардың электонды алуы немесе беруін нақты елестетуіміз керек, яғни элементтің қасиетіне электрондық күйдің өзгеруіне тікелей байланысты.

Барлық заттар өзара әсерлестін химиялық элементтерден тұрады. Химиялық элементтің ең құрамдас бөлігі атом болып табылады. Атом ядро және оны қоршап тұрған электрондардан құралған. Д. И. Менделеевтің химиялық элементтердің периодтық жүйесі химиялық элементтер мен атомдардың электрондық құрылысының қасиеттерінің периодты түрде орналасу байланысын көрсетеді.

Сонымен, химиялық байланыс деп – атомдардың өзара әрекеттесуі, яғни атомдарды байланыстыратын электрондық қабықшалардың құрылуы. Бұл жағдайда системадағы (молекула, кристалл, радикал, белгілі бір жиынтық) энергия төмендейді және бір электронды бұлт пайда болады. 

Химиялық байланыс пайда болған кезде валенттік электрондардың толқындық қасиеттері өзгереді. Элементар заттарда химиялық байланыстың: металдық, коваленттік (гомеополярлы) және Ван-дер-ваальстік сияқты үш түрі бар. Қосылыстар мен ерітінділерде иондық байланыс болуы мүмкін.

Ережеге сай, күрделі, қарапайым заттарда аралас (гетеродесмикалық) байланыс жүзеге асырылуы мүмкін. Байланыстың негізгі сипатына байланыс энергиясы, байланыс ұзындығы, валенттік электрондардың энергетикалық спектрі жатады.

Әртүрлі химиялық байланыстар әртүрлі кристалдық химиялық құрылымның түзілуіне алып келеді, олардың әрқайсысы өзінің, өзіне тән атомдардың (иондардың) кеңістік орналасуы, сәйкесінше өзінің базисімен, қарапайым ұяшық типімен, координациялық санмен және т.б. сипатталады. Әртүрлі химиялық байланыстар бағытталуының әртүрлі дәрежесімен (әрүрлі тығыздық бағытымен) сипатталынады. Әрбір кристалдық химиялық құрылым: кристалдық тор және кері тор  болып екі тормен сипатталынады. Кристалдық тордың өлшемділігі – ұзындық L,кері вектордың өлшемділігі - 1/L.

Молекулааралық  әсерлесу – жаңа химиялық байланыстардың пайда болуына немесе үзілуінен сақтайтын өзара әсерлесу болып табылады. Молекулалар арасында үлкен қашықтықтарда (5÷8ден 100Åге дейін) әсер ететін тартылыс күштерді Ван-дер-Вальс күштері деп аталады. Олар екі молекуланың ядролары мен электрондары арасында пайда болатын өзара кулондық күштер ретінде болады.

Коваленттік байланыс – деп молекуладағы химиялық байланысқан атомдардың электрондық тығыздығының үлкеюімен сипатталатын химиялық байланыстың түрі.

Коваленттік байланыс қатты дененің валенттік электрондары мен иондық арқауының әрекетттесу нәтижесі болып табылады. Коваленттік байланыс қарама-қарсы спинді валентті электрондар жұбымен жүзеге асады, таза заттар кезінде бұл электрондар әртүрлі атомдарға тиесілі болады. Коваленттік байланыс пайда болған кезде байланыс түзуге қатысатын валенттік электрондар орбиталары бөгеледі, бөгелу үлкен болған сайын байланыс та мықтырақ болады. Коваленттік байланыста валенттік электрондар тығыздығының анизотроптық таралуы тән. Геометриялық кеңістікте (коваленттік байланы – бағытталған байланыс). Валенттік электрондар (яғни, байланыс түзуге қатысатын элетрондар) делокализацияланған (жеке атомдарға қатысты емес), бірақ  олардың кристалдық тордың әртүрлі аймағанда болу ықтималдығы әртүрлі: максималды ықтималдық (валенттік электрондардық максималды тығыздығы) ең қысқа атомаралық қашықтықтарда байқалған.

Коваленттік байланыс қаныққан болып келеді, яғни электрондар саны екіден асатын ординарлы коваленттік байланыс бола алмайды.

Коваленттік байланыс еркін атомдардың электрондық деңгейінде пайда болатын аймақтардың бірі 0 К жағдайында толығымен бос болғанда (өткізгіш аймағы) және ол толығымен толған аймақтан (тыйым салынған аймақ) энергетикалық саңылау арқылы бөлінген болғандағы валенттік электрондардың энергетикалық спектріне алып келеді.

Иондық байланыс – бос атомға қарай электрондық тығыздықтың жылжуымен сипатталатын химиялық байланыстың түрі.

Иондық байланыс жүзеге асатын кристалдар оң және теріс зарядталған иондардан тұрады (1- сурет).

Иондық байланыс негізінен әртүрлі зарядталған иондар арасында пайда болатын электростатикалық тарту күштерімен (кулондық күштер) қамтамасыз етіледі. Бұл кезде иондар өзінің сыртқы қабықшасын тұрақты конфигурацияға дейін – периодтық жүйедегі ең жақын орналасқан инертті газдың электрондық қабықшасымен – жетпейтін электрондарды (анион) қосып алу немесе электрондарды беру (катион) арқылы тұрғызады. Ескерте кететін жайт, оң және теріс зарядтардың толығымен бөлінуі, яғни идеалды иондық байланыс, ешқашан жүзеге аспайды. Электрондардың толқындық қасиеттерінен валенттік электрондардың катион ядросына жақын орналасу ықтималдығы аз, бірақ нөлге тең болмайды. Сондықтан иондық кристаллдарда байланыс күштері зарядталған иондардың электростатикалық тартылуымен қатар валенттік электрондар электрондық орбиталарын бөгеумен де байланысты.

 

 

1-сурет. NaCl кристалының құрылымы (а) және NaCl-да электрондық тығыздықтың таралу сызбанұсқасы (ә)

 

Иондық кристалдардың атомаралық (ионаралық) арақашықтықтары, яғни олардың иондық радиустары, анион және катиондардың тартылу күштері мен олардың электрондық қабықшаларының тебілу күштерінің теңестірілуімен анықталады.

Иондық байланыстың басты ерекшелігі – иондардың поляризациялануынан туатын оның поляризациялануы. Ол ионның оң және теріс зарядтарының ауырлық центрлерінің түйіспеуінен болады. Поляризациялану диполь моментімен М сиапатталады, ол электр өрісінің кернеулігіне және Ze заряды ионының оң және теріс зарядтарының центрлерінің d дипольдік арақашықтығының көбейтіндісіне пропорционал (2-сурет):

М = α *Е = Zed,

 

мұндағы, α* – поляризациялану деп аталатын пропорционалдық коэффициенті,; Е – ионда зарядтардың ауысуы кезінде пайда болатын электр өрісінің кернеулігі.

 

 

 

 

 

 

2-сурет. Иондардың поляризациялану сызбанұсқасы: К – катион (ионның оң заряды); А – анион (ионның теріс заряды)

 

Берілген ион үшін поляризацияланудың мәні α шамасымен тұрақты болып келеді. Ион радиусы үлкен болған сайын, оның поляризациялануы жеңілірек. Сондықтан жалпы жағдайда аниондар катиондарға қарағанда күштірек поляризацияланады. Төменде осыны растайтын 1А (Li+, K+) және VIВ топшасында (О2-, Se2-, Te2-) орналасқан кейбір иондар үшін α мәні көрсетілген:

 

иондар	Li+	K+	О2-	Se2-	Te2-
α*1024	0.0075	0.087	0.312	0.84	0.96
R, нм	0,068	0,133	0,146	0,192	0,221

 

Келтірілген деректер бойынша топша шеңберінде ион радиусы өскен сайын поляризациялану мәні де жоғарылайды.

Иондық кристалдардың құрылымы, яғни олардың координациялық сандары да аниондар мен катиондарға қатысты өлшемдермен байланысты.

Құрылымның тұрақтылығы әрбір ионның қарама-қарсы таңбалы ионмен жанасуымен шартталған (3-сурет). Ион аттас және қарама-қарсы ионмен бір уақытта жанасқан кезде құрылым тұрақтылығы төмендейді. Егер де кіші ионның өлшемі жанасатын қарама-қарсы таңбалы үлкен иондардан кіші болса (поры), құрылым тұрақсыз болады және жоғарыда айтылған шарттар орындалатын жағдайға ауысады (3-сурет)

 

 

3-сурет. Иондық кристаллдардың анион (Л) мен катоинға (К) қатысты өлшемдерге тәуелді құрылымының тұрақтылығы. Құрылымның тұрақтылығы а ә б бағытында төмендейді

 

Сондықтан иондық кристаллдар үшін әртүрлі координациялық сандары бар құрылымдардың тұрақтылық шегі бар. Бұл шектердің мәні қарапайым геометриялық арақатынастан шығады. Төменде әртүрлі координациялық сандары бар құрылымдар үшін иондық радиустардың шектік мәндері көрсетілген.

 

ZK	8	6	4	3
	0,73 – 1,37	0,41 – 0,73 1,37 – 2,41	0,22 – 0,41 2,41 – 4,45	0,15 – 0,22 4,45 – 6,45

 

Иондық кристаллдар жағдайындағы кристалдық тордың энергиясы толығымен кулондық әсерлесу күштерімен анықталады (кулондық энергия немесе Маделунг энергиясы) және:

 

                             (1)

 

теңдігінен шығады. Мұндағы α – Маделунг тұрақтысы, координациялық сферадағы қарастырылатын ионға жақын орналасқан бірнеше ион байланысының кристаллдық тор энергиясын ескергендегі; N – бір молекуладағы иондар саны, ол NА санының молекуладағы иондар санына (∑m) көбейтіндісіне тең; Z1, Z2 – өзара әсерлесетін иондар валенттігі; R0 – қарастырылып отырған ионнан бірінші координациялық сферадағы ионға дейінгі арақашықтық.

Маделунг тұрақтысы иондық байланыс теориясында үлкен рөл атқарады. Оны NaCL мысалында есептеп көрейік. Есеп жүргізетін ион ретінде натрий ионын алайық (оның заряды +е-ге тең). Натрий ионы (1- суретін қараңыз) R қашықтықта орналасқан алты теріс хлор ионымен (бірінші координациялық сфера), R қашықтықта орналасқан он екі оң натрий ионымен (екінші координациялық сфера), R қашықтықта орналасқан сегіз теріс хлор ионымен (үшінші координациялық сфера), R қашықтықта орналасқан алты оң натрий ионымен (төртінші координациялық сфера), R қашықтықта орналасқан жиырма төрт теріс хлор ионымен (бесінші координациялық сфера) және т.б. байланысқан. Координациялық сфералардағы иондардың орналасуы тордың типіне байланысты екені анық. Есеп жргізілетін ион ретінде хлор Cl- ионын алғанда да дәл осындай есеп шығар еді.

Кулондық әсерлесуді ескергендегі NaС1 торындағы бір ионның байланыс энергиясы мынаған тең:

 

 

Жақша ішінде тұрған ауыспалы таңбалы қатар NаС1 үшін Маделунг тұрақтысы α болып табылады. Негізінен Маделунг тұрақтысы координациялық сфералардың құрылысын және координациялық сфералардың арақашықтығын ескереді. Маделунг тұрақтысын құрайтын қатар мүшелерінің саны кристаллдық тор құрылымымен анықталады, ал қатар қосындысы белгілі бір шамаға тең. Төменде кейбір кристалдық құрылымдар үшін Маделунг тұрақтысының мәні α мен өлшемі Σm көрсетілген.

 

Кристаллдық құрылымдар	α	Σm
Хлорлы натрий (NaCl)	1,747565	2
Корунд (Al2O3)	4,17	5
Хлорлы цезий (CsCl)	1,762675	2
Мырыш көміртегі (ZnS)	1,6381	2