Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Симметрия атомов и кристаллов

Материаловедение

- История развития

- Источники науки о материалах

- Содержание и задачи

Структура чистых материалов

- Электронная структура и периодическая система элементов

- Силы связи и основные типы твёрдых тел

- Кристаллическая структура

- Несовершенства в кристаллах

Диффузия

- Механизмы диффузии и самодиффузии

- Факторы влияния

- Коэффициенты диффузии и самодиффузии

- Макроскопическая диффузия. Закон Фика

Структура чистых материалов

Электронная структура и периодическая система элементов

Периодическая система элементов по Менделееву

- ряд с возрастанием атомного веса

- повторяемость химических свойств, валентности

- нарушение системы (Со-Ni, Ar-K, Te-J)

- разработана для 63 известных тогда элементов

- предсказаны ещё 10

Модели атома до квантовой механики

- исходные данные по поведению в электрических и магнитных полях, химическим свойствам и излучению света (линейчатый спектр), по наличию разноимённых зарядов

- модель Томсона – попытка объяснить оптические свойства на основе осциллятора с основной частотой и гармониками

- модель Резерфорда с небольшим по размеру и тяжёлым ядром и лёгкими электронам (планетарность, определение Z, ограниченная область действия кулоновских сил)

- модель Бора (постулаты стационарных квантованных состояний и частот n = (Е_n₁-E_n₂)/h, трудности с объяснением интенсивности излучения, неприменимость к многоэлектронным системам – только водород и ионизированный гелий)

Квантовая механика и квантовые числа

- дуализм квантовой механики, волновая функция, вероятность события, квантование энергии, принцип Паули

- квантовые числа

главное n = 1(К), 2 (L), 3 (M), 4 (N), 5 (O), 6 (P), 7 (Q)

орбитальное l = 0 (s),1(p), 2 (d), 3 (f), 4 (g),…,n-1

магнитное m = 0, ±1, ±2,…, ± l

спиновое m_s = ±1/2 (проекция спина на ось z)

Отсюда N_s =2, N_p= 6, N_d = 10, N_f = 14.

- порядок заполнения орбиталей

Последовательно начиная с меньшего n

снятие вырождения l - уровней у многоэлект-ронных атомов:

а) в порядке возрастания l на внешней орбитали

Б) 4s ниже 3d, 5s ниже 4d, 6s ниже 5d и 4f, 7s ниже 6d и 5f

В) внешние орбитали содержат только элект-роны s - и p – подорбиталей, которые определяют валентность

№ орби-тали	Электронная структура	Максимальное число электронов
	1s
	2s 2p
	3s 3p
	4s 4p
	5s 5p
	6s 6p
	7s 7p

Электронное строение элементов

Пе-ри-од

Эле-менты

H®He

1®2

Li®Be B®Ne

3®4 5®10

1®2

1®6

Na®Mg Al®Ar

11®12 13®18

1®2

1®6

K®Ca Sc®Ni Cu®Zn Ga®Rr

19®20 21®28 29®30 31®36

- 1®10

1®2 0,1,2 1®2

1®6

Rb®Sr Y®Pd Ag®Cd In®Xe

37®38 39®46 47®48 49®54

- 1®10

- - - -

1®2 0,1,2 1®2

1®6

Cs®Ba La Ce®Lu Hf®Pt Au®Hg Tl®Rn

55®56 58®71 72®78 79®80 81®86

- - 1®14

- 0,1 1®10

- - - - - -

1®2 0,1,2 1®2

1®6

Fr®Ra Ac Th®Lw

87®88 90®103

- - 1®14

- 1,2

1®2

Периодическая система элементов

IA 0

1 H 1.0080

IIA

IIIB

IVB

VIB

VIIB

2 He 4.003

3 Li 6.940

4 Be 9.013

IIIA IVA VA VIA VIIA VIII IB IIB

5 B 10.81

6 C 12.011 2,4

7 N 14.007

8 O 16.000

9 F 19.00

10 Ne 20.182

11 Na 22.990

12Mg 24.32

13 Al 26.98

14 Si 28.09

15 P 30.97 3,5

16 S 32.066 2,4,6

17 Cl 35.453 1,3,5

18 Ar 39.946

19 K 39.100

20 Ca 40.08

21 Sc 44.96

22 Ti 47.90 2,3,4

23 V 50.95

24 Cr 52.01 3,6

25Mn 54.94 2-4,6,7

26 Fe 55.85 2,3

27 Co 58.94 2,3

28 Ni 58.71

29 Cu 63.54 1,2

30 Zn 65.38

31 Ga 69.72 3,1,2

32 Ge 72.59 4,2

33 As 74.91 3,5

34 Se 78.96 2,4,6

35 Br 79.91

36 Kr 83.80

37 Rb 85.48

38 Sr 87.62

39 Y 88.92

40 Zr 91.22 4,2,3

41 Nb 92.91

42Mo 95.95

43 Tc

44 Ru 101.1 6,4,8

45 Rh 102.91 3,4

46 Pd 106.4 2,4

47 Ag 107.87

48 Cd 112.40

49 In 114.82 3,1,2

50 Sn 118.69 4,2

51 Sb 121.74 3,5

52 Te 127.61 2,4,6

53 I 126.91

54 Xe 131.3

55 Cs 132.91

56 Ba 137.36

57 La 138.92

72 Hf 178.6

73 TA 180.95

74 W 183.85

75 Re 186.22 6,7

76 Os 190.2 6,4,8

77 Ir 192.2 3,4

78 Pt 195.09 2,4

79 Au 197.0 1,3

80 Hg 200.6 2,1

81 Tl 204.37 1,3

82 Pb 207.2 2,4

83 Bi 209.0 3,5

84 Po

85 At

86 Rn

87 Fr

88 Ra 226.05

89 Ac

58 Ce 140,13 3,4

59 Pr 140.92 3,4

60Nd 144.24

61Pm

62Sm 150.35 2,3

63Eu 152.0 2,3

64Gd 157.25

65Tb 158.92 3,4

66Dy 162.50

67Ho 164.93

68Er 167.3

69Tu

70Yb 173.04 2,3

71Lu 174.98

90 Th 232.05

91Pa 231.1

92 U 238.07 4,5,6

93Np

94 Pu

95Am

96Cm

97Bk

98 Cf

99 Es

(NO)

Классификация элементов

- химически инертные (благородные газы) – общее число - 6

- химически активные

А) металлы – все элементы А-подгруппы (расположенные левее меди, серебра, золота)

– левый угол В-подгруппы (левее диагонали бор –йод)

– общее число - 82

Б) металлоиды – правый угол В-подгруппы, наиболее типичны – фтор, кислород,хлор

– общее число - 8

В) промежуточные – вблизи от диагонали (полу-проводники Si, Ge, Se, Te, а также H, B, C)

– общее число 7

Силы связи между атомами

Действующие силы

- гравитационные

- магнитные

- электростатические

- действие сил притяжения и отталкивания

Основные типы связи

Электроотрицательность U_э = 0,5 (U_i + U_c)

Металлы IA – 0,8-1,0 эВ

IIA – 1,2-1,5 эВ

Металлоиды VIB – 2,0-3,1 эВ

VI1B – 2,4-3,5 эВ

VIIIB – 2,5-4,0 эВ

Элементы	Полярность	Тип связи
Металлоид-металлоид	гомополярная	ковалентная
Металл-металл	гомополярная	металлическая
Металл-металлоид	гетерополярная	ионная
Инертные и двухатом-ные газы в твёрдом состоянии	гетерополярная	типа Ван-дер-Вальса

Ионная связь

- Результат притяжения разноимённых ионов, ограниченного принципом Паули

- Энергия ионной связи u = -Ae²/d + Bexp(d/r)

или u = -Ae²/d + Bd^-10,

(d – расстояние между ионами, r - характеристика сжимаемости)

u = 6 - 10 эВ (для NaCl u = 8 эВ)

- Высокие T_m, прочность, твёрдость, низкий коэффициент температурного расширения.

- Изоляторы в твёрдом состоянии.

Ковалентная

- Результат объединения электронов разных атомов с разным спином (обменное взаимодействие) в направлении получения стабильного (ns + np) - октета.

- Эффект резонанса (частичная принадлежность пары электронов двум атомам без связи с ними)

- Число единичных связей – до 8-N (кроме элементов I-III групп)

- Пространственная направленность связей

- Энергия связи от 1,6 эВ (Ge-Ge) до 7,3 эВ в алмазе.

- Высокие T_m, прочность, твёрдость.

- Изоляторы в любом состоянии.

Типа Ван-дер-Вальса

- Взаимная поляризация электронов соседних атомов.

- Присуща всем элементам, но играет роль при отсутствии иных связей.

- Слабая связь. Энергия связи порядка 0,01 эВ.

- Нет поляризации, плотная упаковка атомов.

- Изоляторы в любом состоянии.

Металлическая

- Обобщение и свобода перемещения валентных электронов в кристалле

- Энергия связи u = Ae²/W ^1/3 + B/W ^2/3 + Ce²/W,

(А, В и С – константы, W - атомный объём). Энергия u в кристаллах значительно меньше, чем у двухатомной молекулы, и может составлять десятые доли эВ на связь.

- Связь ненасыщенная, гетерополярная. Сверхплот-ные и плотные упаковки.

- Высокая электро- и теплопроводность, пластич-ность.

Кристаллическая структура

Симметрия атомов и кристаллов

- Облака у s – орбиталей сферично, у p – орбиталей вытянуты в трёх взаимно перпендикулярных направлениях.

- В твёрдом теле геометрия электронных облаков определяется и характером, числом связей.

- Элементы симметрии – трансляция, поворот, отражение, инверсия.

- Примитивная и элементарная ячейки.

Воспользуйтесь поиском по сайту: