Ковалентная связь возникает за счет обмена электронами соседних атомов.
Такой тип сил связи проявляется, например, в молекулах Н2, О2, N2, в кристаллах германия, кремния, алмаза, т.е., как правило, между одинаковыми атомами.
Рассмотрим механизм возникновения силы связи на примере молекулы водорода (рис.1.4). На большом расстоянии между атомами волновые функции электронов соседних атомов почти не перекрываются. Каждый электрон принадлежит своему атому, т.е. обмен электронами не происходит. Например, при расстоянии между ядрами. r = 50 ? один обмен электронами может состояться 1012.
Энергия такой системы равна сумме энергий изолированных атомов 2Ео. При сближении атомов волновые функции электронов перекрываются (рис.1.5), вероятность их переходов от атома к атому возрастает настолько, что теряет смысл говорить о принадлежности электрона определенном атома. Например, при ro = 2? частота переходов электронов составляет 1014 Гц. Практически пара электронов принадлежит сразу обоим атомам.
При этом происходит не простое сложение | ? | 2, а затягивание электронов в пространство между ядрами (жирная линия на рис.1.5). За пределами этого пространства плотность электронного облака уменьшается по сравнению с плотностью в изолированных атомах. Это приводит к уменьшению энергии системы и к появлению силы протягивания между атомами. Эта обобщенная электронная пара как бы стягивает ядра, пытаясь их сблизить.
Это как раз та дополнительная энергия, обусловленная перераспределением плотности электронного облака S - интеграл неортогональности учитывает изменение волновых функций под действием соседних атомов. Его величина лежит в пределах от 0 до 1; Знак + в формуле (1.5) соответствует симметричному состояния, когда спины обобщенных-ных электронов противоположны, а знак - антисимметричной состояния при параллельных спина обобщенных электронов.
Анализ формулы (1.5) показывает, что для симметричного состояния дробь всегда отрицательная и U <2Ео. Возникает сила притяжения. Для антисимметричного состояния в случае ковалентной природы силы связи | А |> | К | и поэтому U> 2Ео. Сила связи не возникает. Но следует заметить. То есть тоже возникает сила притяжения. Такой случай реализуется в ферромагнетиках при обмене электронами внутренних незаполненных оболочек и приводит к образованию областей спонтанного намагничивания (доменов).
Особенностью ковалентной силы связи является ее направленность по линии максимального перекрытия волновых функций и насыщенный характер, то есть каждый атом образует связь с определенным количеством соседних атомов. Количество создаваемых связей определяется количеством электронов, которых не хватает для полного заполнения валентной электронной оболочки. Например, для четырехвалентного германия и кремния это по четыре соседних атомов, потому что для полного заполнения требуется 8 электронов. Направленным характером связи объясняется хрупкость кристаллов, потому что пластические деформации не возникают.
Загрузка...