ДИСКЛЕЙМЕР: АВТОР ХОТЕЛ ПРОСТО ОСВЕЖИТЬ ЗНАНИЯ ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ. АВТОР НЕ ПРЕТЕНДУЕТ НА МАТЕМАТИЧЕСКУЮ И ФИЗИЧЕСКУЮ ТОЧНОСТЬ И ГЛУБИНУ ИЗЛОЖЕНИЯ. НАПИСАНО ДЛЯ ТЕХ КТО В ТЕМЕ – СЛИШКОМ ПРОСТО И СКУЧНО, ДЛЯ ТЕХ, КТО НЕ В ТЕМЕ – СЛИШКОМ ДОЛГО И НУДНО.
Поговорим о Боге нашем? Ну ладно, не Боге, а просто о силах притяжения и отталкивания в веществе.
Силы отталкивания возникают при достаточно сближении атомов вещества. Существует минимум 2 механизма отталкивания.
Первый - квантовое отталкивание Паули. Согласно принципу Паули, два электрона в одной системе не должны находиться в одном и том же квантовом состоянии. При сближении атомов их внешние электронные оболочки начинают перекрываться, что вынуждает некоторые электроны занимать более высокие энергетические уровни. Этот процесс с поглощением энергии противодействует сближению.
Второй - электростатическое отталкивание ядер. Если отталкивание Паули преодолено, в игру вступает основной закон электростатики. Одинаково заряженные ядра, более не защищенные электронными оболочками, начинают взаимно отталкиваться. Это классическая модель физики.
Существует и третий, гораздо более экзотичный способ отталкивания, но для практического материаловедения его не имеет смысла рассматривать. В недрах нейтронных звезд сильное взаимодействие (фундаментальная сила, скрепляющая протоны и нейтроны в ядре вопреки кулоновским силам) на крайне малых расстояниях приобретает отталкивающий характер для определенных пар нуклонов. Естественно, давление, необходимое для этого, в земных условиях недостижимо.
Существует минимум 5 важных видов сил притяжения (связей между атомами). Это ионная связь, ковалентная, металлическая, также силы Ван-дер-Ваальса (взаимодействие между диполями), водородные силы. Имеются и более экзотические квантовые эффекты, такие как сила Казимира-Лифшица, но тут придется углубляться в тонкости между макро- и микромиром, а автор тупой, автору интересны прописные истины.
Ионные связи. Механизм образования - атом с низкой электроотрицательностью отдает свой валентный электрон атому с высокой электроотрицательностью. Появляются два разноименных иона, плюс и минус, которые удерживаются вместе кулоновской силой.
Таким образом, в твердом веществе с этим типом связи рядом с каждым положительным ионом находятся только отрицательные и наоборот. Связь сильная, направленная, характерна для соединений металлов с неметаллами (соли, стекло).
Ковалентная связь. Атомы обобществляют свои электроны и формируют общую электронную пару, следуя правилу 8-N, где N = число электронов внешней оболочки. Так, два атома фтора обобществляют 1 электрон, т.к у каждого из них 7 внешних электронов.
Обычно такой тип связи формируется в простых веществах, например, молекулы кислорода, фтора удерживаются между собой ими, алмаз как хрестоматийный пример. Связь направленная, сила ее зависит от природы вещества.
Металлическая связь. Атомы металлов имеют малое число валентных электронов, слабо связанных с ядром. При сближении множества атомов электроны начинают массово обобществляться, формируя "электронный газ".
Эта связь, само собой, ненаправленная, почему металлы и обладают высокой пластичностью (в отличие от кристаллов алмаза например); электроны отлично проводят тепло и являются носителями электрического заряда. Все это формирует уникальные качества металла как конструкционного материала.
Силы Ван-дер-Ваальса. Каждая молекула может и должна являться диполем. То есть, на одной молекуле на одном ее "конце" локализуется положительный заряд, а на другой - отрицательный. Соответственно, здесь возникают кулоновские телодвижения.
Есть три вида вандерваальсовых сил: ориентационные, индукционные и дисперсионные, они же лондоновские силы. С первыми все ясно - эти силы возникают в случае, если молекула вещества состоит из сильного донора и акцептора (скажем, HCl), и она является постоянным диполем по природе.
Вторые силы возникают, если на нейтральные молекулы влияет египетская (зачеркнуто) сторонняя электрическая сила от недалеко расположенного иона или сильного диполя.
Третьи - это эффект рандомного движения электронов в молекуле. В какой-то момент времени электронов на одном полюсе молекулы окажется чуть меньше, чем на другом, и получаем что? Верно, диполь. Лондоновские силы, несмотря на свою слабость, присутствуют абсолютно везде, даже у инертных газов. Вандерваальсовы силы заметны только в отсутствии прочих сил, но играют важную роль в строении полимеров.
Водородная связь возникает, когда атом водорода находится в сильно поляризованной связи с сильным окислителем вроде кислорода (на водороде возникает положительный заряд). Если такой атом "встречает" в соседней молекуле атом с большой электроотрицательностью (обычно кислород, фтор, азот), то они электростатически притягиваются, одновременно взаимодействуя и по ковалентному характеру . Такая связь возникает во многих полимерах, основное значение имеет для биологической науки, хотя конструкционные полимеры тоже многим ей обязаны.
Ну вот как-то так пока...
Автор: Алексей Миронов