Fizyka - Mechaniczne i termodynamiczne właściwości ciał 4a

 

      Atomy (cząsteczki ) tworzące ciało stałe oddziałują ze sobą tak, że tworzą sztywną strukturę. Siły istniejące między nimi mają tę własność, że na dużych odległościach są przyciągające, zaś na małych - odpychające. Wskutek tego odległości między atomami ustalają się tak, że atomy przyjmują położenia równowagowe. Oznacza to, że energia potencjalna V każdego atomu osiąga w tych punktach wartość minimalną. Jej wykres dla układu dwóch atomów przedstawiony jest na rysunku, na którym r oznacza odległość jednego atomu względem drugiego.

      Oddziaływania między atomami lub cząsteczkami mogą być różnego pochodzenia, zależnie od rodzaju atomów (cząsteczek), czyli od rodzaju pierwiastka (związku chemicznego). Siły wiązania można podzielić na pięć grup: jonowe, kowalencyjne, metaliczne, wodorowe i van der Waalsa.
 

 

      Wiązanie jonowe powstaje wskutek elektrycznego przyciągania się jonów o różnych znakach. Przykładem ciała o takim wiązaniu jest sól kuchenna: NaCl. Każdy jon chloru Cl^- otoczony jest sześcioma jonami sodu Na⁺  i na odwrót.

Układ taki jest stabilny, gdyż siły przyciągania przeważają nad siłami odpychania. Przykłady innych substancji o wiązaniu jonowym: LiF, KBr, CaO, MgO, SrS itp.
 

 

 

      Wiązanie kowalencyjne powstaje w wyniku uwspólnienia elektronów zewnętrznych (walencyjnych) sąsiadujących atomów. Jest to podstawowe wiązanie w chemii, któremu zawdzięczamy istnienie prawie wszystkich cząsteczek organicznych., a także nieorganicznych cząsteczek złożonych z jednakowych atomów lub ich zespołów. Przykładem ciała stałego o tym wiązaniu jest węgiel. Każdy jego atom posiada cztery elektrony walencyjne, które uwspólnia z czterema atomami sąsiednimi (po jednym elektronie z każdym sąsiadem). Pary uwspólnionych elektronów tworzą cztery wiązania kowalencyjne.

W ten sposób powstaje silnie związana struktura, której kształt geometryczny zależy od rodzaju atomów.
 

 

      Wiązanie metaliczne występuje w substancjach zaliczanych do metali. Ich cechą charakterystyczną jest występowanie swobodnych elektronów, które mogą się przemieszczać wzdłuż całej objętości ciała. Chmura elektronowa stanowi rodzaj ujemnie naładowanego ośrodka ciągłego, w którym umieszczone są jony dodatnie. Jony te stanowią sztywny szkielet kryształu. Oddziaływanie chmury elektronowej ze zlokalizowanymi jonami ma charakter przyciągający; utrzymuje ono cały układ w równowadze trwałej.
 

 

 

      Wiązanie van der Waalsa, zwane też molekularnym, występuje w tych substancjach, których cząsteczki posiadają trwałe momenty dipolowe elektryczne. Oznacza to, że środek elektronowego ładunku ujemnego nie pokrywa się w nich ze środkiem ładunku dodatniego jądra - cząsteczka taka nie jest symetryczna, jak to ilustruje rysunek.

      Najpospolitszym przykładem substancji złożonej z cząsteczek polarnych jest woda. Po skrzepnięciu tworzy ona strukturę stałą - lód. Cząsteczki H₂O oddziałują ze sobą elektrostatycznie tak, że przy odpowiednim ustawieniu przyciągają się.

      Cząsteczki wielu związków organicznych (np. metanu CH₄), a także atomy gazów szlachetnych nie posiadają trwałego momentu dipolowego, ale po zbliżeniu ulegają deformacji tak, że indukują się w nich chwilowe momenty dipolowe. Oddziaływanie między nimi również ma charakter przyciągający, aczkolwiek siły tego wiązania są słabe. Świadczą o tym niskie temperatury topnienia tych substancji.

      Siły van der Waalsa odgrywają istotną rolę w tworzeniu się struktur przestrzennych makrocząsteczek (kwasów nukleinowych, białek), warunkując różne połączenia boczne wzdłuż głównej linii cząsteczki.

Wiązania wodorowe polegają na tworzeniu się mostków protonowych (wodorowych) między atomami. Występuje głównie w substancjach organicznych.

      Miarą siły wiązania jest temperatura topnienia danej substancji. Im wiązanie silniejsze, tym temperatura ta jest wyższa. Wiązania jonowe, kowalencyjne i metaliczne są znacznie silniejsze od molekularnych i wodorowych.