고형물 내 본딩

Bonding in solids

고형물은 원자 또는 분자 성분 간의 결합 특성에 따라 분류될 수 있다. 전통적인 분류는 4가지 종류의 결합을 구별한다.[1]

이러한 등급의 전형적 구성원은 독특한 전자분포, 열역학, 전자 및 기계적 특성을 가지고 있다. 특히 이러한 상호작용의 결합 에너지는 매우 다양하다. 고형물 내 결합은 혼합 또는 중간 종류일 수 있지만, 따라서 모든 고형물이 특정 등급의 일반적인 특성을 가지는 것은 아니며, 일부 고형물은 중간 형태라고 설명할 수 있다.

고형물의 기본 등급

네트워크 공동 밸류트 솔리드

참고 항목: 네트워크 솔리드

네트워크 공밸런트 고체는 공밸런트 결합 네트워크(유사한 전기성을 가진 원자 사이에 공유되는 전자의 쌍)에 의해 함께 결합되는 원자로 구성되며, 따라서 단일의 큰 분자로 간주할 수 있다. 전형적인 예로는 다이아몬드가 있다; 다른 예로는 실리콘, [3]석영, 흑연 등이 있다.

특성.

이들의 강도, 강직성, 높은 녹는점은 이들을 함께 지탱하는 공밸런스 결합의 강도와 강성의 결과물이다. 그것들은 또한 특성적으로 취약하다. 왜냐하면 공밸런트 결합의 방향성은 플라스틱 흐름과 관련된 깎는 움직임에 강하게 저항하기 때문이다. 그리고 실제로 전단 발생 시 파손되기 때문이다. 이 특성은 골절 역학 분야에서 연구된 이유들로 인해 미숙함을 초래한다. 네트워크 공밸런스 고형물은 물질의 밴드 갭에 따라 동작에서 단열재에서 반도체화까지 다양하다.

이온 고형분

표준 이온 고체는 반대 전하의 정전기적 끌어당김에 의해 이온 결합에 의해 함께 고정된 원자들로 구성된다(전자가도가 낮은 원자로부터 더 높은 원자까지 전자를 전달하는 결과). 이온 고형분 중에는 알칼리성 및 알칼리성 지금속이 할로겐과 결합하여 형성되는 화합물이 있는데, 대표적인 예가 식탁용 소금, 염화나트륨이다.

이온 고형물은 전형적으로 중간 강도와 극도로 부서지기 쉽다. 녹는점은 일반적으로 적당히 높지만, 분자 양이온과 음이온의 일부 조합은 상온보다 낮은 동결점을 가진 이온 액체를 생산한다. 모든 경우의 증기 압력은 매우 낮다. 이는 이온성 매체에서 자유 공간으로 맨 충전(또는 전하 쌍)을 이동시키는 데 필요한 큰 에너지의 결과물이다.

금속고형물

금속 고형물은 높은 밀도의 공유 전자에 의해 결합되어 금속 결합을 초래한다. 대표적인 예로 구리와 알루미늄과 같은 금속이 있지만, 일부 물질은 전자적 의미에서는 금속이지만 기계적 또는 열역학적 의미에서는 금속 접합이 미미하다(중간 형태 참조). 금속 고형물은 정의상 Fermi 수준에서 대역 간격이 없으므로 전도하고 있다.

순수 금속 접합이 있는 고형물은 특성적으로 연성이며 순수한 형태에서는 강도가 낮다. 용해점은 매우 낮을 수[inconsistent] 있다(예: 수성 234K(-39°C). 이러한 성질은 원자(및 결정 격자 안의 원자 평면)가 결합 상호작용을 방해하지 않고 서로 지나갈 수 있도록 하는 금속 접합의 비방향성 및 비극성의 결과물이다. 금속은 플라스틱 변형을 중재하는 탈구의 움직임을 방해하는 결정 결함(예를 들어 합금)을 도입함으로써 강화될 수 있다. 또한, 일부 전환 금속은 금속 접합 외에 방향 결합을 나타낸다. 이는 전단 강도를 높이고 연성을 감소시켜 공밸런트 고체의 일부 특성(아래 중간 케이스)을 전달한다.

분자 고형분자

고전적인 분자 고체는 작고 극적이지 않은 공밸런스 분자로 구성되며, 런던 분산력(반 데르 발스 힘)에 의해 함께 고정된다. 고전적인 예는 파라핀 왁스다. 이러한 힘은 약하므로 공발란트, 이온성, 금속성 결합의 순서에 따라 쌍방향 원자간 결합 에너지가 발생한다. 결합 에너지는 분자 크기와 극성이 증가함에 따라 증가하는 경향이 있다(중간 형태 참조).

작고 약한 결합 분자로 구성된 고체는 기계적으로 약하며 용해점이 낮으며, 14K(-259 °C)에서 녹는 고형 분자수소가 극단적인 경우다. 분산력의 비방향적 특성은 분자의 평면이 그들의 매력적인 상호작용을 심각하게 방해하지 않고 서로 미끄러질 수 있기 때문에 일반적으로 쉬운 플라스틱 변형을 허용한다. 분자 고형물은 전형적으로 대역 간극이 큰 절연체다.

중간종류의 고체

4가지 종류의 고형물은 6개의 쌍으로 된 중간 형태를 허용한다.

네트워크 공동 밸런트에 대한 이온성

공밸런트와 이온 결합은 연속체를 형성하며, 참여 원자의 전기성 차이가 증가함에 따라 이온성이 증가한다. 공밸런트 결합은 본질적으로 동일한 전기성을 가진 두 원자 사이의 한 쌍의 전자를 공유하는 것에 해당한다(예를 들어, 탈핵 탄화수소의 C-C와 C-H 결합). 유대감이 극성을 부릴수록 성격상 이온성이 높아진다. 금속 산화물은 이온-코발트 스펙트럼에 따라 다양하다.[4] 예를 들어, 쿼츠에 있는 Si-O 결합은 극성이지만 대부분 공밸런스하며, 혼합된 성질의 것으로 간주된다.[5]

금속과 네트워크 간 공동 값

대부분의 면에서 순수하게 공밸런스한 구조는 전자의 금속성 경색화를 지원할 수 있다; 금속성 탄소 나노튜브가 한 예다. 전이 금속과 전이 금속을 기반으로 한 전이 금속과 공밸런트 결합은 높은 전단 강도, 낮은 연성 및 높은 용융점을 야기할 [6]수 있다. 전형적인 예는 텅스텐이다.

분자 대 네트워크 공밸런트

물질은 그들의 공밸런트 결합의 중간조직 때문에 혹은 그 결합 자체가 중간 종류이기 때문에 분자와 네트워크의 공밸런트 고형분 사이에 중간일 수 있다.

공동채권의 중간조직:

공밸런트 결합의 구성과 관련하여, 위에서 언급된 바와 같이 고전적인 분자 고형분은 작은 극성이 아닌 공밸런스 분자로 이루어져 있다는 것을 상기하라. 주어진 예인 파라핀 왁스는 시리즈의 긴 체인 끝에 고밀도 폴리에틸렌을 가지고 있는, 체인 길이가 다른 탄화수소 분자 계열의 일원이다. 고밀도 폴리에틸렌은 강한 재료가 될 수 있다: 탄화수소 체인이 잘 정렬되어 있을 때, 그 결과 섬유는 강철의 강도에 필적한다. 이 재료의 공밸런트 결합은 확장된 구조를 형성하지만 연속적인 네트워크를 형성하지는 않는다. 그러나 교차연결을 통해 폴리머 네트워크는 연속적으로 될 수 있으며, 일련의 물질은 크로스연계 폴리에틸렌에서부터 견고한 보온수지에 이르기까지, 수소가 풍부한 아모르퍼스 고형분, 유리탄소, 다이아몬드 같은 탄화수소, 그리고 궁극적으로 다이아몬드 그 자체까지 광범위하다. 이 예에서 알 수 있듯이 분자와 네트워크 공밸런트 고형분 사이에는 날카로운 경계가 있을 수 없다.

중간 유형의 본딩:

광범위한 수소 결합을 가진 고체는 분자 고체로 간주될 것이지만, 강한 수소 결합은 상당한 수준의 공동 가치를 가질 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 공밸런트와 이온 결합은 공유 전자와 전송 전자 사이에 연속체를 형성하고, 공밸런트와 약한 결합은 공유 전자와 비공유 전자 사이에 연속체를 형성한다. 게다가, 분자는 극성이거나 극성 그룹을 가질 수 있고, 양전하와 음전하의 결과 영역은 상호 작용하여 이온 고형분에서와 유사한 정전기적 결합을 만들 수 있다.

분자 투 이온

이온화 집단을 가진 큰 분자는 기술적으로는 이온이지만 그 행동은 대체로 이온화되지 않은 상호작용의 결과일 수 있다. 예를 들어 스테아레이트 나트륨(전통 비누의 주성분)은 전적으로 이온으로 구성되지만 일반적인 이온 고체와 달리 부드러운 물질이다. 이온 고형물과 분자 고형물 사이에는 이온 성질이 거의 없는 연속체가 있다.

금속에서 분자까지

금속 고형물은 높은 밀도의 공유 전자, 소산 전자에 의해 결합된다. 약하게 결합되는 분자 성분은 강한 금속 결합과 양립할 수 없지만, 공유된 낮은 밀도의 분산된, 공동 결합된 분자 단위, 특히 감소된 차원 시스템에서 다양한 수준의 금속 결합과 전도성을 전달할 수 있다. 예로는 충전 환승 단지를 들 수 있다.

메탈릭 투 이온

이온 고형물을 구성하는 전하성분은 강한 금속 결합의 특징인 탈초점화된 전자의 고밀도 바다에는 존재할 수 없다. 그러나 일부 분자염은 분자 간의 이온 결합과 상당한 1차원 전도성을 모두 갖추고 있어 전도성의 축을 따라 구조 요소들 간의 금속 결합 정도를 나타낸다. 그 예로는 테트라시아풀발렌염 등이 있다.

참조

  1. ^ Maksic, Zvonimir (1990). "The Concept of the Chemical Bond in Solids". Theoretical Models of Chemical Bonding. New York: Springer-Verlag. pp. 417–452. ISBN 0-387-51553-4.
  2. ^ Mori-Sánchez, Paula; A. Martín Pendás; Víctor Luaña (2002). "A Classification of Covalent, Ionic, and Metallic Solids Based on the Electron Density". Journal of the American Chemical Society. American Chemical Society. 124 (49): 14721–14723. doi:10.1021/ja027708t. PMID 12465984.
  3. ^ 기간 3 요소의 속성. 유투브
  4. ^ Lenglet, M. (2004). "Iono-Covalent Character of the Metal–Oxygen Bonds in Oxides: A Comparison of Experimental and Theoretical Data". Active and Passive Electronic Components. 27: 1–60. doi:10.1080/0882751031000116142.
  5. ^ Belashchenko, D.K; Ostrovski, O.I (2001). "Molecular dynamics simulation of oxides with ionic–covalent bonds". Thermochimica Acta. 372 (1–2): 143–152. doi:10.1016/S0040-6031(01)00452-X.
  6. ^ Nguyenmanh, D; Vitek, V; Horsfield, A (2007). "Environmental dependence of bonding: A challenge for modelling of intermetallics and fusion materials". Progress in Materials Science. 52 (2–3): 255. doi:10.1016/j.pmatsci.2006.10.010.

외부 링크

참고 항목