Materiale Electrotehnice

1. NOŢIUNI ELEMENTARE DE STRUCTURĂ A CORPURILOR

1.1. Forţe de legătură chimică

Corpurile sunt constituite din particule elementare care pot fi : atomi, ioni sau molecule. Când aceste particule structurale sunt apropiate la distanţe suficient de mici între ele apar forţe de interacţiune, denumite şi forţe de legătură chimică. În funcţie de valoarea energiei de coeziune şi de natura particulelor, acestea se împart în două clase fundamentale de forţe sau legături:

- primare sau interatomice, care sunt puternice şi se realizează între atomi sau ioni (atomi care au cedat sau primit electroni) şi din această clasă fac parte: legătura ionică, legătura covalentă şi legătura metalică;

- secundare sau intermoleculare, care sunt slabe şi se exercită între molecule şi din această clasă fac parte: legătura van der Waals şi cea de hidrogen.

A. Legătura ionică este cea care se stabileşte între ioni având sarcini de semn contrar.

Fig. 1.1. Formarea legăturii ionice în cristalul de NaCl

Se cunoaşte că elementele chimice zerovalente (gazele inerte: He, Ne, Ar, Kr, Xe), care sunt cele mai stabile elemente, se caracterizează prin prezenţa a opt electroni în ultimul strat electronic, cu excepţia heliului care are numai doi electroni. Această constatare este în acord cu regula octetului care spune că: în combinaţiile chimice care au la bază legături ionice, intervin astfel de atomi încât, unul cedează iar altul primeşte electroni, astfel ca ionii care rezultă să aibă fiecare câte opt electroni pe ultimul strat. De exemplu, formarea legăturii ionice în cristalul de NaCl este ilustrată în figura 1.1. Atomul de sodiu, cu numărul de ordine 11, are un electron pe ultimul strat electronic pe care îl cedează atomului de clor (cu numărul de ordine 17) care are 7 electroni în ultimul strat, ionii astfel formaţi (Na+ şi Cl-) au câte 8 electroni pe ultimul strat.

Forţa de legătură ionică este, în principal, de natură electrostatică şi se exercită între cei doi ioni cu sarcini de semn contrar. Energia de coeziune se determină considerând forţele electrostatice şi cele de natură neelectrostatică (de schimb) datorate suprapunerii parţiale a straturilor electronice.

Această legătură este caracteristică unor combinaţii ale metalelor alcaline cu halogenii, combinaţii care în stare solidă formează cristalele de tip ionic.

Principalele caracteristici ale cristalelor ionice sunt:

- energia de coeziune de valoare ridicată - ceea ce conferă acestor corpuri duritate mare şi punct de topire ridicat;

- conducţia electronică slabă (electronii fiind puternic legaţi de ioni) - astfel că în stare solidă cristalele ionice sunt izolanţi electrici, dar în stare lichidă sunt electroliţi, deci conductori de gradul II (cu conducţie ionică);

- permitivitatea dielectrică mare (până la 100) - datorită momentelor dipolare formate. Prezintă polarizaţie ionică alături de cea electronică (prezentă în toate corpurile) şi caracteristicile dielectrice (r, tg) variază puţin cu frecvenţa şi temperatura;

- se dizolvă, adesea, în apă.

B. Legătura covalentă se mai numeşte şi homopolară deoarece se stabileşte de obicei între atomi de acelaşi fel; denumirea de covalentă provine de la faptul că la realizarea ei participă, în primul rând, electronii de valenţă.

De regulă, legătura covalentă se realizează prin punerea în comun a doi sau mai mulţi electroni de valenţă ai atomilor între care se exercită legătura astfel încât să se formeze un octet, deci o configuraţie stabilă de gaz inert. Electronii puşi în comun formează perechi, numite compensate pentru că ei au spinii antiparaleli (în această situaţie energia sistemului de atomi fiind minimă).

În cazul moleculei de hidrogen, cei doi atomi îşi pun în comun electronii care formează o pereche compensată ce aparţine, în medie, tot atâta timp fiecăruia dintre atomi. În modelul orbitalilor atomici, la realizarea legăturii covalente orbitalii celor doi atomi se suprapun parţial (fig. 1.2,a), electronii găsindu-se în cea mai mare parte a perioadei de rotaţie în regiunea haşurată din figură, regiune rezultată din această suprapunere. De aici, ei exercită forţe de atracţie electrostatică asupra nucleelor pozitive, realizând legătura de tip covalent.

a b

c

Fig. 1.2. Formarea legăturii covalente: a - cu electroni în starea s; b - cu un electron în starea s şi unul în starea p; c - cu electroni în starea p

Legătura covalentă din molecula de hidrogen poate fi reprezentată simbolic în modul următor: H:H sau H - H. În afara legăturii simple prezentate, se întâlnesc şi legături duble CH2 = CH2 sau triple N N, când atomii îşi pun în comun patru, respectiv şase electroni.

În figurile 1.2,b şi 1.2,c sunt reprezentate legături realizate între un electron în starea s şi unul în starea p, respectiv între doi electroni în starea p. Rezultă că legăturile realizate între electroni în starea p sunt rigide, cu direcţiile de legătură fixe.

Dacă atomii nu sunt identici, se formează dipoli electrici de momente electrice , a căror sumă raportată la moleculă poate fi nulă (fig. 1.3,a) - molecula rezultată fiind nepolară ( = 0) - sau nenulă (fig. 1.3,b) - molecula rezultată fiind – în acest caz - polară, cu moment electric spontan sau permanent (0).

a. b.

Fig. 1.3. Structura unei molecule cu legătură covalentă: a - nepolară; b - polară (H2O)

Cauza formării dipolilor electrici este electronegativitatea (”aviditatea” de electron) diferită a atomilor, astfel că electronii puşi în comun orbitează un timp mai îndelungat în jurul.