Новый тип химической связи?

Курамшин А.И.
(«ХиЖ», 2019, №2)

pic_2019_02_08-2.jpg

Удельная электропроводность твердых веществ с ковалентными связями (красные квадраты и ромбы), метавалентными (по терминологии Вюттига) связями (зеленые квадраты) и металлическими связями (круги)

В школьных и в вузовских учебниках описано три основных типа химической связи — ковалентная, ионная и металлическая. Тем не менее не все согласны, что любой тип связи можно свести к одному из этих трех. Для некоторых твердых веществ предлагают выделить четвертый тип — метавалентную химическую связь.

Как утверждает Маттиас Вюттиг и его соавторы из Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена, такой тип связывания можно найти в соединениях, в состав которых входят металлоиды и их соседи по Периодической системе — например, в теллуридах германия, олова и свинца. Авторы утверждают, что соединения этого типа чем-то сходны с металлами (например, у них приемлемые значения электропроводности), но при этом в них наблюдается значительная степень обобществления электронов, характерная для веществ с ковалентной связью. Вюттиг назвал такие соединения «недосформировавшимися металлами» — incipient metals — («Adv. Mater.», 2018; doi: 10.1002/adma.201803777).

В твердых веществах с атомной кристаллической решеткой, например в кристалле алмаза, атомы связаны друг с другом ковалентными химическими связями, в результате чего каждый электрон в таком кристалле находится в спаренном состоянии. На диаграмме зонной структуры, столь любимой специалистами по физике твердого тела, такому типу связывания будут соответствовать содержащая электроны валентная зона и располагающаяся выше по энергии пустая зона электропроводности. Такое электронное строение не подразумевает свободных электронов, и материал с таким электронным строением относится либо к диэлектрикам, либо к полупроводникам. Полупроводники отличаются от диэлектриков меньшим по энергии расстоянием между зонами валентности и электропроводности, что позволяет некоторым электронам, получившим достаточное количество тепловой энергии, перемещаться в зону проводимости.

В кристалле с металлической химической связью в зоне электропроводности находятся подвижные электроны, которые и обеспечивают электропроводность металла. Чаще всего металлическую связь изображают так: располагающиеся в узлах кристаллической решетки катионы металлов окружены электронным газом.

В «недометаллах» Вюттига существует конкуренция двух типов связывания — ковалентного спаривания электронов и полной делокализации, характерной для металлов. По словам Вюттига, свойства этих материалов не просто промежуточные между металлическими проводниками и полупроводниками, у них есть особенности. Во-первых, атомы в большей степени сближены друг с другом, чем обычные партнеры по ковалентной связи, но в меньшей степени, чем это предполагает плотная кристаллическая упаковка металлов. Первая попытка объяснить такое связывание строилась на модели резонансного связывания — подобное реализуется в графите, в котором происходит быстрый переход между различными ковалентными структурами. По словам Вюттига, он и его коллеги были уверены в том, что дело именно в таком резонансном связывании, но за два года исследований это предположение так и не удалось подтвердить.

Есть еще одна особенность «недометаллов»: химические связи в них разрываются не так, как это происходит в материалах с ковалентными связями. Это свойство обнаружилась еще раньше, когда Вюттиг с коллегами испарял лазером атомы с поверхности игольчатых кристаллов «недометаллов», изучая поведение отдельных связей («Adv. Mater.», 2018, 30, 1706735; doi: 10.1002/adma.201706735, полный текст). Эксперименты показали, что химические связи, например, в теллуриде германия, отличаются некоторыми ключевыми чертами, которые нельзя приписать ни металлическим, ни ковалентным взаимодействием. Например, они отличаются ангармоничностью колебаний. Также им свойственна высокая поляризуемость — электрические поля легко способны смещать электронную плотность в направлении одного из атомов участников связи.

Также все вещества, который Вюттиг отнес к «недосформировавшимся металлам», отличаются умеренной электропроводностью и высокой диэлектрической проницаемостью. Как уверяет Вюттиг с соавторами, ни свойства химических связей в этих соединениях, ни их макроскопические характеристики не могут объясняться постепенным переходом от ковалентной к металлической химической связью.

Специалист по химии материалов Джон Бакеридж, работающий в Университетском колледже Лондона, также считает, что подобные твердые вещества нельзя отнести ни к тем, в которых в чистом виде реализуется ковалентное связывание, ни к материалам с металлической связью. Тем не менее он не уверен в том, что для описания свойств этих соединений нужно вводить четвертый тип химической связи. Особенные свойства «недометаллов» можно просто объяснить взаимодействием неподеленной электронной пары одного из участников связи и р-орбиталей другого участника, не переписывая основы теории.



Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 2/2019) на с. 8 — 9.

123

Разные разности

20.05.2020 18:30:00

Вакцины – какие, сколько и на какой стадии?

Даже когда острая фаза пандемии COVID-19 закончится и меры карантина больше не будут нужны, сам вирус никуда не денется, а продолжит жить среди нас. Самый эффективный способ от него защититься – сделать вакцину.

>>
18.05.2020 19:00:00

Коронавирусы: в семье не без урода

Найдены молекулярные отличия более патогенных коронавирусов от менее патогенных. Пока не вполне ясно, как эти отличия работают. Но возможно ученые смогут понять, почему настолько похожие инфекционные агенты приводят к таким разным последствиям для человека.

>>
13.05.2020 17:00:00

…из-за снижения транспортных потоков во время пандемии коронавируса уменьшились сейсмические шумы в коре Земли; специалисты считают, что это облегчит мониторинг слабых землетрясений, вулканической активности и других сейсмических событий...

…6 марта с мыса Канаверал стартовала миссия Space X CRS-20, которая доставит на МКС 250 пробирок со стволовыми клетками человека; на протяжении месяца они будут развиваться в кости, хрящи и другие ткани в условиях невесомости...

…по мере того как на рынок выходят художественные произведения, разработанные с помощью генеративных алгоритмов и когнитивной робототехники, встает вопрос об авторском праве на них…

>>
05.05.2020 17:00:00

Смартфон может незаметно передавать секретные сведения посторонним через неучтенную разработчиками прореху на границе между столом и смартфоном. Как же это может быть? Ответ в ходе серии экспериментов получили исследователи из Вашингтонского университета.

>>
29.04.2020 17:00:00

Загадочное внезапное похолодание, случившееся на планете 13 тысяч лет назад, не устает привлекать внимание климатологов. Сейчас есть двое подозреваемых: ледниковое озеро Агассис и кометы, упавшие в Северной Америке. Теперь же, стараниями ученых из Геологической службы США, возник третий участник драмы – ледниковое озера Миссула, катастрофически опорожнившееся в Тихий океан.

>>