2.6.2. Интерметаллические соединения.

Сплавляемые металлы могут образовывать между собой химические соединения – интерметаллиды. Например, в бронзе – сплаве на основе Cu и Sn, содержащем также Al, Be, Pb, присутствует интерметаллическое соединение состава Cu₃Sn. В латуни – сплаве на основе Cu и Zn, содержащем также Al, Fe, Mn - интерметаллид CuZn₃. Важнейшей составной частью стали является карбид железа Fe₃C (цементит). Состав интерметалидов обычно не отвечает стехиометрической валентности элементов. Интерметаллиды – это нестехиометрические соединения, составляющие обширный класс неорганических веществ. Формулы этих соединений указывают лишь на то, что для кристаллических решеток характерно определенное соотношение компонентов, например в Fe₃C на каждые три атома железа приходится один атом углерода.

В противоположность твердым растворам интерметаллические соединения, как правило, имеют сложную кристаллическую структуру, отличную от структур исходных металлов. Свойства интерметаллидов также существенно отличаются от свойств исходных компонентов (таблица 6). Так, в обычных условиях интерметаллиды уступают чистым металлам по электрической проводимости и теплопроводности, но превосходят их по твердости и температуре плавления. Например:

Таблица 6. Сравнение свойств интерметаллида и металлов.

Свойство	Mg	β - Sn	Mg2Sn
Т. пл., оС	650	232	778
Электрическая проводимость*	21	8	0,1
Ширина запрещенной зоны, эВ	-	-	0,34

* - электрическая проводимость ртути принята за единицу

Все это показывает, что интерметаллиды можно рассматривать как соединения со смешанной межатомной связью (металлической, ковалентной и ионной). При этом в разных интерметаллидах относительная доля того, или иного типа связи, меняется в широких пределах.

При преимущественном проявлении металлической связи состав интерметаллидов и их структуру можно определить исходя из значений электронных концентраций. Так, для ряда интерметаллидов с кубической объемно центрированной структурой электронная концентрация равна 1,5, с гексагональной структурой — 1,75.

В качестве примера рассмотрим, при каких сочетаниях числа атомов меди и цинка возникает интерметаллид с объемно центрированной кубической или гексагональной структурой.

Поскольку медь (4s¹) имеет один внешний, а цинк (4s²) два внешних валентных электрона, электронная концентрация 1,5 возможна лишь для соединения среднего состава CuZn (т. е. когда на два атома приходится три валентных электрона). Электронная концентрация 1,75 возникает при составе интерметаллида CuZn₃ (на четыре атома приходится семь валентных электронов).

Таким же образом можно показать, что объемно центрированную решетку имеют соединения состава AgZn, AgMg, Cu₃Al, Cu₅Sn, а гексагональную решетку — Ag₅Cl₃, Ag₁₃Sb₃, Cd₃Li, Cu₃Si.

Однако для большинства интерметаллических соединений, в особенности для d-элементов, закономерности более сложны и теоретически предсказать изложенным способом их состав и структуру невозможно.

Рис. 17. Кристаллическая решетка Cu₃Au (а) и взаимная

координация атомов в кристалле (б)

Сведения о составе и структуре интерметаллидов обычно получают экспериментально. На рис. 17, а показана кристаллическая решетка Cu₃Au. Атомы золота занимают вершины куба, а атомы меди располагаются в центре граней. Следовательно, каждый атом золота находится в координации с 12 атомами меди, а каждый атом меди — с 4 атомами золота (рис. 17, б), что отвечает средней формуле Cu₃Au.

Разнообразие типов химической связи и кристаллических структур обусловливает у интерметаллических соединений широкий спектр физико-химических, электрических, магнитных, механических и других свойств. Так, их электрические свойства могут иногда изменяться от сверхпроводимости в жидком гелии до полупроводимости при обычных условиях.

Своеобразны механические свойства интерметаллидов, весьма чувствительные к воздействию температур. При обычных условиях большинство из них очень твердые и хрупкие. При температуре же, составляющей 70—90% от их температуры плавления, интерметаллиды ведут себя как пластичные тела. Основная причина этого — возрастание доли металлической связи при нагревании.

Многие интерметаллические соединения отличаются высокой теплотой образования и химической стойкостью.

Интерметаллиды в воде не растворяются, но некоторые из них (подобно некоторым металлам) способны растворяться в неводных растворителях, в частности в жидком аммиаке. При взаимодействии металлов в неводных растворителях, например в жидком аммиаке, получаются интерметаллиды:

4Na + 9Pb = Na₄Pb₉ (зеленый раствор)

3Na + 7Sb = Na₃Sb₇ (красный раствор)

3Na + 7Bi = Na₃Bi₇ (коричневый раствор)

В неводных растворителях они ведут себя как электролиты, то есть при растворении дают ионы, вступают в реакции обмена:

2Ca(NO₃)₂ + K₄Pb = Ca₂Pb + 4KNO₃

4Zn(CN)₂ + 10Na = 2NaZn₄ + 8NaCN

При электролизе растворов или расплавов интерметаллидов относительно более электроотрицательный металл выделяется на аноде, а более электроположительный — на катоде. Например, при электролизе аммиачного раствора Na₄Pb₉ на катоде выделяется натрий, на аноде — свинец. При электролизе расплава KNa₂ калий выделяется на катоде, натрий — на аноде.