1.10. Химические соединения.

Химическое соединение – совокупность химически связанных атомов двух или более элементов Периодической системы, количественно относящихся между собой как простые целые числа и образующие присущую для соединения кристаллическую структуру.

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах и неметаллических материалах многообразны. Характерные особенности химических соединений, образованных по закону нормальной валентности, имеют следующие признаки:

1. Кристаллическая структура химических соединений отличается от структуры компонентов, образующих соединение.

2. Состав химических соединений соответствует закону Д. Дальтона. Количество атомов химических элементов входящих в состав соединения относятся между собой как простые целые числа. Это позволяет выразить состав соединений простыми формулами типа А_nВ_m, где А и В – соответствующие элементы; n и m – простые числа.

3. Свойства соединения отличаются от свойств образующих его компонентов.

4. В условиях, обеспечивающих постоянство состава соединений, они плавятся или разлагаются при постоянной температуре.

5. Образование химического соединения сопровождается тепловым эффектом.

В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между химическими элементами, имеющими различия в электронном строении атомов, их характеристиках, кристаллических структурах.

В качестве примера типичных химических соединений с нормальной валентностью можно указать на соединения магния с элементами IV – VI групп периодической системы: Mg₂Sn, Mg₂Pb, Mg₂P, Mg₃Sb, Mg₃Bi₂, MgS.

Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов, или интерметаллических соединений.

Металлическая химическая связь и металлические свойства проявляются и у соединения металлов с неметаллами в таких соединениях как нитриды, карбиды, гидриды, сульфиды. Например, соединение LaS имеет свойства во многом подобные свойствам металлов первой группы периодической системы элементов.

Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличается по некоторым особенностям от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного состава. К ним относятся так называемые фазы внедрения, электронные соединения и фазы Лавеса.

Фазы внедрения. Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Мо и др.) образуют с углеродом, азотом, бором и водородом фазы внедрения карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Основным фактором, вызывающим образование фаз внедрения, является соотношение радиусов металла и неметалла. Атомный радиус неметалла должен быть заметно меньше. Фазы внедрения имеют формулы М₄Х (Fe₄N, Mn₄N и др.), М₂Х (W₂C, Mo₂C, Fe₂N и др.), MX (WC, VC, TiC, NbC, TiN, VN и др.). Вместе с тем фазы внедрения являются фазами переменного состава и образуют области гомогенности. Следует отметить, что рассмотренные выше твердые растворы внедрения образуются при значительно меньшей концентрации второго компонента (С, N, Н) и имеют решетку металла растворителя, тогда как фазы внедрения имеют кристаллическую структуру, отличную от структуры металлов. Карбиды и нитриды, относящиеся к фазам внедрения, обладают высокой твердостью, что определяет их практическое применение.

Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (R_x) и металла (R_M).-Если R_x/R_м < 0.59, то атомы неметалла внедряются в структурные вакансии кристаллической структуры металлов типа кубической (К8, К12) или гексагональной (Г 12).

Если R_x/R_м > 0.59 как это наблюдается для карбида железа, марганца и хрома, то образуются соединения с другими кристаллическими структурами, чем структура исходного металла. Данные карбиды являются химическими соединениями и их нельзя считать фазами внедрения.

На базе фаз внедрения образуются твердые растворы вычитания, для которых характерна дефектность кристаллической структуры. В твердых растворах вычитания часть узлов кристаллической решетки, которые должны быть заняты атомами одного из элементов, оказываются свободными. Растворы вычитания образуются, например, в карбидах VC, TiC, ZrC, NbC.

Электронные соединения. Эти соединения чаще образуются между одновалентными (Cu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Fe, Mn, Co и др.), с одной стороны, и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.), с другой стороны. Соединения этого типа имеют определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов, т. е. определенную электронную концентрацию. Так, существуют соединения, у которых это отношение в одних случаях равно 3/2 (1,5); в других —21/13 (1,62), в третьих — 7/4 (1,75). Каждому из указанных соотношений соответствуют и определенные типы кристаллической структуры.

Соединения, с электронной концентрацией, равной 3/2, имеют кубическую объемно-центрированную или гексагональную структуры и обозначаются как β - соединения. К соединениям этого типа относятся CuBe, CuZn, Cu₃Al, Cu₅Sn, CoAl, FeAl.

Соединения с электронной концентрацией 21/13 имеют сложную структуру и обозначаются как γ - фаза. К ним относятся соединения Cu₅Zn₈, Cu₅Cd₈, Fe₅Zn₂₁, Co₅Zn₂₁.

Соединения с электронной концентрацией 7/4 имеют плотноупакованную гексагональную структуру и обозначаются ε - фазой. К ним относятся соединения CuZn₃, CuCd₃, Cu₃Si, Cu₃Sn, Au₃Sn и др.

Электронные соединения подобно обычным химическим соединениям имеют кристаллическую структуру, отличную от структур образующих их компонентов. Вместе с тем проявляется кристаллохимическое родство структур, что определяет образование твёрдых растворов между электронными соединениями и их компонентами в широком интервале концентраций.

Фазы Лавеса. Эти фазы имеют формулу АВ₂ и образуются между компонентами типа A и B при отношении атомных диаметров D_A/D_B ~ 1,2 (чаще 1,1—1,6). Фазы Лавеса имеют плотноупакованную гексагональную кристаллическую структуру (MgZn₂ и MgNi₂) или гранецентрированную кубическую (MgCu₂). Соотношение диаметров элементов обеспечивает формирование большими по размеру атомами кубической или гексагональной упаковки, в структурных пустотах которой располагаются меньшие по размеру атомы. К фазам Лавеса относятся фазы AgBe₂, СаАl₂, TiBe₂, TiCr₂ и др. (тип MgCu₂) или BaMg₂, MoBe₂, TiMn₂ и др. (тип MgZn₂).