Часть 1. Современные представления о строении различных групп материалов

Глава 1. Основные различия в свойствах групп материалов

1. Типы химической и физической связей в материалах

Материалы – обязательный и неотъемлемый объект не только техники, но и истории развития человечества. Материалы – это сложные или простые вещества, их смеси, гетерогенные композиции природного или искусственного происхождения, используемые или пригодные к использованию для решения практических задач. Материал в технике – твердое вещество, которое способно сохранять форму и размеры и имеющее модуль сдвига, не равный нулю.

Все материалы имеют специфические физико-химические, технологические свойства и структуру.

Основной причиной различия в свойствах веществ является тип химической связи между составляющими вещество элементарными частицами. Химические связи, образованные путем обобществления электронов между атомами, называются первичными связями. Форма валентных состояний и размещение валентных электронов в энергетических зонах определяют три основные предельные типы связей: металлическую, ковалентную и ионную.

Основное различие между типами химической связи состоит в том, что валентная зона может быть заполнена полностью или частично. В первом случае имеет место локализация электронов на ядрах (заняты все уровни валентной зоны), во втором – их делокализация в объеме вещества. Для всех типов химической связи характерно различное межатомное взаимодействие.

Ковалентная связь осуществляется путем обобществления валентных электронов двух соседних атомов, в результате чего достраивается валентная зона обоих атомов. Такая электронная пара принадлежит одновременно двум атомам, причем оба имеют конфигурацию благородного газа (полностью заполненная валентная зона) (рис. 1.1, а).

Локализация электронов на атомных остовах создает резко направленный характер связи. Примерами веществ с ковалентной связью являются: элементы – углерод (С), кремний (Si), германий (Ge); xимические соединения – карбид кремния (SiC), нитрид алюминия (AlN), а также некоторые интерметаллические соединения.

а

б

в

Рис. 1.1. Схематическое изображение различных типов химической связи

В материалах:

а – ковалентная, б – ионная, в – металлическая

Ионная связь характерна для химических соединений, состоящих из атомов с различной валентностью. При ионной связи происходит передача электронов одного атома к другому. В результате атомы, отдавшие электроны, превращаются в электроположительные ионы (катионы), а атомы, присоединившие электроны, – в электроотрицательные (анионы) (рис. 1.2, б). Химическая связь в таких соединениях осуществляется за счет электростатического притяжения между разноименно заряженными ионами. Перераспределение электронов при ионной связи приводит к созданию нового вещества со стабильной электронной структурой (конфигурация благородного газа). Примером ионного соединения является сульфид магния (MgS): магний отдает два электрона и становится положительным ионом – Mg ⁺² , а сера достраивает свою оболочку двумя этими электронами до S^–2. К ионным соединения относятся различные оксиды общего состава Ме_xO_y.

Металлическая связь имеет место в веществах, в которых валентная зона заполнена только частично, при этом электроны атомов обобществлены в объеме всего вещества (рис. 1.1, в). Так как электроны не локализованы на ядрах, то связь является не направленной.

Металлические свойства присущи всем металлам и сплавам, а также частично и некоторым соединениям, например, интерметаллическим.

Ковалентная, ионная и металлическая связь характерна в основном для кристаллических веществ с периодическим объемным расположением атомов. В кристаллах возможен также молекулярный тип связи. Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса) имеет в большей степени физическую природу, а не химическую, так как тип взаимодействия не связан с обменом электронами, а обусловлен дипольным взаимодействием атомов.

Молекулярными являются кристаллы, которые образованы частицами со стабильным электронным строением (атомы с полностью достроенной электронной оболочкой, молекулы с насыщенными связями). В кристалле при сближении атомов (молекул) поле электронов, движущихся вокруг ядра одного атома, влияет на электроны вокруг ядра соседнего атома. При сближении возникает мгновенный поляризационный эффект: силы притяжения обеспечивают взаимодействие, например, между атомами благородных газов.