1.2. Типы связей между атомами и молекулами

К главным из них относятся ионная, ковалентная, молекулярная и металлическая.

Первые два типа связи образуются за счет перераспределения электронной плотности. При этом в случае ковалентной неполярной связи валентные электроны просто обобществляются между соседними атомами (, алмаз), а в случаековалентной полярной () и, особенно,ионной () дополнительно происходит смещение электронной плотности к атому более электроотрицательного элемента (отк). Эти два типа связи направленные, т.к. каждый атом вступает в обменное взаимодействие с вполне определенным числом соседних атомов. Следствием этого является низкая пластичность и, соответственно, высокая хрупкость. К характерным свойствам также относятся высокая твердость, высокая температура плавления и сублимации, высокий модуль упругости и низкие коэффициенты сжимаемости и теплового расширения. Отсутствие свободных носителей электричества, поскольку поляризованные атомы включены в состав кристаллической решетки, а валентные электроны находятся на электронных орбитах атомов, делает кристаллы данных типов диэлектриками.

В молекулярных кристаллах преобладает связь Ван-дер-Ваальса. Она основана на взаимодействии имеющихся или образовании наведенных диполей.

Энергия связи сил Ван-дер-Ваальса невелика, поэтому молекулярные кристаллы имеют низкие температуры плавления и испарения. Например, кристаллический йод испаряется уже при комнатных температурах. Молекулярные кристаллы – диэлектрики, так как построены из электрически нейтральных атомов (молекул).

В металлическом кристалле валентные энергетические зоны атомов перекрываются, образуя общую зону со свободными подуровнями, что дает возможность валентным электронам свободно перемещаться в пределах этой зоны от атома к атому (т.н. электронный газ). Все наиболее характерные свойства металлов объясняются наличием в них легкоподвижных коллективизированных электронов проводимости. Металлическая связь в отличие от остальных типов связи ненаправленная, поэтому каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше соседних атомов. Ненаправленность связи делает возможной пластическую деформацию, поскольку при этом только меняются соседи атома по кристаллической решетке.

Энергия металлической связи несколько меньше, чем ковалентной, поэтому металлы, по сравнению с ковалентными кристаллами, имеют более низкие температуры плавления, сублимации, но более высокий коэффициент теплового расширения.

Прочность металлов в большинстве случаев высокая и особенно велика у переходных металлов, что объясняется участием в образовании связи не только - электронов, но и части электронов- подуровня. Это сказывается в повышении как прочности, так и температуры плавления.

1.3. Атомно-кристаллическая структура металлов

Кристаллическая решетка – это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы или ионы, образующие твердое кристаллическое тело. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой.

Для металлов наиболее распространены кристаллические решетки следующих типов:

• объемно – центрированная кубическая (ОЦК) – Rb, K, Na, Li, W, V, Fe, Cr, Nb;

• гранецентрированная кубическая (ГЦК) – Pt, Ni, Ag, Au, Pd, Fe, Cu и др.;

• гексагональная решетка (ГПУ) – Mg, Cd, Re, Zn, Be и др.

Менее распространены ромбоэдрическая, тетрагональная и более сложные решетки.

Кристаллические решетки характеризуются определенными параметрами.

Период решетки – расстояние между центрами двух соседних частиц в элементарной ячейке.

Координационное число – количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке.

Базис решетки – количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

Коэффициент компактности – отношение объема, занимаемого атомами, ко всему объему решетки.

Из рассмотренных схем элементарных ячеек видно, что плотность упаковки атомов в разных плоскостях и по разным направлениям в кристалле разные. Поэтому и свойства монокристалла (химические, механические) в разных направлениях будут разные, т.е. монокристалл является телом анизотропным в отличие от аморфных изотропных тел (стекло, пластмассы и др.), свойства которых не зависят от направления.

Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных монокристаллов. Поскольку в большинстве случаев кристаллиты статистически неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому, то во всех направлениях свойства поликристаллов более или менее одинаковы, т.е. поликристаллические тела являются изотропными.