1.1.5. Типы связи между частицами в твердых телах

Для понимания свойств материалов и умения управлять ими необходимо разобраться в том, какие силы удерживают частицы вещества в твердых телах (кристаллах). Связь имеет электрическую природу, но проявляется она в разных кристаллах по-разному. Различают следующие основные типы связей: ионную, ковалентную, полярную, металлическую. Соответственно имеется четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, полярные и металлические.

Тип связи сильно влияет на механические свойства материала. В первую очередь на то, как проявляет себя материал при воздействии внешней нагрузки: будет ли он деформироваться или в процессе роста нагрузки разрушится хрупко (без предварительной деформации).

Кристаллы с ионной связью.

Такие кристаллы (например, NaCl) состоят из разноименно заряженных ионов (Na+ С1-), которые образуются в результате перехода электронов от атомов одного типа (Na) к атомам другого типа (Сl). Расстояние между центрами ионов в кристалле определяется уравновешиванием сил притяжения между анионами и катионами и сил отталкивания их электронных оболочек. Кристаллы с ионной связью хрупки.

Кристаллы с ковалентным типом связи (атомные кристаллы).

Этот тип связи осуществляется обобществлением валентных электронов соседних атомов. Типичным телом с такой связью является алмаз, состоящий из атомов углерода с электронным строением 1s22s22p2. Связь между соседними атомами осуществляется парами валентных электронов, находящихся на общей для них связывающей орбите. Это создает в межатомном пространстве резко выраженную локализацию электронов в направлениях, являющихся кратчайшими для двух соседних атомов, — образуются «электронные мостики». Электронная плотность в межатомном пространстве вне «мостиков» очень мала. При образовании ковалентной связи каждый атом достраивает свою валентную оболочку до восьми электронов за счет обобществления электронов ближайших соседних атомов. На рис. 1.5, а показано пространственное расположение атомов в кристалле алмаза, а на рис. 1.5, б— схема обобществления валентных электронов атомов углерода в кристалле алмаза.

Так как ковалентная связь создается взаимодействием валентных электронов, кристаллы, атомы которых связаны такой связью, называют иногда валентными.

Валентными являются также кристаллы элементов V, VI и VII В-подгрупп (рис. 1.1 ). Известный ученый Юм-Розери показал, что координационное число К валентных кристаллов элементов IV, V, VI, VII В-подгрупп удовлетворяет правилу К= 8-N, где N — номер группы, где расположен элемент.

Преимущественно ковалентная связь имеет место также между разнородными атомами в таких химических соединениях, как карбиды (Fe3C, SiC), нитриды (АIN которые имеют большое значение в технических сплавах. Прочность ковалентной связи зависит от степени перекрытия орбит валентных электронов (с увеличением перекрытия прочность связи повышается). Поэтому свойства тел с ковалентным типом связи могут сильно различаться. Характерными свойствами для тел с такой связью являются малая плотность, высокая хрупкость, в ряде случаев очень высокая твердость (алмаз, карбиды, нитриды).

Материалы с ковалентным типом связи находят широкое применение: на базе их создаются полупроводниковые материалы, соединения — карбиды, нитриды, которые являются важнейшими упрочняющими фазами в высокопрочных металлических сплавах. Ковалентный тип связи является весьма важным в полимерных материалах.

Полярный тип связи. Молекулярные кристаллы.

Представителями тел с таким типом связи являются Н2, N2, С02, H2O, СН4 в закристаллизованном (твердом) состоянии. Кристаллы этих тел состоят из молекул, между которыми действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса природа которых следующая.

Если молекулы вещества являются электрическими диполями (Н2O), то расположением их друг относительно друга так, чтобы плюс одного диполя примыкал к минусу другого, достигается минимум потенциальной энергии. Такой тип взаимодействия называется ориентационным.

Неполярные в обособленном состоянии молекулы некоторых веществ в конденсированном состоянии обладают высокой поляризуемостью (концентрация электронов в атоме перестает обладать сферической симметрией). Поэтому создается возможность удерживания рядом расположенных молекул, как и в первом случае. Такое взаимодействие называется индукционным или поляризационным. Из технических материалов полярная связь между макромолекулами наблюдается в полимерных материалах.

Связь между частицами в макромолекулах в твердом полимере ковалентная. Это вызывает резкое изменение свойств полимерного материала вдоль и поперек направлений макромолекул, что должно учитываться при использовании этих материалов. Представление о полярной связи имеет большое значение для понимания таких явлений, как коррозия металлов, разрушение материала от действия поверхностно-активных веществ и др.

Металлический тип связи.

При конденсации паров металла в жидкое или твердое состояние его атомы сближаются настолько, что электронные орбиты их внешних электронов перекрываются, вследствие чего валентные электроны могут переходить свободно от одного атома другому наподобие атомов газа (отсюда термины «электронное облако, «электронный газ»).

Электроны в «облаке» обобществлены между всеми атомами (ионами) кристалла. Между электронами и положительными ионами возникают силы электростатического взаимодействия, определяющие силу связи между атомами в кристалле. Благодаря сферическому распределению заряда ионов металла возникает возможность максимальной плотности упаковки их в металлических кристаллах, образуются решетки г. ц. к., г. п. у. с координационным числом К = 12 и η = 4,74 (решетка о. ц. к. с К = 8 и η = 0,68 объясняется зонной теорией твердых тел). Наличие незанятых энергетических уровней валентных электронов в металлических кристаллах обусловливает их высокую электро- и теплопроводность, высокую отражательную способность световых лучей (металлический блеск).

Наличие «электронного газа» и сферической симметрии заряда ионов обусловливает и такое важное свойство, как пластичность металлов.

Прочность металлов в большинстве случаев высокая и особенно высока у переходных металлов, что объясняется участием в образовании связи не только s-электронов, но и части электронов d-подуровня. Это сказывается на повышении модуля упругости и температуры плавления. Особенно тугоплавкими являются переходные металлы V,VI,VII А-подгрупп.

Понимание атомно-кристаллического строения материалов позволяет осознать и особенности их свойств. Однако на строение материала, как и его свойства, большое влияние оказывают внешние факторы, прежде всего условия производства материала, его обработка и условия эксплуатации тех деталей, которые изготовлены из данного материала. В последующих главах курса изучается эта зависимость.

Так как основное количество конструкционных материалов получается в процессе кристаллизации из жидкого состояния, то в первую очередь рассмотрим механизмы этого процесса [1, 2].

Металлическая связь — химическая связь, обусловленная свободными электронами. Характерна как для чистых металлов, так и их сплавов и интерметаллических соединений.Содержание [убрать]

1 Механизм металлической связи

2 Характерные кристаллические решётки

3 Другие свойства

4 См. также

[править]

Механизм металлической связи

Во всех узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся валентные электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Силы связи не локализованы и не направлены. Поэтому в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа (например, 12 или 8).

[править]

Характерные кристаллические решётки

Большинство металлов имеет кристаллические решетки одного из трёх типов: кубическую объёмно-центрированную, кубическую гранецентрированную и, так называемую, плотную гексагональную. По схемам металлических кристаллических решеток видно, что кубическая гранецентрированная и плотная гексагональная решётки соответствуют наиболее плотной упаковке одинаковых шаров (частиц).

[править]

Другие свойства

Свободно движущиеся электроны обусловливают высокую электро- и теплопроводность. Вещества, обладающие металлической связью, часто сочетают прочность с плаcтичностью, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей.