1 Основи матеріалознавства

1.1 Структура матеріалів

Технічне значення матеріалів залежить від будови і виражається в їх властивостях. Будову матеріалів характеризує структура – сукупність стійких зв'язків матеріалу, що забезпечує його цілісність і збереження основних властивостей при зовнішніх і внутрішніх змінах. Структура матеріалів визначається безліччю факторів: будовою атомів, іонів, молекул, розподілом в них електронів, типом зв'язків між частками тощо. У матеріалознавстві прийнято розглядати три рівня будови матеріалів: атом – молекула – фаза.

1.1.1 Атом, молекула, хімічний зв'язок

Всяка речовина не є чимось суцільним, а складається з окремих дуже маленьких часток. Відмінності між речовинами зумовлені відмінністю між їх частками; частинки однієї речовини однакові, частинки різних речовин різні. За всіх умов частинки речовини знаходяться в русі; чим вище температура тіла, тим інтенсивніший цей рух. Для більшості речовин частинки являють собою молекули. Молекули в свою чергу, складаються з атомів. Молекула – найменша частка речовини, що володіє його хімічними властивостями. Атом – найменша частка хімічного елемента, що володіє його хімічними властивостями. До складу молекули може входити різне число атомів. При цьому атоми можуть з'єднуватися один з одним не тільки в різних співвідношеннях, але й різним чином. Тому при порівняно невеликому числі хімічних елементів число різних речовин дуже велике. Атом, вступивши у взаємодію з атомами іншої простої речовини, порушує свою стабільну будова і втрачає хімічні властивості вихідної простої речовини. Він утворює з іншими атомами молекулу нової хімічної речовини з новим комплексом хімічних та фізичних властивостей. Молекули складних речовин складаються з різних атомів, що вступили в хімічну взаємодію. Молекули простих речовин складаються виключно з атомів одного хімічного елементу і також взаємодіють між собою. Не у всіх випадках частинки, що утворюють речовину, представляють собою молекули. Багато речовин у твердому і рідкому стані, наприклад, більшість солей, мають не молекулярну, а іонну структуру. Багато простих речовин мають атомну будову, тобто складаються не з молекул, а з атомів.

До таких простих речовин відносяться інертні гази і метали. У речовинах, що мають іонну або атомну будову, носієм хімічних властивостей є не молекули, а ті комбінації іонів і атомів, які утворює дана речовина. До утворення стійких багатоатомних систем (молекул, молекулярних іонів, кристалів) призводить хімічний зв'язок між атомами, який може виникати при їх взаємодії. Атом являє собою складну систему з негативно заряджених електронів і позитивно зарядженого ядра. Завдяки взаємодії електричних полів, які створюються електронами і ядрами атомів, що беруть участь в утворенні молекули або кристала, виникає хімічний зв'язок [1,2].

Ковалентний хімічний зв'язок утворюється двома електронами, причому ця електронна пара належить двом атомам. Утворення хімічного зв'язку між атомами є результатом взаємопроникнення («перекривання») електронних хмар, яке відбувається при зближенні взаємодіючих атомів. Внаслідок такого взаємопроникнення щільність негативного електричного заряду в між'ядерному просторі зростає. Позитивно заряджені ядра атомів притягуються до області перекривання електронних хмар, що і призводить до утворення стійкої молекули. Ковалентний зв'язок тим міцніше, чим більшою мірою перекриваються електронні хмари. Якщо двохатомна молекула складається з атомів одного і того ж елемента, як, наприклад, молекули Н₂, Сl₂ і т.п., то кожна електронна хмара, що утворена спільною парою електронів і здійснює ковалентний зв'язок, розподіляється в просторі симетрично щодо ядер обох атомів. У подібному випадку ковалентний зв'язок називається неполярним. Якщо двохатомна молекула складається з атомів різних елементів, то загальна електронна хмара зміщена у бік одного з атомів, так що виникає асиметрія в розподілі заряду. У таких випадках ковалентний зв'язок називається полярним. Наприклад, в молекулі НСl загальна електронна пара зміщена в бік атома хлору. Отже, молекула хлористого водню є полярною молекулою.

Полярність молекул має вплив на властивості утворених ними речовин. Речовини, що утворені полярними молекулами, володіють, як правило, більш високими температурами плавлення і кипіння, ніж речовини, молекули яких неполярні.

Іонний зв'язок здійснюється в результаті взаємного електростатичного притягнення протилежно заряджених іонів. Під час хімічних реакцій атоми приєднують електрони атомів інших елементів або віддають електрони іншим атомам. Атоми, які віддали частину електронів, набувають позитивний заряд і стають позитивно зарядженими іонами. Атоми, що приєднали електрони, перетворюються в негативно заряджені іони. Різнойменно заряджені іони утримуються один біля одного силами електростатичного притягнення.

Електричне поле іона має сферичну симетрію і однаково убуває з відстанню в будь-якому напрямку. Тому два різнойменних іона, притягнувшись один до одного, зберігають здатність електростатично взаємодіяти з іншими іонами. Даний іон може координувати навколо себе ще деяке число іонів протилежного знака. Іонні молекули здатні з'єднуватися один з одним. Так, кристал хлориду натрію представляє собою поєднання величезної кількості іонів Na⁺ і Сl^, певним чином орієнтованих відносно один одного.

Речовини з іонним зв'язком у молекулі характеризуються високими температурами плавлення і кипіння, в розплавленому стані та в розчинах вони дисоціюють на іони, внаслідок чого проводять електричний струм.

Металічний зв'язок – це зв'язок, в якому електрони кожного окремого атома належать усім атомам, що перебувають у контакті. При цьому валентні електрони здатні вільно переміщатися в об'ємі кристала. Металічний зв'язок характерний для металів, їхніх сплавів та інтерметалічних сполук. Металевий стан виникає в комплексі атомів, коли при їх зближенні зовнішні електрони втрачають зв'язок з окремими атомами, стають загальними, тобто колективізуються і вільно переміщуються між позитивно зарядженими періодично розташованими іонами. Стійкість металу, що представляє собою, таким чином, іонно-електронну систему визначається електричним притягненням між позитивно зарядженими іонами і узагальненими електронами. Така взаємодія між іонним скелетом і електронним газом отримала назву металічного зв'язку. Сила зв'язку в металах визначається силами відштовхування і силами притягнення між іонами і електронами і не має різко вираженого спрямованого характеру. Атоми в металі розташовуються закономірно, утворюючи правильну кристалічну гратку, що відповідає мінімальній енергії взаємодії атомів.

Специфічними властивостями металевого зв'язку пояснюються характерні властивості металів. Висока електропровідність металів пояснюється присутністю в них вільних електронів, які переміщуються в потенційному полі гратки. З підвищенням температури посилюються коливання іонів (атомів), що ускладнює рух електронів, в результаті чого електроопір зростає. При низьких температурах коливальний рух іонів (атомів) сильно зменшується і електропровідність зростає.

Висока пластичність металів пояснюється періодичністю їх атомної структури і відсутністю спрямованості металевого зв'язку. При механічній дії на тверде тіло окремі шари кристалічної решітки зміщуються відносно один одного. У кристалах з атомною структурою це призводить до розриву ковалентних зв'язків між атомами, що належать різним шарам, і кристал руйнується. У кристалах з іонною структурою при взаємному зміщенні шарів неминуче створюється таке положення, при якому поряд виявляються однойменно заряджені іони; при цьому виникають сили електростатичного відштовхування, і кристал також руйнується. У разі ж металу при зміщенні окремих шарів його кристалічної гратки відбувається лише певний перерозподіл електронного газу, що зв'язує атоми металу одне з одним, але розриву хімічних зв'язків не відбувається – метал деформується, не руйнуючись [1,2].