Раздел 1. Методические указания по разделам программы курса.

Глава 1. Начальные сведения о материалах.

1. Структура строительных материалов.

Окружающий нас мир представляет собой различные формы, вечно движущейся и изменяющейся материи (от латинского слова «materrerum» – мать вещей). Веществом называется вид материи, обладающий при определенных условиях постоянными свойствами (плотностью, твердостью, цветом, точкой плавления и т.д.).

Вещества слагаются из одного или нескольких химических элементов. Каждый химический элемент состоит из одинаковых атомов – электрически нейтральных частиц, в центре которых находится атомное ядро. В ядре сосредоточена основная масса атома, и оно несет положительный электрический заряд. Ядро состоит из протонов, имеющих положительный заряд, и нейтронов, не несущих никакого заряда. Большую часть объема атома составляет пространство, в котором движутся электроны. Электроны связаны с ядром и удерживаются от свободного перемещения в пространстве силами притяжения между частицами с противоположными по знаку электронными зарядами (кулоновскими силами, или электростатическим притяжением).

В большинстве случаев вещества построены из молекул или ионов, которые образуются из атомов. Молекула представляет собой совокупность прочно связанных атомов. Атомы соединяются в молекулы за счет сил химических связей. Возникновение различных видов химической связи вызывается различием во взаимодействии электронов.

Различаются следующие типы связей: 1) ионная связь, 2) ковалентная связь, 3)металлическая связь.

Вещества с ионной связью образуются при соединении металла с неметаллическими элементами.

Ионная связь относится к электростатическим силам, существующим между частицами с зарядами противоположного знака (рис. 1). Типичным примером вещества с ионной связью является гипс – СаSО₄.

Рис. 1

Ковалентная связь возникает в результате обобществления электронов двумя атомами (рис. 2). Энергия ковалентной связи очень велика. Такая связь характерна для высокомолекулярных углеводородов в полимерах, для атома кварца.

Рис. 2

Металлическая связь характерна для твердых металлов. В металле каждый атом связан с несколькими соседними атомами. Связывающие их электроны могут относительно свободно перемещаться по всей трехмерной структуре металла (рис. 3). Эта связь обуславливает такие типично металлические свойства, как высокая электропроводность и блеск.

Рис. 3

Существование вещества в жидкой и твердой формах объясняется силами притяжения, действующими между молекулами или ионами. Эти силы называются межмолекулярными силами. Все межмолекулярные силы имеют электростатическую природу. Различают ван-дер-ваальсовые силы (взаимодействие между нейтральными частицами) (рис. 4) и водородную связь (рис. 5). Водородная связь существует в тех веществах, где атом водорода присоединен к атомам кислорода, азота или фтора.

Рис. 4

ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ Рис. 5

Водородная связь более слабая, чем ионная и ковалентная, но сильнее вандерваальсовой. Тем не менее, водородная связь оказывает заметное влияние на свойства многих веществ.

В природе материалов в чистом виде все перечисленные разновидности связей встречаются редко, поскольку практически всегда налагаются два типа связей или более, хотя обычно и превалирует одна из них.

Всякий материал имеет структуру, под которой понимается определенное расположение, или конфигурация, составляющих его компонентов.

Структуру вещества (материала) можно рассматривать на трех уровнях:

1) на уровне субатомной структуры; ее анализируют, изучая размещение и плотность электронов, и их взаимодействие;

2) на уровне микроструктуры – исследуются организация атомов или молекул (например, расположение атомов в кристаллической решетке), а также большие группы атомов с хорошо выраженными особенностями. Эти группы образуют микроструктурные элементы;

3) на уровне макроструктуры – ее изучают, анализируя взаимное размещение микроструктурных элементов. Макроструктуру можно видеть невооруженным глазом.

Изучение субатомной структуры и микроструктуры возможно только с помощью физико-химических приборов высокого разрешения (электронные микроскопы, рентгеновские аппараты, спектрометры, синхрофазотроны и др).