1.2 Структура курса

До 1983 года в качестве основного конструкционного материала человечество использовало металлы. Такие технологические достоинства металлов как прочность, пластичность, достаточно легкая обрабатываемость в сумме с достаточно простым процессом его получения обусловили их широчайшее применение. В 1983 году в мире объемы производства пластика впервые в истории превысили объемы производства металлов. Объясняется это, прежде всего, развитием химии получения пластиков и технологии их автоматизированной обработки.

Таким образом, первая часть курса «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» практически полностью посвящена классификации, физическим свойствам и технологиям получения и обработки металлов и их сплавов. Вторая часть описывает основные свойства полимерных материалов и их производных. Помимо этого, в данном учебном пособии нашли свое отражение такие вопросы, как кристаллизация материалов и общие сведения о кристаллических материалах.

1.3 Типы химических связей в веществе

Ковалентная связь. Ковалентная связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов с близкими ионизационными потенциалами. В чистом виде ковалентная связь реализуется при взаимодействии элементов с наполовину заполненными электронными оболочками. Из квантовой химии следует, что система из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронных оболочек имеет минимальную энергию в том случае, когда электронные оболочки заполнены полностью. Поэтому атомы с наполовину заполненными электронными оболочками обмениваются электронами. При этом образуются пары электронов с противоположно направленными спиновыми магнитными моментами, причем эти пары принадлежат обоим соседним атомам (рисунок 1). Таким образом, ковалентной связью называется связь, образуемая путем объединения пар валентных электронов.

Рисунок 1.1 - Схема образования ковалентной неполярной связи

Появление между положительно заряженными ионами пары отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что оба иона притягиваются к обобществленным электронам и, тем самым, притягиваются друг к другу.

Рисунок 1.2 - Схема образования ковалентной полярной связи

Увеличение порядкового номера элемента ведет к росту количества электронных оболочек, экранирующих взаимодействие положительно заряженных ядер с валентными электронами, что вызывает снижение силы взаимного притяжения. В результате, с ростом порядкового номера элемента падает температура плавления, растет коэффициент теплового расширения, уменьшается модуль упругости.

Рассмотренная на рисунке 1.1 ковалентная связь является неполярной, то есть все участвующие в образовании связи атомы являются одинаковыми с точки зрения потенциалов ионизации и пары электронов находятся точно посередине между ядрами атомов. В случае, если ковалентная связь образуется между атомами с разными потенциалами ионизации (рисунок 1.2), то пара обобществленных электронов сместится к атому с большим потенциалом ионизации и получившееся вещество будет полярным (дипольным), а связь будет называться ковалентной полярной.

Рисунок 1.3. Схема образования

ионной связи

Рисунок 1.4 - Металлическая связь

Ионная связь. Ионная связь образуется при взаимодействии атомов с малым количеством валентных электронов и атомов с большим количеством электронов на валентных оболочках. При этом наружные электроны атомов с низкими потенциалами ионизации переходят на валентные оболочки атомов с высокими ионизационными потенциалами, как это показано на рисунке 1.3. В результате образуются положительно и отрицательно заряженные ионы, взаимно притягивающиеся электростатическими силами.

Общие физические свойства веществ с ионной химической связью следующие: высокая твердость, низкая пластичность и коэффициент линейного расширения, высокая температура плавления. С увеличением размера иона данные свойства увеличиваются.

Металлическая связь (рисунок 1.4) образуется между атомами одного или нескольких химических элементов, у которых валентные электронные оболочки заполнены меньше чем на половину. Поскольку энергия иона минимальна при полностью заполненной внешней оболочке, атомы отдают внешние валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, между которыми находятся свободные электроны (электронный газ). Каждый из положительно заряженных ионов притягивается к свободным электронам, и, тем самым, ионы притягиваются друг к другу.

Рисунок 1.5 - Остаточная связь

Остаточная связь, или связь Ван-дер-Ваальса. Образуется при сближении молекул или атомов инертных газов за счет взаимодействия и деформации их электронных оболочек. Атомы превращаются в диполи, которые взаимно притягиваются. Чем больше порядковый номер атома, тем больше у него электронных оболочек. Это ослабляет связь валентных электронов с ядром, что позволяет проще деформировать оболочку. Следовательно, возрастает дипольный момент атома и увеличивается энергия связи между атомами. Поэтому температура кипения тяжелых инертных газов заметно выше температуры кипения легких газов.

Аналогичные процессы происходят и при сближении электрически нейтральных молекул. Причем чем выше молекулярный вес, тем больший дипольный момент молекул и выше энергия связи. Поэтому вещества с низким молекулярным весом при комнатной температуре являются газами, вещества с большим молекулярным весом - жидкостями, а вещества с еще большим молекулярным весом - твердыми телами.

Важно иметь в виду, что в одном и том же материале одновременно могут реализовываться несколько типов химических связей. Так, внутри молекулы полиэтилена связь ковалентная, а между молекулами остаточная. В алмазе атомы углерода связаны ковалентной связью, а у графита три электрона образуют ковалентную связь, один электрон идет на образование металлической связи, и образующиеся плоские молекулы связаны остаточной связью.