Строение материалов и технология их производства

ТИПЫ МЕЖАТОМНЫХ СВЯЗЕЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Типы межатомных связей

Между атомами в твердых телах действуют силы притяжения и отталкивания. Первые удерживают атомы вместе, при этом образуется целостный материал, вторые не дают атомам слиться. Твердые вещества существуют при равновесии сил притяжения и отталкивания.

Природа сил отталкивания одинакова во всех твердых веществах. Твердые вещества образуются, когда атомы сближаются так, что орбиты их внешних электронов перекрываются. При этом положительные заряды ядер атомов уже не полностью экранируются электронами, вследствие чего между одинаково заряженными ионами возникают силы отталкивания.

В отличие от сил отталкивания, имеющих одинаковую природу, природа сил притяжения различна, и именно она определяет свойства материала. Различают четыре вида межатомной связи: ионную, ковалентную, металлическую и силы Ван-дер-Ваальса.

Ионная связь присуща соединениям, образованным разнородными атомами. Внешние электроны атомов одного элемента переходят на внешние орбиты атомов другого элемента, образуя устойчивые электронные конфигурации.

В качестве типичного примера вещества с ионным типом связи можно привести поваренную соль — NaCl. Натрий принадлежит к I группе Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, на его внешней орбите находится один электрон. Хлор — элемент VII группы, на его внешней орбите расположено семь электронов. Переход одного электрона натрия на орбиту хлора приводит к образованию двух разнозаряженных ионов с устойчивой конфигурацией.

Положительный ион натрия получает устойчивую конфигурацию неона; отрицательный ион хлора — устойчивую конфигурацию аргона. Межатомные силы притяжения — электростатические, ионная связь является сильной.

В твердых веществах с ионной связью каждый положительный ион имеет своими ближайшими соседями ионы только отрицательные и, наоборот (рис. 1.1). Таким образом, атомы в веществе располагаются строго упорядоченно. Ионный тип связи характерен для соединений «металл — кислород» — оксидов (MgO, А120з, Zr02). Они обладают весьма высокой твердостью.

Наиболее известный и широко распространенный материал с ионным типом связи — стекло, основой которого являются оксиды различных элементов.

Ковалентная связь устанавливается в результате образования устойчивых соединений путем обобществления атомами нескольких электронов. Примером такой связи может служить молекула хлора, образованная двумя атомами, имеющими каждый по семь электронов на внешней орбите. Устойчивая конфигурация, для которой характерно наличие восьми атомов на внешней орбите, образуется у каждого атома в результате обобществления одного из его электронов другим атомом (рис. 1.2).

Кристаллическая решетка NaCl

Рис. 1.1. Кристаллическая решетка NaCl

Образование устойчивых конфигураций определяется правилом (8 - N), где N— число электронов на внешней орбите. Так, при образовании молекулы кислорода обобществляются два атома, поскольку на его внешней орбите находится шесть электронов.

Молекула хлора (схема)

Рис. 1.2. Молекула хлора (схема)

Ковалентная связь характерна для многих кристаллических твердых тел. Например, алмаз — кристаллическая модификация углерода с ковалентной связью. Углерод имеет четыре валентных электрона. Образование алмаза осуществляется при обобществлении по одному электрону четырьмя атомами. Материалы с ковалентным типом связи — углерод, германий, сурьма — образуют элементы IV-VI групп подгруппы В Периодической системы Д. И. Менделеева. Ковалентная связь характеризуется жесткой направленностью. Поэтому кристаллические вещества с ковалентной связью обладают высокой твердостью, высокими температурами плавления, но низкой пластичностью, например, углерод с кубической кристаллической решеткой — алмаз, нитрид бора.

Некоторые элементы этих групп могут образовывать слоистые вещества с молекулярно-ковалентными связями. В слое связь ковалентная, сильная, а связь между слоями в молекуле слабая, определяемая силами Ван-дер-Ваальса (графит — углерод, имеющий в отличие от алмаза не кубическую, а слоистую структуру).

Величина силы связи зависит от природы вещества. Так, она весьма велика у алмаза и значительно (на несколько порядков) слабее у полимеров.

Металлическая связь образуется вследствие того, что атомы металлов имеют небольшое количество (один или два) внешних (валентных) электронов, которые слабо связаны с ядром. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими атомами, они коллективизируются, т. е. становятся достоянием всех атомов данного металла, образуя

«электронный газ». Положительно заряженные ионы располагаются на таком расстоянии друг от друга, что силы притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными ионами уравновешиваются силами отталкивания между ионами.

Наличие электронного газа определяет такие важнейшие свойства металла, как высокие тепло- и электропроводность, пластичность, т. е. способность изменять форму без разрушения. Поэтому при изготовлении металлопродукции широко применяют методы пластического деформирования — ковку, прокат, волочение.

Силы Ван-дер-Ваальса возникают вследствие того, что атомы являются малыми диполями. Среднее во времени пространственное распределение электронов в атоме симметрично относительно ядер, но в каждый конкретный момент центр отрицательных зарядов может не совпадать с ядром, имеющим положительный заряд, что и образует диполь. Взаимодействие диполей приводит к появлению сил притяжения. Это взаимодействие несколько усиливается вследствие того, что наличие диполя, образованного одним атомом, способствует появлению диполя у соседнего атома.

Межатомное притяжение за счет сил Ван-дер-Ваальса существует всегда, наряду с прочими видами связи, т. е. во всех веществах. Однако эти силы слабы и их учитывают только при отсутствии более сильных связей других типов. Так, они важны для веществ со слоистой структурой, где связь между слоями осуществляется только за счет этих сил (например, графит). Эти силы также связывают большие органические молекулы — основу термопластичных полимеров (см. далее).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >