Глава 1. Основные различия в свойствах групп материалов
Типы химической и физической связей в материалах
Материалы - обязательный и неотъемлемый объект не только техники, но и истории развития человечества. Материалы – это сложные или простые вещества, их смеси, гетерогенные композиции природного или искусственного происхождения, используемые или пригодные к использованию для решения практических задач. Материал в технике – твёрдое вещество, которое способно сохранять форму и размеры, и имеющее модуль сдвига, не равный нулю.
Все материалы имеют специфические физико-химические, технологические свойства и структуру.
Основной причинойразличия в свойствах веществ является тип химической связи между составляющими вещество элементарными частицами. Химические связи, образованные путём обобществления электронов между атомами называются первичными связями. Форма валентных состояний и размещение валентных электронов в энергетических зонах определяют три основные предельные типы связей: металлическую, ковалентную и ионную.
Основное различие между типами химической связи, состоит в том, что валентная зона может быть заполнена полностью или частично. В первом случае имеет место локализация электронов на ядрах (заняты все уровни валентной зоны), во втором – их делокализация в объёме вещества. Для всех типов химической связи характерно различное межатомное взаимодействие.
Ковалентная связь осуществляется путем обобществлениявалентных электронов двух соседних атомов, в результате чего достраивается валентная зона обоих атомов. Такая электронная пара принадлежит одновременно двум атомам, причём оба имеют конфигурацию благородного газа (полностью заполненная валентная зона) (рис. 1.1, а).
|
|
|
Локализация электронов на атомных остовах создает резко направленный характер связи. Примерами веществ с ковалентной связью являются: элементы - углерод (С), кремний (Si), германий (Ge); xимические соединения - карбид кремния (SiC), нитрид алюминия (AlN), а также некоторые интерметаллические соединения.
Рис. 1.1. Схематическое изображение различных типов химической связи
в материалах:
А - ковалентная, б - ионная, в - металлическая
Ионная связь характерна для химических соединений, состоящих из атомов с различной валентностью. При ионной связи происходит передача электронов одного атома к другому. В результате атомы, отдавшие электроны, превращаются в электроположительные ионы (катионы), а атомы, присоединившие электроны – в электроотрицательные (анионы) (рис. 1.2, б). Химическая связь в таких соединениях осуществляется за счёт электростатического притяжения между разноименно заряженными ионами. Перераспределение электронов при ионной связи приводит к созданию нового вещества со стабильной электронной структурой (конфигурация благородного газа). Примером ионного соединения является сульфид магния (MgS): магний отдаёт два электрона и становится положительным ионом – Mg +2 , а сера достраивает свою оболочку двумя этими электронами до S–2. К ионным соединения относятся различные оксиды общего состава МеxOy.
|
|
|
Металлическая связьимеет место в веществах, в которых валентная зона заполнена только частично, при этом электроны атомов обобществлены в объеме всего вещества (рис. 1.1, в). Так как электроны не локализованы на ядрах, то связь является не направленной.
Металлические свойства присущи всем металлам и сплавам, а также частично и некоторым соединениям, например, интерметаллическим.
Ковалентная, ионная и металлическая связь характерна, в основном, для кристаллических веществ с периодическим объёмным расположением атомов. В кристаллах возможен также молекулярный тип связи. Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса) имеет в большей степени физическую природу, а не химическую, так как тип взаимодействия не связан с обменом электронами, а обусловлен дипольным взаимодействием атомов.
|
|
|
Молекулярными являются кристаллы, которые образованы частицами со стабильным электронным строением (атомы с полностью достроенной электронной оболочкой, молекулы с насыщенными связями). В кристалле при сближении атомов (молекул) поле электронов, движущихся вокруг ядра одного атома, влияет на электроны вокруг ядра соседнего атома. При сближении возникает мгновенный поляризационный эффект: силы притяжения обеспечивают взаимодействие, например, между атомами благородных газов.
Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 171; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!