Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Материаловедение в машиностроении

Типы межатомных связей. Строение материалов

Типы межатомных связей

В твердых телах между атомами 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. Силы отталкивания возникают, когда атомы сближаются так, что орбиты их внешних электронов перекрываются. При этом положительные заряды ядер атомов уже не полностью экранируются, вследствие чего между ними возникают силы отталкивания.

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

Ионная связь

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 первой группе Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, на его внешней орбите находится один электрон. Хлор – элемент седьмой группы, на его внешней орбите расположено семь электронов. Переход одного электрона атома натрия на орбиту хлора приводит к образованию двух ионов с устойчивой конфигурацией, обладающих разными зарядами. Положительный ион натрия получает устойчивую конфигурацию неона; отрицательный ион хлора – устойчивую конфигурацию аргона (восемь электронов на внешней орбите атома).

Межатомные силы притяжения – электростатические, ионная связь сильная. Эта связь является направленной, так как перераспределение валентных электронов происходит между атомами одной молекулы (одним атомом натрия и одним атомом хлора). Ионный тип связи присущ неорганическим химическим соединениям. Сильная связь определяет свойства веществ – высокую температуру плавления, высокий модуль упругости, низкий коэффициент теплового расширения, высокую твердость.

Строение твердого вещества с ионным типом связи характеризуется тем, что атомы в веществе располагаются строго упорядоченно, каждый положительный ион окружают только отрицательные ионы, и наоборот (рис. 1.1). Наиболее известный и широко распространенный материал с ионным типом связи – стекло, основой которого являются оксиды различных элементов.

Кристаллическая решетка NaCl

Рис. 1.1. Кристаллическая решетка NaCl

Ковалентная связь

Ковалентная связь устанавливается в результате образования устойчивых соединений путем обобществления электронов определенными атомами. Примером ковалентной связи может служить молекула газа, образованная двумя атомами, имеющими каждый но семь электронов на внешней орбите (например, хлор). Устойчивая конфигурация молекулы образуется в результате обобществления по одному электрону каждым из двух атомов (рис. 1.2). Образование устойчивых структур определяется правилом (8 – IV), где N – число электронов на внешней орбите (Лг < 4).

Ковалентный тип связи характерен для элементов IV, V, VI, VII подгруппы таблицы Менделеева – это углерод, кремний, германий и др. Так, для углерода число обобществленных атомов равно четырем. Примером модификации углерода является алмаз.

Ковалентная связь – направленная, так как каждый атом вступает во взаимодействие с вполне определенным числом соседних атомов. Сила ковалентной связи обычно достаточно велика вследствие ее направленного характера.

Ковалентные связи характерны, например, для пластмасс.

Молекула хлора (схема)

Рис. 1.2. Молекула хлора (схема)

Металлическая связь

Эта связь характерна для металлов – основных конструкционных машиностроительных материалов.

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, могут свободно перемещаться между положительно заряженными ионами, образуя "электронный газ". Такие электроны называют электронами проводимости, или коллективизированными электронами, поскольку они принадлежат не какому-то конкретному атому, а являются общими для всех атомов. Наличие электронного газа определяет свойства металла, принципиально отличающие его от неметаллов: высокие тепло- и электропроводность.

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.

Металлическая связь является ненаправленной. Отсутствие сильных направленных связей между атомами металлов определяет одно из их важнейших, уникальных свойств – пластичность, т.е. способность пластически деформироваться, изменяя форму без разрушения. Поэтому при изготовлении металлопродукции широко применяют методы пластического деформирования – ковку, прокат, волочение.

Силы Ван-дер-Ваальса

Происхождение этих сил связано с тем, 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 (рис. 1.3). Взаимодействие диполей приводит к появлению сил притяжения. Это взаимодействие несколько усиливается вследствие того, что наличие диполя, образованного одним атомом, способствует преобразованию в диполь соседнего атома.

Силы Ван-дер-Ваальса. Взаимодействие диполей

Рис. 1.3. Силы Ван-дер-Ваальса. Взаимодействие диполей

Межатомные силы Ван-дер-Ваальса существуют во всех веществах наряду с рассмотренными выше силами межатомных связей. Они слабы и оказываются важными и значимыми, т.е. влияющими на свойства материала, только в отсутствие более сильных связей других типов. К таким материалам относятся полимеры – органические вещества, графит – неорганическое вещество.

 
РЕЗЮМЕ Следующая >
 

Популярные страницы