Пример текста:
Глава 1. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
1. Электронное строение атомов. Классификация элементов в периодической системе Д. И. Менделеева
В современных материалах используются практически все элементы периодической системы Д. И. Менделеева, которая включает 105 элементов (рис. 1).
Для создания новых материалов и использования су-ществующих важно знать, какие факторы и как влияют на свойства элементов, составляющих эти материалы. Свойства элементов в первую очередь определяет элек-тронное строение атомов. Общее количество электронов в атоме равно порядковому номеру элемента в периодиче-ской системе. Важнейшей характеристикой электрона яв-ляется его энергия. Энергетическое состояние электрона определяется четырьмя квантовыми числами n, l, mе, ms.
Главное квантовое число n определяет энергетический уровень электрона, который зависит от расстояния элек-трона до ядра. Энергия электрона тем выше, чем выше номер уровня, который он занимает.
Максимальное количество электронов N на энергети-ческом уровне с главным квантовым числом п по принци-пу Паули определяется из зависимости N=2n2.
Энергия электронов на уровнях распределяется по подуровням, (орбиталям) и зависит от момента количе-ства движения электрона mvr, который называется орби-тальным моментом электрона. Величина орбитального момента определяется орбитальным квантовым числом l, имеющего значения от 0 до (n-1). Квантовые подуровни с l=0, 1, 2, 3, ... обозначаются соответственно: s, p, d, f,… Энергия электронов в подуровнях растет в последова-тельности spdf. Максимальное количество электро-нов на подуровнях (орбиталях): s — 2; р— 6; d— 10; f— 14. Движение электрона по замкнутому контуру создаёт маг-нитное поле, вектор напряжённости которого перпендику-лярен к плоскости контура - орбитали электрона в атоме.
Магнитное квантовое число ml характеризует ориен-тацию орбитали в пространстве и её импульс. ml может иметь значения от -l до +l, включая 0.
Из-за вращения электрона вокруг собственной оси воз-никает спиновое квантовое число ms, указывающее на ориентацию вектора спина электрона в пространстве. ms может иметь только два значения +1/2 и -1/2.
Заполнение электронами энергетических состояний происходит в соответствии с принцип Паули, т.е. в атоме не может быть двух электронов в состояниях, характери-зующихся четырьмя одинаковыми квантовыми числами.
Повышение энергии электронов на уровнях (1, 2, 3 ... 7) и подуровнях s, р, d, f происходит в последовательности: Is2s2p33p43d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f 6d. В этой же последовательности происхо-дит заполнение электронами энергетических уровней и подуровней. Важно запомнить также, что энергия элек-тронов на заполняемой орбитали выше, чем на заполнен-ной.
Исходя из изложенного и зная порядковый номер эле-мента, можно построить электронную модель атома эле-мента. Важнейшее значение для свойств элементов имеет полнота заполнения электронами внешних (валентных) орбиталей.
Внешней орбиталью считается наиболее удаленная от ядра. В зависимости от количества электронов в атоме элемента, может быть заполнено различное количество орбиталей. Следует напомнить, что валентными могут быть как внешние электроны, так и электроны предше-ствующей орбитали (подуровня).
По окислительно-восстановительным функциям (по склонности отдавать или принимать электроны) элементы подразделяются на восстановители-металлы и окислите-ли-неметаллы. Элементы левее ломаной линии в таблице на рис. 1 являются металлами, правее — неметаллами.
По заполнению электронами внешних электронных ор-биталей (подуровней) металлы разделяют на две группы. Металлы, у которых электроны на d-подуровне отсут-ствуют Li, Na, Са, А1 и др. или у которых d-подуровень полностью заполнен Си, Zn, Gd, Ag и др., называются про-стыми металлами. Металлы, имеющие частично запол-ненный d-подуро¬вень, при наличии электронов на внеш-нем s-подуровне, называются переходными. К числу пе-реходных металлов относятся важнейшие конструкцион-ные металлы (Fe, Cr, Ti, Mo, Ni и др.). Переходные метал-лы в таблице Д. И. Менделеева (рис. 1), заключены в пунктирную рамку.
№ 1. Напишите электронную формулу, соответствую-щую атому Ti (№ 22)? К какой группе металлов следует отнести титан? (Ответ см. на с. 25).
Большой интерес представляют физические свойства материалов (электропроводность и др.). По одному из важнейших физических свойств — электропроводности (или) электросопротивления элементы относят к трем группам: к металлам, полупроводникам и диэлектрика. Между металлами и полупроводниками имеется каче-ственное различие не только в величине электросопро-тивления, но, главное, в характере зависимости электро-сопротивления от температуры (pиc. 2).
Зависимость для металлов имеет линейный характер
(1)
где о - удельное электросопротивление при 0°К, а - температурный коэффициент электросопротивления, Т - абсолютная температура. Для полупроводников изменяется по экспоненциальному закону
(2)
где Е - ширина запрещенной энергической зоны элек-тронов, k - постоянная Больцмана, А — коэффициент.
Между полупроводниками и диэлектриками различие в электропроводности только количественное, определяе-мое шириной запрещенной зоны Е.
На рис. 1 элементы с полупроводниковыми свойствами выделены соответствующей штриховкой клеток, в кото-рых они расположены.
Элементы (кроме водорода), расположенные левее по-лупроводников — металлы, правее — диэлектрики.
Следует отметить, что такое подразделение элемен-тов, когда они находятся в атомарном состоянии, совер-шенно несостоятель¬но. В атомарном состоянии все эле-менты — диэлектрики, а различие в физических свой-ствах проявляется, когда вещество нахо¬дятся в конден-сированном (в жидком или твердом) состоянии.
Различие в свойствах металлов, полупроводников и диэлектриков можно понять, если учесть, что электроны в твердом теле (кристалле) располагаются по квантован-ным энергетическим зонам (состояниям), причем суще-ствуют такие области значений энергий, которые не могут быть заняты электронами. Эти области называются за-прещенными зонами. Важнейшие свойства (электриче-ские, магнитные, оптические и др.) твердых тел объясня-ются энергетическим состоянием валентных электронов, поэтому на схемах энергетических состояний, рис. 3, изображают две разрешенные энергетические зоны: ва-лентную зону, соответствующую нормальным (невозбуж-денным) состояниям валентных электронов и ближайшую к ней зону возбужденных состояний электронов, которая называется зоной проводимости. Такое название связано с тем, что при отсутствии внешних возбуждений в ней нет электронов. Когда же, получив извне энергию (от облуче-ния, нагрева), электрон перейдет в эту зону, то он может в ней свободно изменять свою энергию, двигаясь под дей-ствием внешнего электрического поля, т. е. участвовать в проводимости. Е на рис. 3 является энергетической ще-лью или зоной запрещенных энергий.
Различная электропроводимость разных тел будет по-нятна, если учесть, что внешнее электрическое поле при-водит к изменению энергетического состояния электрона в сторону ее повышения. Это, очевидно, возможно, когда электрон находится в зоне, где есть свободные энергети-ческие уровни. Следовательно, проводниками являются тела, валентная зона энергии электронов которых полно-стью не заполнена.
№ 2. Для какого материала Аl или Сu можно ожидать большей электропроводности? Почему? Ответ (см. на с. 25): для 1) Сu; мало валентных электронов, которые в валентной зоне занимают минимальное число энергетиче-ских уровней; 2) Аl; много электронов на внешнем уровне, которые могут участвовать в проводимости,.
№3. Незаполненные валентные зоны имеют металлы. Какой из металлов К или Fе должен обладать лучшей электропроводностью? Ответ (см. на с. 25): 1) Fe, 2) К.
В полупроводниках энергетические уровни валентной зоны при 0°К уже полностью заняты электронами, а уров-ни зоны проводимости свободны. Эти зоны разделены энергетической щелью Е = 0,1 ... 3 эв, которую электрон перейти не может. Поэтому при низких температурах такие тела — диэлектрики. Внешнее возбуждение электронов (нагрев, облучение) ведет к повышению энергии элек-тронов до значений энергии в зоне проводимости, (рис. 3).
№ 4. Как должна изменяться электропроводность по-лупроводников с повышением температуры? Ответ (см. на с. 26): 1) повышаться; 2) понижаться.
Так как вероятность того, что электрон получит энер-гию >Е, рис. 3. пропорциональна , то понятно, почему электросопротивление полупроводников с изменением температуры изменяется по зависимости (2), с. 16.
Таблица 1
Интервалы значений электросопротивления для разных материалов
Материалы , ом.см
Металлы
Полупроводники
Диэлектрики 10—4,,,10-6
1010,,,..10-4
1О2О.,,,..1О10
Диэлектрики отличаются от полупроводников только шири¬ной энергетической щели Е, которая у диэлектриков при: Т~-273°С З эв. Таблица 1 дает наглядное представ-ление о порядке величин для трех групп материалов.
На энергетическое состояние валентных электронов атомов кристаллического тела оказывает большое влия-ние относительное расположение и тип связей между ато-мами в кристаллическом теле. Эти вопросы рассматрива-ются в зонной теории твердых тел.
2. Кристаллическое строение твердых тел
Атомы (частицы) твердого тела стремятся к такому расположению в пространстве, чтобы энергия их взаимо-действия была минимальной. Этому соответствует опре-деленный порядок в пространственном размещении ча-стиц, определяемый понятием «кристаллическая решёт-ка». На рис. 4 приведена модель кристаллической решет-ки. В узлах решетки располагаются атомы (ионы) веще-ства.
В кристаллической решетке можно выделить элемент объема из минимального количества частиц (атомов), многократным переносом (трансляцией) которого в про-странстве можно построить весь кристалл. Такой элемен-тарный объем, который характеризует особенности строе-ния данного типа кристалла, называется элементарной ячейкой.
Имеется относительно небольшое количество типов кристаллических решеток, свойственных элементам пе-риодической системы.
Наиболее часто элементы имеют кристаллические ре-шетки следующих типов:
кубическую объемно-центрированную (сокращенно о.ц.к.);
кубическую гранецентрированную (г.ц.к.);
гексагональную, которая бывает плот¬ноупакованная (г.п.у.) и неплотноупакованная (н.г.п.у).
Подавляющее боль¬шинство металлов име¬ет отмечен-ные типы кристаллических реше¬ток. На рис. 5 приве¬дены схемы решеток о.ц.к., г.ц.к. и г.п.у.
Менее распространены ромбоэдрическая, тетрагональ-ная и более сложные решетки. На рис. 1 в клетках эле-ментов отмечены характерные для них типы кристалличе-ских решеток.
Кристаллические решетки характеризуют следующие основные параметры: период решетки; координационное число; атомный радиус; энергия решетки; базис и коэф-фициент компактности решетки.
Периодом решетки называется расстояние между цен-трами двух соседних частиц (атомов, ионов) в элементар-ной ячейке решётки (аbc на рис. 4). Периоды решетки из-меряются в ангстремах (А) или килоиксах (1А=10-8 см ; КХ= 1,00202 •108 см).
Координационное число К показывает количество ато-мов, находящихся па наиболее близком и равном рассто-янии от любого выбранного атома в решетке.
Под атомным радиусом в общем случае понимают по-ловину межатомного расстояния между центрами бли-жайших атомов в кристаллической решетке элемента при равновесных условиях. Атомный радиус не является неизменной величиной, а изменяется в зависимости от ря-да факторов, важнейшими из которых являются коорди-национное число и тип химической связи между атомами в кристалле.
Энергия кристаллической решетки определяется как энергия, выделяющаяся при образовании кристалла из ионов, атомов или других частиц, образующих кристалл, когда эти частицы в исходном состоянии находятся в га-зообразном состоянии. Количественно энергию связи оце-нивают по теплоте сублимации, показывающей величину энергии, которую необходимую затратить, чтобы переве-сти валентные электроны твердого тела на уровни сво-бодного атома. От величины энергии решетки зависят важные свойства тела: температура плавления, модуль упругости, прочность, твердость и др. Увеличение ва-лентности атомов приводит к увеличению энергии решет-ки.
Базисом решетки называется количество атомов, при-ходящихся на одну элементарную ячейку решетки.
Коэффициент компактности решетки определяется отношением объема, занимаемого атомами Va ко всему объему решетки Vp, т.е.
Решетки о.ц.к., г.ц.к. и г.п.у. являются типичными ре-шетками подавляющего бол¬ьшин¬ства технических мате-риалов. Поэтому следует рассмотреть их более подроб-но. Пред¬ставленные на рис. 5, слева, типы кристалличе-ских решеток схематично отражают взаимное рас-положение атомов (ионов) в кристалле. Если ус¬ловно счи-тать атомы ша¬рами одинакового диа¬метра, то рис. 5, справа, дает бо¬лее точное пред¬ставление о действитель-ном рас¬положе¬нии атомов в о.ц.к., г.ц.к. и г.п.у. кри-сталлах.
Кубическая объемно-центрированная решетка (о.ц.к.), рис. 5а , имеет восемь атомов по вершинам и один атом в центре куба. Период решетки а, координационное число К=8 (атом в центре куба имеет восемь соседей на минимальном расстоянии ). Базис решетки равен двум (каждый атом в вершине принадлежит данной эле-ментарной ячейке на 1/8, атом в центре — целиком, значит 1/8X8+4=2). Коэффициент компактности решетки о.ц.к. равен 68%.
2. Кубическая гранецентpированная решетка (г. ц..к.), рис. 5, б, характеризуется периодом а. Для установления координационного числа рассмотрим атом в вершине ку-ба. Ближайшими к нему являются атомы в центре граней куба на расстоянии . Таких атомов в одной ячейке 3. К атому в вершине примыкает 8 элементарных ячеек. Тогда общее число ближайших соседей будет , т. е. ко-ординационное число К=12. Коэффициент компактности решетки г.ц.к. равен 74%.
№ 5. Каков базис решетки г.ц.к.? (Учтите, что в кри-сталле к ячейке со всех сторон примыкают другие ячейки, поэтому не все атомы изображенные на рис. 5, б, принад-лежат только дайной ячейке). Ответ (см. на с. 26): базис равен 1) 6; 2) 14; 3) 4.
Гексагональная плотноупакованная решетка (г.п.у.) рис. 5, в, имеет периоды а и с, причем .
№ 6. Чему равно координационное число решетки г. п. у.? (при решении этой задачи рассмотрите атомы, примы-кающие к атому в центре основания призмы и учтите, что основание призмы является общим для двух элементар-ных ячеек). Ответ (см. на с. 26): 1)6; 2) 9; 3) 12.
Для решетки г. п. у. ( ) координационное чис-лоК=12, базис равен 6. Коэффициент компактности = 74%.
В общем случае элементарная ячейка представляет собой косоугольный параллелепипед (на рис. 4 обведен жирно),Вершины параллелепипедов в кристаллической решетке называются узлами решетки. Прямые, проведен-ные через узлы решетки, называются кристаллографиче-скими направлениями. Плоскости, проведенные через уз-лы решетки, называются кристаллографическими плоско-стями. Легко видеть, что плотность атомов в различных кристаллографических плоскостях и направлениях раз-лична; поэтому свойства кристаллического тела в различ-ных и направлениях также различны. Это явление назы-вается анизотропией.
Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Для того, чтобы установить индексы Миллера, кристалл вписыва-ется в пространственную систему координат, как показано на рис. 4. Оси координат X, Y, Z называются кристалло-графическими осями. За единицу измерения вдоль каждой оси принимается период решетки, т. е. длина ребра эле-ментарной ячейки. Рис. 4 иллюстрирует сказанное для наиболее общего случая.
№ 7. Каковы координаты узла 1, рис. 4? Ответ (см. на с. 26): 1) х=а, у = b, z=c; 2) х=а, у=а, z=a; 3) х=0, y=b, z=c.
Индицирование кристаллографических плоскостей рассмотрим на примере простой кубической решетки (рис. 6а). В данном случае единица измерения вдоль осей — длина ребра куба равная а.
Для определения индексов кристаллографической плоскости необходимо:
установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периодов решетки;
взять обратные значения этих величин;
привести их к наименьшему целому, кратному каждому из полученных чисел.
Полученные значения простых целых чисел, не имею-щие общего множителя, заключенные в круглые скобки, являются индексами Миллера плоскости.
Рассмотрим индексы Миллера плоскости, пересекаю-щей оси координат в точках (где a период решетки, рис. 6а). Обратные значения этих чисел 2, 1, 3. Эти числа являются простыми и не имеют общего множителя. Поэтому индексы этой плоскости будут (213). Следует читать: «дна», «одни», «три».
Индекс по оси показывает, на сколько равных частей дан¬ная система плоскостей делит осевую единицу по данной координатной оси.
№ 8. Какие точки пересекает плоскость (211)? Ответ (см. на с. 27): плоскость пересекает 1) ось X в точке 1/2а, оси Y и Z в точках 1а; 2) ось X в точке 2а, оси У и Z в точ-ках 1а.
Плоскость, параллельная какой-либо координатной оси, имеет индекс по этой оси нуль, т. к. Так, например, плоскость qmrn (рис. 6а) имеет индексы (110).
Если плоскость пересекает ось в области отрицатель-ных значений координат, то соответствующий индекс бу-дет отрицательным и знак минус становится над индек-сом.
Непараллельные плоскости, имеющие одинаковое атомное строение, кристаллографически эквивалентны, например: (001) и (100) или (110) и (011) и т. д.
Важнейшими плоскостями кубических решеток явля-ются 6 плоскостей граней куба; 8 плоскостей типа (111), которые в пространстве образуют октаэдр, и 12 плоско-стей типа (110), которые образуют ромбический додека-эдр. Совокупность эквивалентных плоскостей обозначают обычно индексами плоскости В первом октанте и заклю-чаются в фигурные скобки. Таким образом, важнейшими плоскостями куба являются {100}, {111} и {110}.
Зная индексы (hRl) плоскости, можно подсчитать меж-плоскостное расстояние d между плоскостями (hRl) дан-ного семейства, которое для кубических кристаллов с пе-риодом решетки d определяется по формуле:
(3)
Эта зависимость широко используется при рентге-ноструктурном анализе кристаллических тел, имеющих кубическую решетку.
№ 9. Чему равно межплоскостное расстояние d систе-мы плоскостей (111) в кубическом кристалле, имеющем период решетки, а=2А? Ответ (см. с. 27): 1) ; 2) ; 3) .
Индицирование кристаллографических направлений рас¬смот¬рим по рис. 6б. Ориентация прямой определяется координатами двух ее точек. При определении индексов направлений необходимо, чтобы:
одна точка направления совпадала с началом коорди-нат (если прямая не проходит через начало координат, то необходимо путем параллельного переноса совместить ее с началом координат или перенести начало координат на прямую);
установить координаты любой другой точки, лежащей на данной прямой, в единицах решетки;
привести отношения этих координат к отношению трех наименьших целых чисел;
заключив полученные числа в квадратные скобки, по-лучим индексы кристаллографического направления.
Например, индексы направления od (рис. 6б) будут [111].
№ 10. Каковы индексы оси Y, рис. 6, б.? Ответ (см. на с. 27): 1) [100]; 2) (010); 3) [010].
Для получения индексов прямой, проходящей через точки l и центр граня k (рис. 6б), необходимо перенести линию lk параллельно самой себе так, чтобы она прохо-дила через начало координат и определить новые коорди-наты точки k, которые будут
Наименьшие целые числа без общего множителя бу-дут: -1, 2, 1. Знак минус у индекса -1. ставится над индек-сом. Тогда индексы направления lk будут [121].
Совокупность непараллельных кристаллографически эквивалентных направлений обозначают индексами одно-го направления (как и плоскостей), заключенными в лома-ные скобки. Например, для ребер куба имеем <100>, диа-гоналей грани <011> и т. п. Полезно помнить, что в куби-ческой решетке индексы направления, перпендикулярного плоскости (hkl) имеют те же индексы, т. е. [hkl]. Проверьте это, упражняясь по рис. 6, а и б.
После открытия лучей Рентгена, длина волны которых соизмерима с периодами решеток, появилась возмож-ность непосредственного исследования расположения атомов в кристаллической решетке.
Как известно из курса физики, основой рентгенострук-турного анализа является формула Вульфа-Брегга, пока-зывающая условия интерференции отраженных рентге-новских лучей от атомов в параллельных кристаллогра-фических плоскостях кристалла (рис. 7, а). Лучи, отра-женные от этих плоскостей будут усиливать друг друга при условии, что разность пути для лучей равна целому числу длин волн
(4)
где n - - целое число, — длина волны рентгеновских лучей, d — межплоскостное расстояние, — угол паде-ния и отражения лучей.
На рис. 7, 6 показана схема наиболее часто использу-емого метода съемки поликристаллических материалов. Стрелками показаны образующие двух конусов рентге-новских лучей, отраженных от двух различных семейств параллельных кристаллографических плоскостей. На рис. 7, в показана схема рентгенограммы. Симметрично распо-ложены темные дуги па развернутой пленке от воздей-ствия отраженных лучей на эмульсию пленки. Легко ви-деть, что по расстоянию 21 между дугами можно опреде-лить угол отражения из формулы , где А радиус цилиндра, по которому была изогнута пленка в камере. На рис. 8 показана рентгенограмма, снятая с поликристалли-ческой меди. Индексы линий соответствуют индексам от-ражающих плоскостей кристалла.
Формула (5) для расшифровки линий рентгенограмм, снятых с материалов с кубической решеткой, получена из формул (3) и (4)
(5)
По промерам рентгенограммы устанавливают . Зная длину волны и параметр решетки а, устанавливают индексы плоскости {hkl}, от которой получены соответ-ствующие линии на рентгенограмме.
№ 11. При съемке поликристаллического железа (пе-риод решетки а=2,8605 kХ) с использованием рентгенов-ской трубки с железным антикатодом (=1,934 кХ) получе-на линия с углом отражения = 28°34' (sin = 0,477). От какой кристаллографической плоскости получена эта ли-ния? Ответ (см. на с. 27): от плоскости 1) (211); 2) (110); 3) (321).
3. Типы связей между атомами (молекулами) в кристаллах
Классификация кристаллов по геометрическим типам кристаллических решеток недостаточна для того, чтобы судить о природе сил, удерживающих частицы (атомы, молекулы или ионы) в узлах кристаллической решетки.
Необходима ещё классификация кристаллов по типу связей. По своей природе химическая связь едина: она имеет электрическую природу, но проявляется она в раз-ных кристаллах по-разному. Различают следующие ос-новные типы связей: ионную, ковалентную, полярную, ме-таллическую. Соответственно получают четыре типа кри-сталлических решеток: ионные, атомные, полярные и ме-таллические. Тип связей весьма сильно влияет на свой-ства твердых тел, поэтому необходимо изучить этот во-прос подробнее.
Кристаллы с ионной связью. Такие кристаллы (напри-мер NaCl) состоят из разноименно заряженных ионов (Na+, С1-), которые образуются переходом электронов от атомов одного типа (Na) к атомам другого типа (С1). Рас-стояние между центрами ионов в кристалле определяется уравновешиванием сил притяжения между анионами и ка-тионами и сил отталкивания их электронных оболочек. Материалы с ионным типом связей в качестве конструк-ционных практически не применяются.
Кристаллы с ковалентным типом связи (атомные кристаллы). Связь осуществляется обобществлением валентных электронов соседних атомов. Типичным телом с такой связью является алмаз, состоящий из атомов уг-лерода с электронным строением 1s22s22p2. Связь между соседними атомами осуществляется парами валентных электронов, находящихся на общей для них связывающей орбите. Это создает в межатомном пространстве резко выраженную локализацию электронов в направлениях, являющихся кратчайшими для двух соседних атомов (об-разуются «электронные мостики»). Электронная плот-ность в межатомном пространстве вне «мостиков» очень мала. При образовании ковалентной связи каждый атом достраивает свою валентную оболочку до эффективных 8 электронов - за счет обобществления электронов бли-жайших соседних атомов.
На рис. 9, внизу, показана схема обобществления ва-лентных электронов атомов углерода в кристалле алмаза. На рис. 9, верху, показано пространственное расположе-ние атомов в кристалле алмаза.
№ 12. Чему равно координационное число кристалла алмаза? Ответ (см. на с. 27): 1) 3; 2) 4.
В силу того, что ковалентная связь создается взаимо-действием валентных электронов, кристаллы, атомы ко-торых связаны такой связью, называют иногда валент-ными.
Валентными являются также кристаллы элементов VB, VIS и VIIB-подгрупп, рис. 1. Юм-Розери показал, что коор-динационное число К валентных кристаллов элементов IV, V, VI, VIIB-подгрупп удовлетворяет правилу К = 8— N, где N — номер группы, где расположен элемент. Преиму-щественно ковалентная связь имеет место также между разнородными атомами в таких соединениях, как карбиды (FезС, SiC), нитриды (,MN), которые имеют большое зна-чение в технических сплавах. Прочность ковалентной связи зависит от степени перекрытия орбит валентных электронов (с увеличением перекрытия прочность связи повышается). Поэтому свойства тел с ковалентным типом связи могут сильно различаться. Характерными свой-ствами для тел с такой связью является малая плотность, высокая хрупкость, в ряде случаев очень высокая твер-дость (алмаз, карбиды, нитриды). Тела с таким типом свя-зи являются диэлектриками или полупроводниками. Ма-териалы с ковалентным типом связи находят широкое применение: па базе их создаются полупроводниковые материалы; соединения — карбиды, нитриды, которые яв-ляются важнейшими упрочняющими фазами н высоко-прочных металлических сплавах. Ковалентный тип связи является весьма важным и в полимерных материалах.
Полярный тип связи. Молекулярные кристаллы. Пред-ставителями тел с таким типом связи является Н2, N2, СО2, Н2О, СН4 в закристаллизованном (твердом) состоя-нии.
Кристаллы этих тел состоят из молекул, между кото-рыми действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса, природа которых следующая.
Если молекулы вещества являются электрическими диполями (Н2О), то расположением их друг относительно друга так, чтобы (+) одного диполя, примыкал к (—) друго-го, достигается минимум потенциальной энергии. Такой тип взаимодействия называется ориентационным.
Неполярные в обособленном состоянии молекулы не-которых веществ в конденсированном состоянии облада-ют высокой поляризуемостью (концентрация электронов в атоме перестает обладать сферической симметрией). По-этому создается возможность удерживания рядам распо-ложенных молекул, как и в первом случае. Такое взаимо-действие называется индукционным или поляризацион-ным. Из технических материалов полярная связь наблю-дается между макромолекулами в полимерных материа-лах.
Металлический тип связи. При конденсации паров металла в жидкое или твердое состояние его атомы сближаются настолько, что электронные орбиты их внеш-них электронов перекрываются, вследствие чего валент-ные электроны могут переходить свободно от одного ато-ма к другому, наподобие атомов газа (отсюда термины «электронное облако», «электронный газ»). Электроны в облаке обобществлены между всеми атомами (ионами) кристалла. Между ними и положительными ионами возни-кают силы электростатического взаимодействия, опреде-ляющие силу связи между атомами в кристалле. Благода-ря сферическому распределению заряда ионов металла возникает возможность максимальной плотности упаковки их в металлических кристаллах (образуются решетки г.ц..к., г.п.у. с координационным числом 12 и = 0,74) (ре-шетка о. ц.к.с К = 8 и = 0,68 объясняется зонной теорией твердых тел). Наличие незанятых энергетических уровней валентных электронов в металлических кристаллах обу-славливает их высокую электро- и теплопроводность, вы-сокую отражательную способность световых лучей (ме-таллический блеск).
Наличие электронного газа и сферическая симметрия заряда ионов обуславливает и такое важное свойство, как пластичность металлов.
Прочность металлов в большинстве случаев высокая и особенно высока у переходных металлов, что объясняет-ся участием в образовании связи не только s-электронов, но и части электронов d-подуровня. Это сказывается в по-вышении модуля упругости и температуры плавления. Особенно тугоплавкими являются переходные металлы VA, VIA, VIIА-подгрупп, как это видно из рис. 10, а.
№ 13. Из всего изложенного выше о металлах сфор-мулируйте: каковы отличительные особенности этих ве-ществ. Ответ (см. на с. 28): для металлов характерны 1) высокая плотность упаковки атомов в кристаллах, хоро-шая электропроводность и пластичность; 2) металличе-ский блеск, теплопроводность; 3) высокая пластичность и прочность; 4) отрицательный температурный коэффици-ент электропроводности, металлический блеск, пластич-ность, высокие электро- и теплопроводность, плотность.
Следует от¬метить, что в ре¬альных материалах часто реализуются различные типы связей (так в переходных металлах имеет место металлическая и ковалентная связь, в полимерах — ковалентная и полярная и т. д. Все это соответствующим образом влияет на свойства твер-дых тел).
Помимо вышеприведенной классификации материалов возможно подразделение металлов по их характерным свойствам, которые в основном определяют области ис-пользования металлов в технике. Выделяют следующие группы металлов.
О неработающих или "битых"ссылках сообщайте пожалуйста в комментариях ниже под данным материалом, мы обязательно исправим ошибку и сообщим вам об этом.
Спасибо!
Комментариев нет:
Отправить комментарий