Взаимодействие структурных частиц вещества.

Раздел 1. Строение материалов.

Лекция №2

1. Строение материалов
2. Взаимодействие структурных частиц вещества.
3. Кристаллическое строение металлов
4. Полиморфизм в металлах.
5. Реальное строение металлических кристаллов
6. Кристаллизация металлов и сплавов.

Строение материалов.

В зависимости от соотношения энергии теплового движения час­тиц (атомов, ионов или молекул), образующих данное вещество, и энергии их взаимодействия все материалы при нормальных условиях могут находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком или твердом. Особым видом существования вещества является плазменное со­стояние, которое образуется при высоких температурах (выше 5000°С) или при воздействии электрических разрядов и представляет собой сильно ионизированный газ.

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое и далее в твердое сопровождается ростом упорядоченности в расположении частиц в пространстве.

Вещества находятся в газообразном состоянии тогда, когда энергия теплового движения частиц превышает энергию их взаимодействия. Такими частицами в газах являются молекулы: реже одноатомные (Не, Nе, Аг, Кг, Хе,), чаще двух-, трех- и многоатомные (Н₂, С0₂, Н₂0, СН₄, С₂Н₆ и т.п.). Молекулы газа находятся в постоянном хаотическом движении. В результате внешних энергетических воздействий очень незначительная часть молекул ионизирует с образованием ионов и электронов.

В жидком состоянии энергия теплового движения частиц, образующих вещество, сравнима с энергией их взаимодействия. Этими частицами являются молекулы. Если молекулы полярные, то часть их будет диссоциирована на положительные и отрицательные ионы. В жидкостях имеет место ближний порядок

Неионизированные газы и недиссоциированные жидкости явля-диэлектриками. Сильно ионизированные газы (плазма), расплавы и водные растворы электролитов представляют собой проводники второго рода.

В твердом состоянии энергия взаимодействия частиц, образующих вещество, значительно превышает энергию их теплового движения. Такими частицами являются атомы, ионы или молекулы, которые расположены либо в геометрически правильном порядке, образуя кристаллическое тело, либо хаотически, образуя аморфное тело.

Строение твердых тел, находящихся аморфном состоянии, сходно со строением жидкостей. Для них, в отличие от жидкостей, характерна очень высокая вязкость. В кристаллическом теле наблюдается дальний порядок в расположении частиц, В кристалле сформирована пространственная кристаллическая решетка. Многократно повторяющимся элементом решетки является элементарная ячейка, вершины которой называют узлами, а расстояния между двумя соседними узлами — периодом или параметром решетки.

Каждое вещество имеет кристаллы определенной формы, которая отражает их внутреннее строение.

В зависимости от того, какие частицы (атомы, ионы или молекулы) находятся в узлах решетки, различают следующие основные типы кристаллических структур: атомные, металлические, ионные и молекулярные. Характерная особенность кристаллических тел- анизотропия их свойств, которая значительно проявляется только в монокристаллах и слабо — в текстурированных материалах.

Монокристалл — это огромное число одинаково ориентированных элементарных ячеек, т.е. это большой одиночный кристалл. В природе некоторые минералы встречаются в виде монокристаллов. Однако большинство кристаллических веществ являются поликристаллическими. Они состоят из множества сросшихся мелких кристаллов, не имеющих одинаковой ориентации и этому проявляют изотропность физических свойств. При кристаллизации кристаллы сталкиваются друг с другом и теряют правильную геометрическую форму. Такие кристаллы называют зернами или кристаллитами. Текстурирование — это некоторая упорядоченность в ориентации металлических зерен, достигаемая специальной обработкой (например, прокаткой) поликристаллических материалов.

Некоторые вещества находятся в аморфно-кристаллическом состоянии, т.е. в них сосуществуют две фазы: аморфная и кристаллическая. Такое строение имеют многие полимеры, ситаллы (стекла специального состава) и др.

Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов и характера взаимодействия их в кристалле; от пространственного расположения элементарных частиц; химического состава, размера и формы кристаллов. Все эти детали строения кристаллов описывает понятие «структура». В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления используют следующие понятия: тонкая структура, микро- и макроструктура.

Тонкая структура описывает расположение элементарных частиц в кристалле и электронов в атоме. Изучается дифракционными методами (рентгенография, электронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, получаемую при взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами (А.= 10~1 0-=-10~1 2м) рентгеновских лучей (или волн электронов, нейтронов), можно получить обширную информацию о строении кристаллов.

Большинство материалов состоит из мелких кристалликов (зерен). Наблюдать такие мелкие структурные составляющие - микроструктуру возможно с помощью оптического (размером до 10~7 м) или электронного (размером до 2-10~1 0 м) микроскопа. Микроскопические методы дают возможность определить размеры и форму

кристаллов, наличие различных по своей природе кристаллов, их распределение и относительные объемные количества, форму инородных включений и микропустот, ориентирование кристаллов, наличие специальных кристаллографических признаков (двойникование, линии скольжения и др.). Это далеко не полное перечисление характеризует обширность тех сведений, которые можно получить при помощи микроскопа.

Изучая строение кристаллов невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы - макроструктуру, можно выявить характер излома, усадочные раковины, поры, выявить размеры и форму крупных кристаллов. Используя специально приготовленные образцы (шлифованные и травленые), обнаруживают трещины, химическую неоднородность, волокнистость. Исследование макроструктуры, несмотря на свою простоту, является очень ценным методом изучения материалов.

 

Взаимодействие структурных частиц вещества.

Структура химического соединения (вещества) определяется типом связи между образующими его элементами. Различают химические и физические связи. Химические связит классифицируют по характеру распределения электронной плотности между атомами. Основные виды химической связи: ковалентная, ионная, металлическая.

Ковалентная связь – осуществляется парой электронов, находящихся в общем владении двух атомов, образующих связь. Ковалентная связь лежит в основе существования простых газов (водород, хлор, и др.), различных соединений (вода, аммиак), а так же атомных кристаллов.

Ковалентная связь может быть полярной и неполярной. Если молекула состоит из атомов одного и того же химического элемента, то электронная пара (одна или несколь­ко) в одинаковой степени принадлежит этим атомам. В этом случае ковалентная связь является неполярной или нейтральной, и образуе­мые молекулы тоже являются неполярными. Если молекула состоит из атомов различных химических элемен­тов, то электронная пара будет смещена в сторону атома с большей электроотрицательностью. В результате смещения электронной пары центры положительных и отрицательных зарядов сместятся на некоторое расстояние друг от друга, ковалентная связь станет полярной. По­лярной или дипольной станет сама молекула. Например, молекула воды полярная, так как электронные пары между атомом кислорода и двумя атомами водо­рода смещены в сторону атома кислорода, как более ЭО. При наличии полярных ковалентных связей могут образовы­ваться и неполярные молекулы, если дипольные моменты уравновешивают друг друга (т.е. если молекула построена симметрично).

Ионная связь – основана на электростатическом взаимодействии между противоположно заряженными ионами. Она характерна для соединений металлов с неметаллами, а так же для ионных кристаллов. Наиболее яркими представителя­ми соединений с ионной связью являются галогениды щелочных ме­таллов, хотя и у них химическая связь не полностью ионная.

Неполярные, по­лярные и ионные молекулы представляют собой непрерывный пере­ход. Граница между полярной ковалентной связью и ионной — чисто условная. Принципиального различия в механизме образования связей нет, так как природа химической связи единая — электрическая.

Металлическая связь встречается в соединениях металлов. При взаимодействии друг с другом валентные энергетические зоны атомов перекрываются, образуя общую зону со свободными подуровнями. Это дает возможность валентным электронам свободно перемещаться в пределах этой зоны (электронный газ). Происходит обобществление валентных электронов в объеме всего кристалла.

Молекулярная (физическая) связь – взаимодействие нейтральных молекул (или атомов) на основе слабых электростиатических сил (вандерваальсово взаимодлействие). Эта связь менее прочная, чем химическая.

Основными типами кристаллических структур являются атомные, металлические, ионные и молекулярные.

Ковалентные кристаллы имеют высокую температуру плавления, твердость, малую электропроводность большие показатели преломления. Атомное строение имеют простые полупроводники (селен, германий, кремний и др.), в узлах решетки которых находятся атомы. Связь имеет ярко выраженную направленность.

Ионные кристаллы имеют высокую температуру плавления и испарения, высокий модуль упругости. Направленность связи приводит к высокой твердости и отсутствию пластичности. В узлах решетки ионных кристаллов чередуются по­ложительно и отрицательно заряженные ионы. При нормальной температуре ионы относительно прочно удержива­ются в узлах решетки, поэтому электропроводность ионных кристал­лов ничтожно мала; она осуществляется за счет дефектов строения и ионов примеси.

При растворении (например, в воде) или расплавлении такой кристалл распадается на свободные ионы и становится проводником второго рода, а при испарении — на молекулы, оставаясь диэлектриком.

Металлические кристаллы (металлы). Металлы более пластичны и менее тверды, чем ковалентные и ионные кристаллы, что объясняется природой металлической связи и более плотной структурой. В узлах кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы металла – катионы, связанные между собой обобществленными электронами. Металлы обладают хорошей тепло- и электропроводностью за счет свободных электронов. Металлы непрозрачны, они хорошо отражают излучение, т.е. обладают блеском.

Молекулярные кристаллы имеют низкие Т_{плавления} и Т_{испарения}, т.к. энергия связи невелика. Они – диэлектрики, т.к. построены из электрически нейтральных молекул, и в отличие от металлов прозрачны для электромагнитного излучения. Малая энергия связи определяет так же низкий модуль упругости кристаллов и небольшие коэффициенты теплового расширения. Механические характеристики их низки.