ТИПИ МІЖАТОМНИХ ЗВ'ЯЗКІВ. БУДОВА МАТЕРІАЛІВ

Типи міжатомних зв'язків

У твердих тілах між атомами діють сили тяжіння і відштовхування. Перші утримують атоми разом, при цьому утворюється цілісний матеріал, другі не дають атомам злитися. Тверді речовини існують при рівновазі сил тяжіння і відштовхування.

Природа сил відштовхування однакова у всіх твердих речовинах. Сили відштовхування виникають, коли атоми зближуються так, що орбіти їх зовнішніх електронів перекриваються. При цьому позитивні заряди ядер атомів вже не повністю екрануються, внаслідок чого між ними виникають сили відштовхування.

На відміну від сил відштовхування, що мають однакову природу, природа сил тяжіння різна і саме вона визначає властивості матеріалу. Розрізняють чотири види зв'язку: іонну, ковалентний, металеву і зв'язок Вандер-Ваальса.

іонна зв'язок

Іонна зв'язок властива з'єднанням, освіченим різнорідними атомами. Зовнішні електрони атомів одного елемента переходять на зовнішні орбіти атомів іншого елемента, утворюючи стійкі електронні конфігурації.

Як типовий приклад речовини з іонним типом зв'язку можна навести кухонну сіль - NaCl. Натрій належить до першої групи Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, на його зовнішній орбіті знаходиться один електрон. Хлор - елемент сьомої групи, на його зовнішній орбіті розташовано сім електронів. Перехід одного електрона атома натрію на орбіту хлору призводить до утворення двох іонів зі стійкою конфігурацією, що володіють різними зарядами. Позитивний іон натрію отримує стійку конфігурацію неону; негативний іон хлору - стійку конфігурацію аргону (вісім електронів на зовнішній орбіті атома).

Міжатомні сили тяжіння - електростатичні, іонна зв'язок сильна. Цей зв'язок є спрямованою, так як перерозподіл валентних електронів відбувається між атомами однієї молекули (одним атомом натрію і одним атомом хлору). Іонний тип зв'язку притаманний неорганічним хімічних сполук. Сильна зв'язок визначає властивості речовин - високу температуру плавлення, високий модуль пружності, низький коефіцієнт теплового розширення, високу твердість.

Будова твердої речовини з іонним типом зв'язку характеризується тим, що атоми в речовині розташовуються строго впорядковано, кожен позитивний іон оточують тільки негативні іони, і навпаки (рис. 1.1). Найбільш відомий і широко поширений матеріал з іонним типом зв'язку - скло, основою якого є оксиди різних елементів.

Кристалічна решітка NaCl

Мал. 1.1. Кристалічна решітка NaCl

Ковалентний зв'язок

Ковалентний зв'язок встановлюється в результаті утворення стійких з'єднань шляхом усуспільнення електронів певними атомами. Прикладом ковалентного зв'язку може служити молекула газу, утворена двома атомами, що мають кожен але сім електронів на зовнішній орбіті (наприклад, хлор). Стійка конфігурація молекули утворюється в результаті усуспільнення по одному електрону кожним з двох атомів (рис. 1.2). Освіта стійких структур визначається правилом (8 - IV), де N - число електронів на зовнішній орбіті (Лг <4).

Ковалентний тип зв'язку характерний для елементів IV, V, VI, VII підгрупи таблиці Менделєєва - це вуглець, кремній, германій та ін. Так, для вуглецю число обобществленних атомів дорівнює чотирьом. Прикладом модифікації вуглецю є алмаз.

Ковалентний зв'язок - спрямована, так як кожен атом вступає у взаємодію з цілком визначеним числом сусідніх атомів. Сила ковалентного зв'язку зазвичай досить велика внаслідок її спрямованого характеру.

Ковалентні зв'язки характерні, наприклад, для пластмас.

Молекула хлору (схема)

Мал. 1.2. Молекула хлору (схема)

Металева зв'язок

Цей зв'язок характерна для металів - основних конструкційних машинобудівних матеріалів.

Атоми металів мають невелику кількість (один або два) зовнішніх (валентних) електронів, які слабо пов'язані з ядром. При зближенні атомів електрони, що знаходяться на зовнішніх оболонках, втрачають зв'язок зі своїми атомами, вони коллектівізіруются, тобто стають надбанням всіх атомів даного металу, можуть вільно переміщатися між позитивно зарядженими іонами, утворюючи "електронний газ". Такі електрони називають електронами провідності, або колективізованими електронами, оскільки вони належать не якомусь конкретному атому, а є спільними для всіх атомів. Наявність електронного газу визначає властивості металу, принципово відрізняють його від неметалів: високі тепло- і електропровідність.

Позитивно заряджені іони розташовуються на такій відстані один від одного, що сили тяжіння між негативно зарядженими електронами і позитивно зарядженими іонами врівноважуються силами відштовхування між іонами.

Металева зв'язок є ненаправленої. Відсутність сильних спрямованих зв'язків між атомами металів визначає одне з їх найважливіших, унікальних властивостей - пластичність, тобто здатність пластично деформуватися, змінюючи форму без руйнування. Тому при виготовленні металопродукції широко застосовують методи пластичного деформування - ковку, прокат, волочіння.

Сили Ван-дер-Ваальса

Походження цих сил пов'язано з тим, що атоми є малими диполями. Середнє в часі просторовий розподіл електронів в атомі симетрично щодо ядер, але в кожен конкретний момент центр негативних зарядів може не збігатися з ядром, що має позитивний заряд, що і утворює диполь (рис. 1.3). Взаємодія диполів приводить до появи сил тяжіння. Ця взаємодія кілька посилюється внаслідок того, що наявність диполя, утвореного одним атомом, сприяє перетворенню в диполь сусіднього атома.

Сили Ван-дер-Ваальса.  взаємодія диполів

Мал. 1.3. Сили Ван-дер-Ваальса. взаємодія диполів

Міжатомні сили Ван-дер-Ваальса існують у всіх речовинах поряд з розглянутими вище силами міжатомних зв'язків. Вони слабкі і виявляються важливими і значущими, тобто впливають на властивості матеріалу, тільки за відсутності більш сильних зв'язків інших типів. До таких матеріалів відносяться полімери - органічні речовини, графіт - неорганічне речовина.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >