ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Межатомные силы связи и их природа из "Теория сварочных процессов Издание 2 " Обычно различают четыре типа связей в зависимости от их природы 1) ионные 2) ковалентные 3) металлические 4) молекулярные. Все они имеют электрическую природу — создаются действием электрических зарядов частиц, составляющих атомы. Если соединяемые частицы имеют разноименные электрические заряды, то связи называются гетерополярньши. К ним можно отнести ионные и молекулярные связи. Если же заряды одноименные, то связи будут гомеополярными. К ним относят связи ковалентные и металлические. [c.14] Наиболее наглядна и доступна пониманию ионная связь. Здесь соединяемые вещества представляют собой электрически заряженные частицы — ионы, образуемые из атомов отщеплением электронов (положительные ионы), например Na+, Са++, или присоединением лишних (отрицательные ионы), например С1 , 0 . Разноименные ионы притягиваются электрическими кулоновскими силами, меняющимися обратно пропорционально квадрату расстояния между зарядами. Такое изменение сил с расстоянием сравнительно медленное и поэтому эти силы относят к дальнодействующим. [c.14] Сущность ковалентной связи состоит в том, что сближающиеся атомы заставляют спаренные электроны двигаться между атомными ядрами по общей орбите, что дает значительный выигрыш в энергии. Ввиду неразличимости электронов, они периодически обмениваются местами на орбите, создавая значительные обменные силы, сближающие атомы. Чрезмерному сближению препятствуют силы отталкивания, быстро возрастающие с уменьшением расстояния между атомами. Полученные соединения часто отличаются высокой прочностью, которую можно определить по энергии диссоциации соединения. Примерами ковалентных соединений могут служить алмаз, кремний, серое олово и пр. Соединения хрупки и не способны к пластической деформации, они диэлектрики или полу-пронодники. [c.15] Обменные силы обратно пропорциональны 7-й степени расстояния между атомами, поэтому они близкодействующие. В отличие от кулоновских сил, они не действуют на частицы газа, не проявляются между предметами макромира. Для использования обменных сил нужно сблизить атомы на очень малые расстояния, проще говоря, привести их в соприкосновение. Обменные силы играют важную роль в образовании атомных ядер, где они удерживают протоны, отталкивающиеся друг от друга с огромной силой. [c.15] Перейдем к самым важным для нас — металлическим связям, действующим преимущественно в металлах. Эти связи представляют собой дальнейшее развитие ковалентных связей. Здесь все свободные электроны связываются в общих орбитах, пересекающих весь объем металла, а все положительные ионы срастаются в неподвижную кристаллическую решетку металла. Огромные положительные заряды ионов решетки экранируются облаком электронов, образующих электронный газ, заполняющий весь объем металла. Расчеты показывают, что медь, например, содержит 8,4 X X 10 м электронов. [c.15] Металлическая связь существует лишь в конденсированной фазе — твердом или жидком металле, газообразные пары металла уже не имеют металлических свойств. Весьма высокая концентрация электронов в металлах создает их высокую электропроводность, прочие связи, кроме металлической, создают изоляторы или полупроводники. Многочисленность разнонаправленных связей у каждого атома позволяет перемещать атомы без разрушения металла и создает высокую пластичность, позволяющую подвергать металлы большим пластическим деформациям без разрушения их (ковка, прокатка, протяжка и пр.). [c.15] В заключение упомянем о молекулярных связях, создаваемых силами Ван-дер-Ваальса. Все частицы — атомы, ионы и молекулы — испытывают слабое взаимное притяжение под действием этих сил. [c.15] Как видим, формы межатомных связей достаточно разнообразны, причем различные формы могут наблюдаться не только в разных телах, но и в разных зонах одного тела. Возможно, например, образование слоев или цепочек атомов, связанных ковалентными связями, и соединение слоев или цепочек молекулярными связями, причем прочность тех и других связей может быть весьма различной. Поэтому иное твердое тело легко разделить на пластинки, волокна и т. п. [c.16] При большом межатомном расстоянии атомы практически не взаимодействуют друг с другом, т. е. силы их взаимодействия близки к нулю. С уменьшением расстояния до некоторого значения Rк силы притяжения Рпр(/ ) возрастают быстрее сил отталкивания Рот (Р)-Последующее сокращение расстояния Р связано с дальнейшим увеличением сил притяжения, но силы отталкивания также растут, и растут быстрее. В результате суммарная сила Р(Р) взаимодействия (притяжение) уменьшается и при некотором значении Р = Ро становится равной нулю. Дальнейшее сближение атомов приведет к тому, что силы отталкивания будут значительно больше сил притяжения. Таким образом, система из двух атомов будет стремиться к устойчивому состоянию, при котором расстояние между ними равно Р . По мере сближения атомов потенциальная энергия системы (Р) снижается (рис. I, б). Состояние равновесия между силами притяжения и отталкивания характеризуется минимальным значением потенциальной энергии системы. Поскольку всякая изолированная материальная система стремится к уменьшению потенциальной энергии, то положение атомов при межатомном расстоянии Ро наиболее устойчиво. [c.17] С увеличением температуры (приростом энергии А1 ) растет амплитуда колебаний атомов, а также среднее межатомное расстояние / ср (рис. 1, б). Такая зависимость удовлетворительно объясняет целый ряд явлений, например увеличение объема твердых тел с повышением температуры. [c.17] Мы рассмотрели схему взаимодействия двух атомов в каком-то одном пространственном направлении. Естественно, что и по другим направлениям такое взаимодействие аналогично. Каждый атом приобретает себе соседей в таком количестве, в каком это возможно. [c.17] Форма атомов не сферическая, тем не менее для простоты рас-суждений и наглядности их часто изображают в виде шаров. Структуру металла в этом случае условно можно представить как совокупность одинаковых твердых шаров, находящихся в наиболее плотной упаковке. [c.18] Если на плоскости разместить 1-й слой шаров, то наибольшая плотность будет в том случае, когда вокруг одного из них, центрального, расположатся 6 шаров, касающихся друг друга (рис. 2, а). Центры шаров разместятся в вершинах правильного шестиугольника. Добавляя шары, этот шестиугольник можно повторять неограниченное число раз (рис. 2, б). [c.18] Оба варианта, как видим, совершенно равноценны и отличаются лишь ориентацией на плоскости. [c.19] Примем расположение шаров 2-го слоя над центрами треугольников с вершинами, направленными вниз (рис. 2, в). При укладке 3-го слоя вновь возникают две возможности размещения шаров (рис. 2, д, е). Если 3-й слой расположен так же, как и 2-й, то конечная структура будет кубической гранецентрированной. Элементарная ячейка такой структуры показана на рис. 2, ж. Эту ячейку получим, приняв один из шаров 1-го слоя за угол куба. Если же шары 3-го слоя займут положение над треугольниками с вершинами вверх, то этот слой в точности повторит размещение шаров 1-го слоя и мы получим гексагональное плотноупакованное расположение шаров, которому соответствует элементарная ячейка, изображенная на рис. 2, з. [c.19] Многие металлы и их сплавы кристаллизуются по двум рассмотренным схемам в гексагональной плотноупакованной — Zn, Mg, a-Ni, a-Ti и др., в гранецентрированной кубической — Си, А1, РЬ, Ag, Au, Pt, y-Fe, P-Ni и пр. В связи с различиями между гексагональной плотноупакованной и кубической гранецентрированной решетками существенно различаются и свойства металлов, кристаллизующихся в этих решетках. [c.19] Кубическая объемноцентрированная структура. Приведенные рассуждения, казалось бы, дают основание утверждать, что при наличии металлической связи все вещества должны кристаллизоваться только двумя указанными способами, так как других вариантов плотной упаковки шаров не существует. Однако в природе имеется еще ряд решеток, в которых кристаллизуются металлы, что свидетельствует о большей сложности законов образования кристаллических структур. [c.19] в реальных кристаллах часто встречается кубическая объемноцентрированная структура, которую невозможно получить на основе приведенных выше простейших рассуждений. В этой структуре кристаллизуются -Fe, Мо, V, а-Сг, Na, К и многие другие металлы. Элементарная ячейка кубической объемноцентрированной решетки показана на рис. 2, и. Общим принципом, лежащим в основе образования реальных кристаллических решеток, является повышение устойчивости системы с уменьшением ее энергии. [c.19] Процесс перехода вещества из одной модификации в другую можно пояснить так. [c.20] Вернуться к основной статье