3.5. Химический состав и свойства веществ и материалов

По природе все химические взаимодействия являются электро-магнитными. Однако, с учетом волновых и квантовых свойств взаимодействующих химических элементов, силы взаимодействия (их называют силами химической связи) по величине и механизму существенно различаются друг от друга и зависят от свойств взаимодействующих элементов.

Различают несколько видов химической связи и соответствующих им соединений [2].

Ионные соединения. Их образуют элементы крайних групп (исключая группу инертных газов) таблицы Д. И. Менделеева Сила связи определяется кулоновским взаимодействием катионов металла и анионов неметалла (электромагнитное взаимодействие). Атомы металлов I, II группы отдают свои валентные электроны, а атомы неметалла захватывают их на свои орбитали, превращаясь в анионы. В целом энергия системы понижается на величину энергии связи. Энергия связи ионных соединений 10⁵ Дж/моль. Это большая энергия, поэтому соединения с ионной связью в твердом состоянии обладают высокой прочностью и твердостью, имеют высокие температуры плавления. В электрическом отношении ионные соединения – диэлектрики. Электропроводность их имеет преимущественно ионный характер, так как электроны локализованы на анионах и не принимают участия в электропереносе; в оптическом отношении кристаллы их прозрачны. Типичные представители этих соединений: и т.п.

Ковалентные соединения – соединения, образованные одинаковыми атомами ( и т.п.) или атомами с близкой электроотрицательностью. Для максимального понижения энергии двум одинаковым атомам, образующим молекулу, или большему количеству атомов, образующих кристалл, энергетически выгодно сосредоточить электронное облако на одинаковом расстоянии от ядер вдоль прямой, соединяющей ядра атомов. В таком случае получается структура с чередующимися положительными и отрицательными зарядами и энергия атомной системы понижается. Важной особенностью ковалентной связи является ее направленность и насыщенность. Последнее означает, что в образовании участвуют два электрона, принадлежащие двум соседним атомам. Энергия ковалентной связи достаточно велика, порядка сотен килоджоуль на моль. Поэтому ковалентные кристаллы обладают высокой прочностью и твердостью. В электрическом отношении они либо диэлектрики, либо полупроводники. Кристаллы кремния – основа твердотельной и полупроводниковой электроники – типичные ковалентные кристаллы. Алмаз – ковалентный кристалл, образованный атомами углерода. Направленность ковалентных связей объясняет хрупкость ковалентных кристаллов, то есть способность разрушаться при кратковременных ударных воздействиях.

Ковалентные связи доминируют во всех органических соединениях, то есть в соединениях углерода. Из известных на сегодня примерно 12 млн. химических соединений более 11,6 млн. – органические.

Одним из основных факторов такого изобилия соединений углерода, является способность ковалентной связи (углеродной связи) к полимеризации. Второе важное обстоятельство – это способность углерода (его четырех ковалентных связей) образовывать различные по свойствам и структуре соединения одинакового элементного состава. Свойства таких соединений (их называют изомерами) определяются порядком расположения атомов или молекул при образовании насыщенных углеродных связей.

Металлическая связь преобладает в чистых металлах и многочисленных сплавах металлов, образуется за счет валентных электронов атомов металлов, которые в процессе конденсации (кристаллизации) теряют связь с ионом и становятся свободными, точнее коллективизированными. В соответствии с концепциями квантовой механики эти электроны «размазаны» по всему кристаллу (делокализованы) в виде электронного газа. Связь возникает вследствие взаимодействия положительных ионов с электронным газом: электроны своим зарядом «стягивают» ионы, уравновешивая силы отталкивания между ионами.

В отличие от ковалентной связи металлическая связь не направлена, электроны не локализованы. Именно поэтому металлы обладают высокой пластичностью (ковка, штамповка и т.п.), т.е. способностью смещаться одной части кристалла относительно другой без разрушения. Свободные электроны обеспечивают металл высокой электро- и теплопроводностью, а также высокой отражательной способностью падающих на поверхность электромагнитных волн. Энергия металлической связи достаточно высока кДж/моль.

Металлы, сплавы, а также интерметаллические соединения – основа традиционных и современных конструкционных материалов в строительстве, в машиностроении, в приборостроении, в энергетике и других отраслях промышленности.

Водородная связь образуется ионами водорода и играет важную роль в структуре воды (льда) и водных растворов. Водород – уникальный элемент, атом которого имеет единственный электрон. В молекуле воды атомы водорода образуют прочные ковалентные связи с атомами кислорода при этом атомы водорода сильно поляризуются и молекула воды в целом также приобретает свойства электрического диполя. По величине дипольного момента молекула воды превосходит все известные вещества, именно этим можно объяснить уникальную способность воды как растворителя. Поляризованный атом водорода индуцирует поляризацию в соседней молекуле воды (точнее ее атоме кислорода), выступая в роли связующего элемента между двумя молекулами воды. Таким образом, молекулы воды или льда связываются водородной связью. Энергия этой связи существенно меньше, чем описанных выше, что позволяет молекулам воды достаточно легко испаряться (сублимироваться) даже при низких температурах. Энергия сублимации льда составляет около 40 кДж/моль, что сопоставимо со средней энергией теплового движения молекул газа при комнатной температуре, равной ~ 16 кДж/моль.

Именно благодаря небольшой энергии водородной связи лед плавится при , а в природе идет достаточно интенсивный круговорот воды, обеспе-чивающий необходимым количеством весь растительный и животный миры.

Дисперсионная (Ван-дер-ваальсовая) связь – самая слабая связь, возникающая между атомами с заполненными электронными оболочками и не несущими заряда (например, атомы инертных элементов VIII группы). Природа этой связи объясняется квантово-механическими взаимодействиями электронов. Энергия связи не превышает несколько единиц кДж/моль, поэтому уже при комнатной температуре вещество с таким типом связи находится, как правило, в газообразном состоянии.

Рассмотренные типы связей и их свойства относятся только к идеально чистым веществам, которые в твердом состоянии не содержат дефектов (нарушений) кристаллической структуры (идеальные кристаллы). В таких веществах механические и физические свойства действительно определяются энергией межатомной связи. Однако, в природе и в технике абсолютно чистые и бездефектные вещества отсутствуют, поскольку закон возрастания энтропии ведет к структурной и химической разупорядоченности. Получение чистых веществ в производственных условиях технологически сложный процесс. В связи с этим реальные вещества и материалы содержат химические примеси и структурные дефекты, которые в основном и определяют их физико-химические и механические свойства. Например, экспериментальная прочность реальных конструкционных материалов может быть в десятки тысяч раз меньше теоретической прочности, рассчитанной из прочностей межатомных связей. Существуют однако материалы, полученные в специальных условиях и имеющие прочность, приближающуюся к теоретической, например, нитевидные кристаллы, полупроводниковые кристаллы для современных больших интегральных схем, углеродные волокна и др.

Наука, занимающаяся теорией и технологией формирования свойств материалов, называется материаловедением. Современное материаловедение – динамично развивающаяся область науки и техники с широким спектром направлений. Целью ее является получение материалов с заранее заданными свойствами: прочностными, коррозионными, тепло- и звукоизолирующими, термостойкими, сверхпроводящими, магнитными, диэлектрическими, химическими и др.

Материалы можно классифицировать:

• по химическому составу: органические (углеводороды, полимеры, пластмассы и др.), неорганические (металлы и сплавы, оксиды, галогениды и т.д.);

• по структуре: монокристаллы, поликристаллы, аморфные материалы, стекла, композитные материалы (композиты), тонкопленочные (продукт нанотехнологий), керамики, жидкокристаллические, биметаллические, порошковые и т.д.;

• по отраслям применения: строительные, машиностроительные, электротехнические, инструментальные, медицинские, текстильные, кожаные, электронной техники и т.д., и т.п.

Часто к материалам предъявляются трудносовместимые, противоречивые требования, например, высокая электропроводность и низкая теплопроводность, жаростойкость и коррозионная стойкость, прочность и пластичность, твердость и легкость. Наиболее оптимальным набором управляемых свойств и характеристик обладают материалы со сложной структурой: композиционные, полимерные, тонкие керамики и т.д. Именно на разработку и производство таких материалов ориентированны современные промышленные технологии.