Типы химической и физической связей в материалах

Материалы – обязательный и неотъемлемый объект не только техники, но и истории развития человечества. Материалы – это сложные или простые вещества, их смеси, гетерогенные композиции природного или искусственного происхождения, используемые или пригодные к использованию для решения практических задач. Материал в технике – твердое вещество, которое способно сохранять форму и размеры и имеющее модуль сдвига, не равный нулю.

Все материалы имеют специфические физико-химические, технологические свойства и структуру.

Основной причиной различия в свойствах веществ является тип химической связи между составляющими вещество элементарными частицами. Химические связи, образованные путем обобществления электронов между атомами, называются первичными связями. Форма валентных состояний и размещение валентных электронов в энергетических зонах определяют три основные предельные типы связей: металлическую, ковалентную и ионную.

Основное различие между типами химической связи состоит в том, что валентная зона может быть заполнена полностью или частично. В первом случае имеет место локализация электронов на ядрах (заняты все уровни валентной зоны), во втором – их делокализация в объеме вещества. Для всех типов химической связи характерно различное межатомное взаимодействие.

Ковалентная связь осуществляется путем обобществления валентных электронов двух соседних атомов, в результате чего достраивается валентная зона обоих атомов. Такая электронная пара принадлежит одновременно двум атомам, причем оба имеют конфигурацию благородного газа (полностью заполненная валентная зона) (рис. 1.1, а).

Локализация электронов на атомных остовах создает резко направленный характер связи. Примерами веществ с ковалентной связью являются: элементы – углерод (С), кремний (Si), германий (Ge); xимические соединения – карбид кремния (SiC), нитрид алюминия (AlN), а также некоторые интерметаллические соединения.

Рис. 1.1. Схематическое изображение различных типов химической связи