Fizyczne podstawy materiałoznawstwa

Rozdział 4 - Wiązania w kryształach

1. Na czym polega istota wytrzymałości mechanicznej ciał stałych?

Wytrzymałość mechaniczna ciał stałych jest efektem działania między atomami sił spójności, które zależą głównie od charakteru wiązania, ale także od innych czynników jak typ sieci, kierunek działania sił wzlędem osi krystalograficznych, obecność defektów sieci, temperatura, warunki odkształcenia i inne. Spis treści

2. Co to jest odległość równowagowa atomów w krysztale?

Odległością równowagową atomów nazywamy taką odległość, przy której siły przyciągania równoważą się z siłami odpychania, dzięki czemu siły wzajemnego oddziaływania są równe zeru. Odległość ta jest stała w określonych warunkach i dla danego materiału. Zarówno siły przyciągania jak i odpychania zależą od odległości międzyatomowej (rys.4.1), ale w odległości ro ( równowagowej) siły te są równe i przeciwnie skierowane, jednocześnie energia wzajemnego oddziaływania jest minimalna. W miarę zbliżania atomów , gwałtownie rośnie siła odpychająca atomy, a przy oddalaniu zwiększa się siła przyciągająca, która decyduje o wytrzymałości. W obydwóch przypadkach jest to związane ze wzrostem energii potencjalnej U układu atomów. Spis treści

3. Jakie wnioski można wyciągnąć z wykresu sił (lub energii) wzajemnego oddziaływania atomów w funkcji odległości?

Z wykresu (rys.4.1)(rys.4.1) można wyciągnąć następujące wnioski:

Gdy r jest bardzo duże, siła wzajemnego oddziaływania F i energia potencjalna wzajemnego oddziaływania U są równe zeru.
Ze zmniejszaniem r pojawia się siła przyciągająca i energia układu maleje, osiągając minimum przy r₀. Wtedy siła wzajemnego oddziaływania jest równa zeru.
Dalsze zmniejszanie r wywołuje gwałtowny wzrost siły odpychającej i energii U.

Spis treści

4. Jakie typy wiązań międzyatomowych występują w różnych materiałach?

Rozróżnia się cztery typy wiązań międzyatomowych: jonowe, atomowe (kowalencyjne), międzycząsteczkowe (van der Waalsa) i metaliczne. Wiązanie jonowe jest typowe dla kryształów jonowych (np.NaCl), atomowe dla dwuatomowych cząsteczek gazu (H₂,N₂,O₂), a także materiałów półprzewodnikowych (Si, Ge).

Wiązanie van der Waalsa łączy cząsteczki, które powstają za pomocą wiązania atomowego, w skondensowane stany skupienia (np.przy skraplaniu gazów (H₂, Cl₂, N₂), a także w kryształach jodu, siarki, selenu i telluru oraz działa między łańcuchami organicznych polimerów. Wiązanie metaliczne występuje w metalach i związkach międzymetalicznych, które wykazują własności metaliczne. Spis treści

5. Na czym polega wiązanie jonowe?

Wiązanie jonowe jest wynikiem dążenia różnych atomów do tworzenia trwałych 8-elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych poprzez uwspólnienie elektronów (rys.4.2)(rys.4.2). Tak np. w NaCl atom sodu mający na zewnętrznej orbicie 1 elektron oddaje go atomowi chloru stając się jonem dodatnim. Z kolei atom chloru, który ma na zewnętrznej orbicie 7 elektronów, przyłączając jeden elektron staje się jonem ujemnym. Wiązanie powstaje na zasadzie kulombowskiego przyciągania się przeciwnych ładunków. Powstała cząsteczka NaCl jest elektrycznie obojetna, stanowi jednak dipol, co oznacza, że ma zaznaczone bieguny elektryczne. Umożliwia to łączenie się cząsteczek i tworzenie kryształu. Kryształy takie, zwane jonowymi, cechują się dużą wytrzymałością i twardością oraz wysoką temperaturą topnienia. Mają także skłonność do łupliwości wzdłuż płaszczyzn {100}. Wiązanie jonowe występuje głównie w kryształach halogenków pierwiastków alkalicznych i ziem alkalicznych. Spis treści

6. Na czym polega wiązanie atomowe (kowalencyjne)?

Wiązanie atomowe powstaje w wyniku powstawania par elektronów (o różnych spinach) wiążących atomy , co wynika z dążenia do tworzenia 2- lub 8- elektronowych konfiguracji gazów szlachetnych. Uwspólnione elektrony przechodzą kolejno od jednego atomu do drugiego, zamieniając je w jony dodatnie, które są przyciągane przez elektrony znajdujące się między nimi. Tak np. atomy wodoru mogą być związane przez jedną parę elektronów, ale ogólna liczba par wiążących wynika z reguły 8-N (N - nr grupy układu okresowego). Stąd w tlenie są dwie, w azocie trzy, a w krzemie, germanie i węglu (diamencie) cztery pary wiążące (rys.4.3)(rys.4.3). Wiązanie atomowe jest bardzo silne i prowadzi do dużej wytrzymałości mechanicznej i wysokiej temperatury topnienia. W kryształach krzemu i germanu umożliwia zachodzenie zjawiska półprzewodnictwa. Spis treści

7. Na czym polega wiązanie van der Waalsa?

Wiązanie to jest wynikiem powstawania chwilowych dipoli na skutek nierównomiernego rozkładu ładunków w chmurach elektronowych atomów. Te z kolei indukują dipole w sąsiednich atomach, co umożliwia ich wiązanie. Wiązanie to jest jednakże bardzo słabe (ok. 103 - 104 razy słabsze niż atomowe). Spis treści

8. Na czym polega wiązanie metaliczne?

Wiązanie metaliczne jest wynikiem oderwania się elektronów wartościowości (znajdujących się na ostatniej orbicie atomu) i utworzenia t.zw.gazu elektronowego, t.zn. że mogą one swobodnie poruszać się między dodatnimi jonami, wiążąc je ze sobą. Wiązanie to jest zgodne z teorią swobodnego elektronu (Drudego - Lorentza, Blocha). Elektrony swobodne łączą jony na zasadzie elektrostatycznego przyciągania. Jony są utrzymywane w typowych dla danego pierwiastka odległościach dzięki równowadze sił przyciągania między jonami i elektronami oraz odpychania między dodatnio naładowanymi jonami. Wiązanie metaliczne cechuje stosunkowo duża energia (pośrednia między wiązaniem jonowym i atomowym) i są bezkierunkowe. Wiązanie metaliczne prowadzi do dobrego przewodnictwa elektrycznego i cieplnego, oporności rosnącej z temperaturą, a poza tym dobrej plastyczności i metalicznego połysku.