Виды элементарных связей в твердых телах и монолитных соединениях

Монолитность сварных соединений. В технике широко используют различные виды разъемных и неразъемных соединений. Неразъемные соединения в свою очередь могут быть монолитными (сплошными) и немонолитными (например, закле­почные). Монолитные соединения получают сваркой, пайкой или склеиванием.

Сварку и пайку в настоящее время используют для соедине­ния металлов и неметаллов как между собой, так и в различных сочетаниях.

Монолитность сварных соединений твердых тел обеспечива­ется появлением атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых веществ.

Твердое тело представляет собой комплекс атомов, находящихся во взаимодействии. Тип химической связи атомов и ха­рактер их взаимного расположения определяют физико-химические и прочностные свойства твердого тела. Поэтому, прежде чем рассматривать природу сварного соединения, следует вспом­нить некоторые сведения из физики твердого тела.

Виды элементарных связей в твердых телах. Характер и ве­личина энергии (прочность) элементарных связей зависит от природы вещества и типа кристаллической решетки твердого тела.

Согласно современным представлениям химическая связь атомов возникает в результате движения электронов внешних (валентных) оболочек атома в поле между ядрами. Каждый из этих электронов, проникая, например, в поле двух ядер, принадлежит уже обоим атомам. Химические силы по своей природе являются электромагнитными и действуют на расстоянии поряд­ка 10^-10 м = 1 А.

В настоящее время считают, что между частицами твердого тела, кроме электромагнитных, могут существовать еще три типа взаимодействия:

· ядерные, или «сильные», действующие на расстояниях менее 10^-13…10^-12 см (следовательно, на расстоянии 1 А их можно не учитывать);

· «слабые», обусловливающие b-распад (они слабее электромагнитных в 10⁸ раз);

· гравитационные, которые в 10³⁶ раз слабее электромагнитных.

В физике различают четыре типа элементарных связей: ковалентную, ионную, межмолекулярную (Ван-дер-Ваальса) и ме­таллическую. В зависимости от преобладающих элементарных связей кристаллы также различают соответственно по четырем группам: атомные, ионные, молекулярные и металлические.

Наиболее типичными химическими связями являются первые две связи: ковалентная и ионная.

Ковалентную химическую связь часто в литера­туре называют валентной, атомной, обменной связью. Она может образоваться взаимодействием или «спариванием» валентных электронов. В случае одинаковых атомов, например в молекулах водорода Н₂ , щелочных металлов в газообразном состоянии Li₂ , К₂, Nа₂, галогенов С1₂, Вr₂, азота N₂ - связь неполярная. При взаимодействии разных атомов, например НС1 - связь по­лярная.

Сильная ковалентная связь с энергией порядка 10⁵ дж/мольопределяет высокую температуру плавления и прочность кри­сталлов. Ковалентной связью обусловлены структуры так назы­ваемых атомных кристаллов - алмаза, кремния, германия, серо­го олова и др.

Число образуемых атомом ковалентных связей в первом при­ближении может служить количественной мерой валентности.

Каждая ковалентная связь между атомами образуется при спаривании их валентных электронов (с противоположными спинами). Поскольку валентные возможности атомов ограниче­ны, важнейшим свойством ковалентной связи является насыща­емость химических сил сродства.

Для сварщиков важно иметь в виду, что прочные связи ковалентного типа устанавливаются не только в атомных кристаллах, но и при соединении ме­таллов с металлоидами, окислами металлов, а также полупроводниками или интерметаллидами, обладающими полупроводниковыми свойствами. Интерметаллиды - соединения типичных металлов с металлами, имеющими слабые ме­таллические свойства.

Когда соединяемые вещества обладают способностью к донорно-акцепторному взаимодействию, устанавливается так называемая координационно-ковалентная связь. Примером служит соединение основных окислов, таких как Са⁺²O^-2, где ион кислорода является донором по отношению к атому, обра­зующему кислый окисел, такой как Si⁺⁴O₂^-4.

При непосредственном соединении металлов с керамиками, имеющими в составе кислые окислы, координационно-ковалентная связь легче образуется тогда, когда на поверхности металла создан тонкий слой низших основных окислов, обладающих донорными свойствами.

Ионная или гетерополярная связь типична для молекул и кристаллов, образованных из разных ионов (анионов и катионов). Образование положительного катиона - результат ионизации атома. Мерой прочности: связи электрона в атоме может служить потенциал ионизации атома (см. гл. 2).

Типичный представитель ионных кристаллов - соль NаСl. Образование отрицательных анионов происходит в результате присоединения электрона к атому. Мерой способности к тако­му присоединению служит так называемое сродство к электрону.

Ионная связь также является сильной, с энергией около 10⁵…10⁷ дж/моль. Особенностью ионной связи является отсутствие насыщаемости и пространственной направленности.

Представления о чисто ковалентной и чисто ионной связях в значительной степени идеализированы. Часто встречаются промежуточные случаи. Если при ионной связи один атом целиком отдает электрон другому, а при ковалентной связи каждый электрон принадлежит поровну обоим связанным атомам, то в промежуточных случаях возможны связи с любым «процентом ионности».

Кроме двух наиболее типичных химических связей - кова­лентной и ионной, различают молекулярные связи за счет универсальных сил Ван-дер-Ваальса и металлические связи.

Силы Ван-дер-Ваальса действуют между любыми атомами и молекулами, но они очень малы (порядка 10³ дж/моль). Поэтому молекулярные кристаллы, обусловленные этими силами (твердые инертные газы, молекулы кислорода, азота и др.), отличаются весьма низкой температурой плавления (Не - 1,8 К; Ar - 40 К). Образование прочных структур обусловлено, главным образом, сильными типично химическими связями, например, ковалентной, а силы Ван дер-Ваальса служат лишь небольшой «добавкой». Силами Ван дер-Ваальса обусловлены обычно адгезионные связи при склеивании, смачиваний твердых тел жидкостями и т. п.

Металлические связи образуют структуры путем взаимодействия положительных ионов решетки (атомных остатков) и делокализованных, обобществленных электронов. Эти связи являются гомеополярными. Они по существу не относятся к химическим, и понятие металлической связи можно считать качественным, так как металлы обычно не имеют молекулярного строения, а их атомы соединяются в кристаллические образования. Этот вид связи и обусловливает высокую прочность, пластичность и электропроводность металлов. Энергия связи - около 10⁵ дж/моль. Прочная металлическая связь наблюдается при образовании интерметаллидов и некоторых твердых растворов. Одна из ее особенностей - отсутствие насыщения, определяемого валентностью соответствующих атомов.

Металлическая связь по своей природе имеет значительное сходство с ковалентной связью. В обоих случаях электронные орбиты сливаются, но в металле происходит обобщение не отдельных, а всех валентных электронных орбит. При этом устанавливаются общие уровни энергии во всем объеме кристалла.

Число уровней будет одного порядка с числом атомов в данном объеме металла. Уровни весьма близки между собой и образуют энергетические полосы или зоны, которые иногда рассматривают, как расщепление валентных уровней (орбит) отдельных атомов.

Поскольку в металле существует как бы «облако» обобщенных электронов, металлическая связь допускает большее смеще­ние атомов, чем другие типы связей. Этим обусловливается вы­сокая пластичность металлических кристаллов по сравнению с валентными или ионными кристаллами.

Все четыре типа связи в кристаллах (атомных, ионных, мо­лекулярных и металлических) редко существуют в чистом виде. Обычно встречаются сочетания различных связей одновременно, причем, как уже отмечалось выше, молекулярные связи являются слабыми по сравнению с остальными тремя. Следует также отметить, что поверхности твердых тел в атмосферных условиях обычно инертны, так как валентности их атомов насыщены связью с атомами окружающей среды. Примером насыщения может служить окисление веществ в газовой среде. На поверхности могут также идти процессы типа физической адсорбции, обусловленные силами Ван дер-Ваальса.