Виды элементарных связей в твердых телах и монолитных соединениях

Монолитность сварных соединений. В технике широко используют раз личные 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.

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 при роде являются электромагнитными и действуют на расстоянии порядка 10–8 cм.

В физике различают четыре типа элементарных связей: ковалентную, ионную, межмолекулярную (Вандер-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 называют валентной, атомной, обменной связью. Она может образоваться взаимодействием или «спариванием» валентных электронов. Она бывает полярная и неполярная.

Сильная ковалентная связь с энергией порядка 105 Дж/моль определяет высокую температуру плавления и прочность кристаллов. Ковалентной связью обусловлены структуры так называемых атомных кристаллов – алмаза, кремния, германия и др. Число образуемых атомом ковалентных связей в первом приближении может служить количественной мерой валентности. 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. Типичный представитель ионных кристаллов – соль NaCl.

Ионная связь также является сильной, с энергией около 105–107 Дж/моль. Особенностью ионной связи является отсутствие насыщаемости и пространственной направленности. Кроме двух наиболее типичных химических связей – ковалентной и ионной, различают молекулярные связи за счет универсальных сил Вандер Ваальса и металлические связи.
Силы Вандер 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. Образование прочных структур обусловлено, главным образом, сильными типично химическими связями, а силы Ван дер Ваальса служат лишь небольшой «добавкой». Силами Ван дер Ваальса обусловлены обычно адгезионные связи при склеивании, смачивании твердых тел жидкостями и т. п.

Металлические связи образуют структуры путем взаимодействия положительных ионов решетки 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.

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 редко существуют в чистом виде. Обычно встречаются сочетания различных связей одновременно, причем 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.