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.

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.

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:

1. Gdy r jest bardzo duże, siła wzajemnego oddziaływania F i energia potencjalna

wzajemnego oddziaływania U są równe zeru.

2. Ze zmniejszaniem r pojawia się siła przyciągająca i energia układu maleje, osiągając

minimum przy r

0

. Wtedy siła wzajemnego oddziaływania jest równa zeru.

3. Dalsze zmniejszanie r wywołuje gwałtowny wzrost siły odpychającej i energii U.

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 (H

2

,N

2

,O

2

), 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 (H

2

, Cl

2

, N

2

), 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.

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.

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.

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).

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.