Химический состав материалов. Ионная химическая связь. Ковалентная связь

Химический состав материалов

По химическому составу различают : простые  и сложные вещества. Все простые вещества  делятся на три группы : металлы (около 80), неметаллы -12 и полуметаллы -13.

В конструкциях электронных средств в элементарном состоянии применяются те металлы , которые проявляют в этом состоянии необходимые свойства , например, электропроводность (серебро , медь , золото, алюминий),высокую коррозионную стойкость (цинк , хром , никель и др.).

Из полуметаллов – Si,Ge (в производстве полупроводниковых изделий), углерод , являющийся основой большинства органических соединений.

Неметаллы – в элементарном виде практически не используются , так как большинство из них газы , бром – жидкость , йод , сера – твёрдые. 

Типы химической связи:

В основе всех связей лежит кулоновского взаимодействия между разноимённо заряженными частицами

Ионная химическая связь

Рассмотрим пример KCl. Стремление хлора заполнить восьмую электронную оболочку приводит к тому , что  один единственный электрон калия притягивается к иону хлора. Локализация электронов исключает их перемещение  по кристаллу , поэтому при нормальных условиях  ионные кристаллы – диэлектрики.

Ковалентная  связь

В таких кристаллах устойчивая восьмая электронная оболочка , образуется за счёт спаривания электронов двух соседних атомов.

Электронная плотность между узлами решётки довольно велика , появляется возможность перемещения электронов  по кристаллу , поэтому ковалентные кристаллы чаще всего – полупроводники. Между ионной и ковалентной связями различают :

АII  ВVI  ионно – ковалентную связь

АII  ВV  ковалентно – ионную  связь

Металлическая связь

Металлическая связь присуща металлам . У атомов металла валентных электронов мало , они не могут образовать восьми электронную оболочку и поэтому отдают валентные электроны в общее пользование. Свободные электроны обеспечивают высокую электрическую проводимость  металлов.

Материалы с металлической связью – проводники. Наличие свободных электронов  обуславливает специфические свойства метала.(электропроводность , пластичность , блеск).

Молекулярная связь

Молекулярная связь – это связь за счёт Вандер  Ваальса , самая  слабая . Вещества с такой связью имеют низкую температуру плавления.

Структура материалов.

Структуру материала характеризуют следующие признаки :

1)  Степень упорядоченности расположения микрочастиц.

2)  Особенности  и характер взаимного расположения.

3)  Виды и концентрация дефектов.

4)  Состав и строение фаз.

1. Степень упорядоченности расположения микрочастиц.

По степени упорядоченности внутренней структуры материалы подразделяют на кристаллические и аморфные. Для кристаллических характерна трехмерное периодическое пространственное расположение микрочастиц, т.е наличие дальнего порядка. Аморфные материалы дальним порядком не обладают, но ближний порядок просматривается. Примеры аморфных материалов: смолы, многие полимеры, квазиаморфное стекло и т.д.

Кристаллические материалы подразделяют на монокристаллические и поликристаллические.

ž  Монокристалл – это единичный, достаточно крупный кристалл с совершенной структурой, т.е дальний порядок сохраняется практически во всем объеме. На практике используется в полупроводниковой технологии.

ž  Поликристалл – это совокупность неориентированных друг относительно друга зерен (кристаллитов). Сами кристаллиты не являются монокристаллами, так как растут в стесненных условиях и не имеют совершенную структуру.

Примеры кристаллических решеток

1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемоцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.

2) Особенности и характер взаимного расположения.

ž  В зависимости от уровня симметрии различают 7 кристаллических систем (сингоний): гексагональная, тригональная, тетрагональная, кубическая, ромбическая, моноклинная и триклинная сингонии. При этом различают 14 пространственных решеток.

ž  Около 25 элементов обладают полиморфизмом, т.е могут образовывать более одной кристаллической структуры (напр. углерод).

3) Виды и концентрация дефектов.

ž  Дефект – нарушения полностью упорядоченного расположения частиц (атомов, ионов, молекул), характерного для идеального кристалла. Образуются в процессе роста кристалла из расплава или раствора, а также под влиянием внешних воздействий (тепловых, электрических, механических, при различных видах облучения), при введении примесей.

Различают 4 вида дефектов:

ž  Точечные (нульмерные) дефекты. Размеры дефекта малы в трех направлениях (отсутствие атома или присутствие лишнего атома).

ž  Линейные (одномерные) дефекты. Малы в двух направлениях, а в третьем направлении могут быть соизмеримы с размером кристалла (отсутствие (дислокация) цепочки атомов).

ž  Поверхностные (двухмерные). Малы в одном направлении, имеют плоскую форму (границы зерен или кристаллов, внешняя поверхность кристалла).

ž  Объемные (трехмерные). Довольно большие размеры в трех направлениях (пустоты, полости, трещины)

Виды дефектов

ž  1, 2 - дефекты поверхности кристалла: 1 - изменение габитуса, 2 - вицинали и макротрещины;

ž   3 - дислокации и малоугловые межблочные границы;

ž   4а - гетерофазные включения и границы блоков,

ž   4б - примесный атом в узле решетки;

ž   5 - дефекты Шоттки (пара вакансий пара ионов на поверхности) и Френкеля (пара вакансия ион в междоузлии).

5)  Состав и строение фаз.

Наличие фаз характерно для сложных систем

Фаза – это часть системы, имеющая одинаковый по всему объему