Природа твердого тела.ppt
- Количество слайдов: 168
Природа твердого тела Свойства твердых тел – как физический, так и химические зависят от их атомной и электронной структуры. Основные типы связей: ионная, ковалентная, металлическая и ван-дер-ваальсовая. Однако это упрощенный подход, чаще всего химическая связь носит промежуточный характер.
Межатомные силы • Образование химической связи можно представить, рассматривая силы взаимодействия между атомами (ионами). Когда атомы удалены друг от друга на бесконечное расстояние, сила действующая между ними, равна нулю. • При сближении атомов возникают силы притяжения и отталкивания.
• В результате потенциальная энергия взаимодействия в зависимости от расстояния между атомами принимает либо положительное, либо отрицательное значение. На достаточно больших притяжения, расстояниях возникающие электростатического атомами. действую силы вследствие взаимодействия между
• При меньших преобладать силы расстояниях начинают отталкивания между одноименными зарядами атомов, и суммарная потенциальная энергия становится положительной (так как для сближения атомов необходимо затратить работу).
• Полную потенциальную энергию можно представить в виде суммы двух членов: • V = - /rn + /rm • где r – расстояние между атомами, и константы, характеризующие силы отталкивания и притяжения, m и n – постоянные, характерные для данного типа взаимодействия
• Расстояние r, соответствующее минимуму потенциальной энергии, равновесному межатомному расстоянию при 00 К, так как силы притяжения и отталкивания в этой точке полностью уравновешены.
Ионная связь • Если один из пары взаимодействующих атомов в достаточной мере электроположителен, а другой – электроотрицательный, то первый атом может передать валентный электрон второму атому. Вследствие электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов возникает сила притяжения и образуется ионная связь.
• Каждый ион в кристалле стремится окружить себя ионами противоположного знака заряда, а ионы одноименно заряженные занимают более удаленные положения. Хорошо известным примером служит решетка хлористого натрия (рис. 2 а). Электронная конфигурация ионов натрия и хлора аналогична электронной конфигурации атомов инертных газов – неона и аргона
• Так как заполнены, электронные заряды приблизительно в оболочки ионах сферически. кристалле комбинации заряженных ионов распределены В ионном противоположно обычно не удается отождествить с индивидуальными молекулами, вследствие регулярного чередования в узлах решетки ионов различного сорта.
• В следствие сильного электростатического взаимодействия между ионами связь в ионных кристаллах очень прочная. Такие вещества характеризуются высокой прочностью, твердостью и высокой температурой плавления.
Ковалентная связь • Образование ковалентной связи между атомами можно представить как обобществление электронов, принадлежащих одному или обоим атомам, в результате перекрывании связывающих орбиталей, которое понижает энергию системы.
• Этот тип связи обычно встречающийся в органических молекулах, хорошо описывает углерод-углеродную и углерод-водородную связи. Одинарные связи образуются при обобществлении двух электронов, а образование двойной и тройной связи связано с обобществлением электронов. четырех или шести
• Ковалентные связи обладают направленным характером, как это видно на примере тетраэдрической конфигурации связей углерода в органических молекулах и в твердых телах таких как алмаз и графит.
• В ковалентной электроны связи обычно обобществленные заполняют внешнюю электронную оболочку каждого атома. В алмазе, например, каждый атом углерода тетраэдрически окружен четырьмя ближайшими соседними атомами
• Четыре валентных электрона каждого атома углерода с конфигурацией 2 s 22 p 2 обобществлены с электронами четырех ближайших атомов углерода, по одному электрону от каждого атома на одну связь. Такое обобществление приводит к заполнению валентной оболочки каждого атома, так как в образовании связи участвуют все восемь электронов.
• Все четыре связи равноценны, объясняется это смешиванием 2 s- и 2 p- орбиталей (sp 3 гибридизация). Спаренные электроны, осуществляющие связь, имеют противоположно направленные спины: один обладает спином, направленным “вверх”, направленным “вниз” а дргой спином,
• Ковалентная связь очень прочная; об этом говорят высокая прочность и твердость и высокие температуры плавления, таких веществ как алмаз. Внутримолекулярные связи в простых органических молекулах также прочные.
• Низкую температуру плавления и низкую механическую прочность таких молекул можно рассматривать как следствие слабых межмолекулярных связей, которые не являются ковалентными. • Кроме чисто ионных и чисто ковалентных связей, имеются также связи, которые по своему характеру занимают промежуточное положение.
Металлическая связь • Связь в металле следует рассматривать с учетом всех атомов твердого тела как целого, считая, что валентные электроны всех атомов принадлежат всему кристаллу. • Многие свойства металлов можно объяснить с помощью теории свободного электрона.
• Согласно заряженные этой ионы кристаллическую теории положительно металла решетку, и образуют эта решетка погружена в электронный “газ”, заполняющий весь кристалл. Устойчивость системы обусловлена электростатическим взаимодействием между ионами и электронами. • Валентные ионы в металлах делокализованы.
• Возможность свободного перемещения валентных электронов в металле обуславливает его высокую электропроводность. • Энергия связи в щелочных металлах значительно меньше, чем в ионных кристаллах, частично из-за большого межатомного расстояния, такие металлы легко деформируются.
• Переходные металлы имеют более высокие температуры плавления и обладают очень высокой прочностью. В таких металлах частично заполненные внутренние электронные оболочки также вносят существенный вклад в образование связи
Молекулярные кристаллы • Слабые Ван-дер-ваальсовые силы также могут быть силами сцепления, посредством которых осуществляется связь в твердом теле. • Эти силы обусловлены слабым притяжением, возникающим электрическими между диполями, мгновенными возникающих вследствие движения электронов в атомах или молекуле
• Усреднение флуктуаций по времени дает нулевой дипольный момент. И поскольку эти силы притяжения незначительны, связь в молекулярных кристаллах слабая. (Инертные газы в твердом молекулярные состоянии). кристаллы Подобные характеризуются низкими температурами плавления и невысокой прочностью.
Кристаллы с водородной связью • Обычно атом водорода образует только одну связь, но в определенных результирующий возникающий условиях положительный на атоме водорода заряд, при образовании такой связи, может притягиваться к соседнему сильному электроотрицательному атому и образовывать вторую связь.
• Обе связи в действительности могут быть эквивалентны вследствие “резонанса” между состояниями, в которых электрон находится на одном из двух соседних атомов. Такие относительно слабые связи образуются во льду, в дигидрофосфате калия и др.
Энергия решетки ионного кристалла • В идеальном обладает кристалле энергией, которая каждый ион определяется суммарным взаимодействием его со всеми другими ионами кристалла. Кулоновская энергия взаимодействия между двумя ионами, имеющими заряд q и находящихся расстоянии r друг от друга, равна q 2/r. на
• Если принять, что энергия отталкивания зависит от расстояния между двумя атомами в степени n (таким образом, только взаимодействия между двумя ближайшими атомами сколько-нибудь существенны), полная энергия для одного иона выразится: • E = - Aq 2/r + B/rn (1. 2) то
где А – постоянная, зависящая от геометрии данной кристаллической структуры; В и n – постоянные для данного соединения. Полная энергия кристалла, состоящего из 2 N ионов, равна NE. Зависимость Е от постоянных решетки для совокупности ионов имеет общий вид, показанный на рис. 1.
• Так как равновесное расстояние между ионами соответствует минимуму на энергетической кривой, при r = a производная равна нулю. Следовательно: • (а) • (b) •
• Уравнение (1. 2) для полной энергии решетки имеет следующий вид: • Так как N, A, q и a известны, для того, чтобы рассчитать энергию решетки остается определить только n. Это можно сделать, измерив сжимаемость К кристалла поскольку
• N =1 + 9 ca 4/Kq 2 A • с – геометрический фактор для данной решетки и • K = -1/V (d. V/d. P), полученные таким образом значения энергии согласовывались решетки с определенными величинами. хорошо экспериментально
• Экспериментальные решеток можно значения вычислить, зная энергии теплоты образования соединений, теплоты сублимации компонентов, энергию ионизации и сродство к электрону электроположительных и электроотрицательных компонентов. Так, для хлорида натрия
Структура кристаллов • Кристаллическая решетка представляет собой сетку из регулярно повторяющихся в пространстве и параллельно размещенных узлов. В периодической решетке перемещение всех атомов в определенном направлении приводит к точному структуры. повторению первоначальной
• Периодическая решетка характеризуется тремя главными трансляционными векторами: а, b, с, т. е. расположение атомов в любом положении r’ неотличимо от расположения атомов в точке r: • r’ = r + n 1 a + n 2 b + n 3 c • n 1, n 2 и n 3 – произвольные целые числа
• Направления векторов а, b и с можно использовать для обозначения осей кристалла, а величины векторов могут быть наименьшими из тех, которые удовлетворят изложенным выше требованиям. В действительности существует неограниченное число альтернатив, два возможных выбора векторов для двумерной решетки показаны на рис. 3
• Примитивные векторы а, b и c определяют параллелепипед, который представляет собой примитивную ячейку решетки, так как узлы имеются только в углах параллелепипеда и являются общими с непосредственно примыкающими параллелепипедами. Примитивная повторяющаяся ячейка может единица элементарная ячейка. быть объема выбрана решетки как –
• Решетка в целом может быть образована простой трансляцией ребер элементарной ячейки. Постоянные ячейки – это размеры элементарной ячейки. • Элементарную ячейку можно выбрать более чем одним способом.
• На рис. 4 а показано расположение атомов в гранецентрированной кубической решетке. • Удобным способом выбора элементарной ячейки служит размещение атомов в каждом углу куба и в центре каждой грани; такова, например, структура кристаллического никеля
• Железо кристаллизуется с образованием объемно центрированной решетки (рис. 4 б). • Помимо трансляции известны и другие геометрические операции, с помощью которых можно описать периодическую решетку. • Если решетка совмещается сама с собой при повороте на определенный угол вокруг некоторой оси, то говорят о существовании оси симметрии.
• Для угла поворота 60, 90, 120, 180 и 3600 это соответственно ось шестого, четвертого, третьего, второго и первого порядка. Никакие другие вращения к совмещению не приводят. Другими элементами симметрии являются отражения точек решетки в точках и плоскостях.
• Если отражение всех узлов решетки в какой либо точке приводит к их совмещению, то говорят о центре симметрии, или центре инверсии. Если к тому же результату приводит отражение в плоскости, то говорят оплоскости симметрии. • Бравэ показал, что всего возможных типов решетки (рис. 5) имеется 14
• Наиболее кристалла с удобно рассматривать использованием структуру плоскостей. Ряд параллельных плоскостей, проходящих через узлы решетки, можно обозначить с помощью индексов Миллера, определяемых следующим образом. Находят пересечение плоскости с тремя основными осями кристалла и обозначают элементарной ячейки. их как длины ребер
• Обратные значения этих величин умножают на соответствующие числа так. чтобы получить три наименьших возможных целых числа. Это и есть индексы Миллера, обозначаемы как h, k, l. Так, на рис. 6 показаны плоскости (100), (111) для простой кубической решетки.
• Плоскость (110) отсекает на осях x и y отрезки, равные длине ребер элементарной ячейки и расположена параллельно оси z. • Направления в кристалле описываются подобным же образом тремя индексами в соответствии с компонентами направления, т. е. осями.
• Так, положительное направление оси x обозначается как [100], отрицательное направление оси z обозначается [001¯], направление перпендикулярное плоскости (111) в кубической решетке, обозначается как [111]. В кубической решетке все направления для данного набора индексов [uvw], перпендикулярны плоскости с тем же самым набором индексов (uvw)
Элементарные кристаллические структуры • Известно много различных кристаллических структур. Одна из них – структура алмаза. Подобную структуру имеют и полупроводники – кремний и германий. В структуре цинковой обманки Zn. S атомы расположены точно также, но элементы чередуются, так что каждый катион окружен тетраэдрически четырьмя анионами и наоборот.
• Для галогенидов щелочных металлов характерны две структуры: структура типа хлорида натрия и хлорида цезия. гранецентрированную Хлористый кубическую натрий имеет структуру, где атомы натрия и хлора принадлежат соответственно двум взаимно проникающим гранецентрированным кубическим решеткам, смещенным относительно друга на расстояние, равное половине диагонали куба
• В структуре хлористого цезия атомы цезия и хлора принадлежат простым кубическим решеткам, также смещенным одна относительно другой на расстоянии половины диагонали куба, так что атомы одного сорта лежат в объемноцентрированных узлах по отношению к другой подрешетке
• Существует два способа наиболее плотной упаковки шаров одинакового размера. Эти способы показаны на рис. 7. На вершине слоя А из гексагонально упакованных атомов расположен второй слой В, причем каждый шар этого слоя находится в контакте с тремя шарами нижнего слоя.
• Третий слой теперь можно разместить либо над слоем А, либо над слоем В. Если слои располагаются АВАВАВ, в последовательности расположение атомов гексагональное плотноупакованное. Если же слои располагаются в последовательности АВСАВСАВС, расположение кубическое плотноупакованное. атомов
Атомные радиусы, упаковка • При изучении кристаллической структуры и способа упаковки важно установить объем, занимаемый атомами или ионами твердого тела. Рассматривая ионы в галогенидах щелочных металлов в виде жестких сфер, можно приписать ионный радиус каждому из ионов, а межионные расстояния в кристаллах в виде простой суммы соответствующих ионных радиусов.
• Полинг предложил полуэмпирический радиус для ионных радиусов, который можно использовать для этой цели. В настоящее время такие ряды составлены и для ковалентных радиусов.
• Если предположить, что устойчивая структура образуется только в том случае, когда меньший по размерам катион соприкасается с более крупными анионами, окружающими его в октаэдрической координации, то последующий расчет отношения радиусов показывает, что в гранецентрированной структуре Na. Cl радиус катиона должен составлять 0, 414 радиуса аниона (рис. 8)
• Однако, если отношение составляет 0, 732, меньший по размерам ион должен касаться больших шаров в объмноцентрированной структуре Cs. Cl с кубической координацией, что приводит к более плотной упаковке. Так, структура Na. Cl типична для таких соединений как Na. Cl, KBr и Na. F для них наблюдается следующее отношение радиусов 0, 52, 0, 68 и 0, 44
• В то же время Cs. Cl и Cs. I, для которых отношения радиусов равны 0, 93 и 0, 82 имеют структуру Cs. Cl. • Полинг предложил ряд правил, которые определяют возможную упаковку для ионных соединений на основании связи между размером иона и координационным числом.
Полиморфизм, изоморфизм • Полиморфизмом называется способность соединений кристаллизоваться в нескольких структурных формах. • Два различных, но химически подобных вещества с одинаковой кристаллической структурой называются изоморфными.
• Когда два вещества химически совершенно различны, но имеют одинаковую структуру, их называют изоструктурными.
Твердые растворы • Важной элементов особенностью и соединений изоморфных является их способность образовывать твердые растворы. Самый простой пример – сплавы металлов
• Если кристаллические структуры подобны, а химическая природа совершенно различна, образование твердых растворов маловероятно. • Когда два катиона или аниона в изоморфных соединениях имеют одинаковый размер, а анионы (катионы) идентичны или близки по размерам, твердые растворы образуются во всем интервале концентраций и ионы распределены в узлах решетки.
• Если размеры соединениях ионов различны, в изоморфных имеется лишь ограниченная область существования твердых растворов. • Известно несколько способов образования твердых растворов: замещение, внедрение и вычитания.
• Ni. O и раствор Co. O представляет собой твердый замещения, в котором Ni и Co беспорядочно распределены по катионным узлам решетки. Образование подобных твердых растворов возможно при условии близости химической природы и атомных размеров двух составляющих.
• В твердом растворе другого типа – твердом растворе внедрения – растворенные атомы размещаются в междоузлиях решетки. Пример – атомы C, N и H в металлах. • Возможность образования растворов внедрения зависит от соотношения размеров атомов
• Твердый раствор внедрения образуется при растворении атомов малых размеров в рыхлых решетках. • Твердые растворы вычитания образуются при удалении из соединения одной из составляющих, например при постепенной потери кислорода окислами переходных металлов нестехиометрических соединений. в ряду
• Образование твердых растворов внедрения всегда приводит к увеличению плотности по сравнению с чистым веществом. При образовании твердых растворов вычитания плотность уменьшается. Образования твердых растворов заменьшения может сопровождаться как увеличением, так и уменьшением плотности. Зная атомные массы элементов, плотность растворов легко рассчитать.
Определение структуры кристалла • Полные и точные данные о структуре кристалла получают, используя метод, основанный на дифракции рентгеновских лучей • Отражение рентгеновских лучей кристаллом • Атомы, лежащие в плоскостях кристалла, могут частично отражать падающие рентгеновские лучи, т. к. каждый атом служит центром рассеяния.
• Периодичность определенной решетки направленности приводит к рассеянного пучка. Можно рассчитать разность хода для лучей, входящих кристалл под углом и отраженных следующими кристаллическими плоскостями, находящихся одна от другой на расстоянии а, равному кристаллической решетки (рис. 9). параметру
• Разность хода лучей равна 2 а sin , и если она равна целому числу длин волн, отраженных или дифрагированных, лучи по-прежнему будут находится в фазе и будут образовывать общий волновой фронт. • Таким образом, отражение рентгеновских лучей кристаллом возможно при условии: • 2 а sin = n , где n целое число
• При тех значениях угла , при которых это условие не выполняется, отраженные волны не образуют общего волнового фронта и интенсивность пучка резко падает. • Ориентируя кристалл определенным образом, можно найти постоянные решетки и размеры элементарной ячейки.
• Зная плотность кристалла, можно вычислить массу элементарной ячейки, а зная химический состав кристалла и атомную массу элементов, можно определить число атомов в элементарной ячейке. • Дифракционная картина определить тип симметрии кристалла. позволяет
• Атомы различного сорта в зависимости от числа электронов обладают рассеивать различной рентгеновские лучи, способностью что выражается фактором рассеяния. • Общая интенсивность пучка, дифрагированного элементарной ячейкой, состоит из вкладов различных атомов, а усиление или ослабление интенсивности объясняется расположением рассеяния. тем или атомов иным или геометрическим различием факторов
Экспериментальные методы • В основу всех известных в настоящее время экспериментальных методов положен закон Брэгга. В методе вращающегося кристалла небольшой монокристалл с помощью соответствующего устройства для его вращения устанавливают на пути монохроматического пучка рентгеновских лучей.
• Вокруг кристалла устанавливается фотопленка, ее располагают в виде цилиндра относительно оси вращения. Всякий раз, когда во время вращения кристалла выполняется условие Брэгга, на пленке появляется линия. • Для определения параметра решетки используют угол между направлением рентгеновского пучка и дифракционной линией.
• В методе Лауэ кристалл неподвижен, но первичный пучок содержит рентгеновские лучи, длины волн которых лежат в пределах некоторого интервала. На атомах металла дифрагируют лучи с той длиной волны, для которой имеется соответствующее межплоскостное расстояние в кристалле при данном фиксированном значении угла .
• При исследовании вещества по методу Дебая -Шеррера используют не монокристалл, а тонкоизмельченный Монохроматический порошок. пучок тонкоизмельченный порошок. направляют на
• Благодаря тому, кристаллов имеются что в все расположении возможные ориентации, среди них найдутся и такие, которые будут удовлетворять условию Брэгга, и дифрагированные лучи образуют серии концентрических конусов относительно оси рентгеновского пучка.
• Фотопленку помещают так, чтобы она пересекала эти конусы и позволяла измерять углы , при которых наблюдается дифракция. • Методы нейтронов дифракции аналогичны электронов методу или дифракции рентгеновских лучей, но иногда они обладают некоторыми преимуществами.
• Коротковолновое электронное излучение позволяет добиться более высокого разрешения, чем рентгеновские лучи, используют при небольших образцов. и исследовании Метод обычно его структуры дифракции нейтронов позволяет исследовать вещества с легкими ядрами, такими. как протоны, полезен он и при изучении магнитных структур.
Скрытнокристаллические и некристаллические твердые тела • Не всегда структура твердого тела достаточна проста, и часто имеется непериодическое расположение атомов, или имеются структуры, в которых наблюдается лишь ближний порядок
Аморфное твердое тело • Аморфное твердое тело отличается от монокристалла тем, что расположение атомов в нем полностью разупорядочено. Это может быть следствием недостаточной подвижности атомов при недостаточная кристаллизации, подвижность так как препятствует упорядоченному расположению атомов.
Стекла • Наиболее типичным примером аморфных веществ являются стекла. Стекло - это наиболее древний из синтетических материалов, используемых человечеством. Сведения о стекле накапливались много веков, но научный подход зародился лишь в XIX в. благодаря работам Фарадея, М. В. Ломоносова и др.
• Стеклообразное состояние можно сравнить с замороженной жидкостью, в которой вследствие повышенной вязкости рост регулярных кристаллов затруднен. С точки зрения структуры, стекло – это аморфное твердое тело, в котором отсутствует дальний порядок и периодичность в расположении атомов. Существует широкий круг материалов, которые образуют стекла.
• Вязкость температуры расплава несколько плавления является выше важным фактором в процессе стеклования. Вязкость определяется структурой и типом химических связей. Так, расплавленный оксид кремния имеет полимерную структуру с прочными связями Si-O
• Для того, чтобы такая жидкость закристаллизовалась необходимо разрушить и переориентировать прочные химические связи и произвести перегруппировку атомов. По мере повышения температуры происходит постепенный разрыв связей, приводящий к размягчению стекла уменьшению вязкости. и постепенному
• При охлаждении в расплавах могут протекать два различных процесса. Либо расплав кристаллизуется при температуре плавления или несколько ниже этой температуры, либо он значительно переохлаждается и без кристаллизации переходит в стеклообразное состояние. На рис. 18. 2. приведены температурные зависимости объема в системах, в которых идет кристаллизация и стеклообразование. Изменение объема для нестеклообразующей зависимостью авсd системы описывается
• При температуре Тпл начинается кристаллизация (отрезок вс), хотя иногда из-за кинетических затруднений может происходить переохлаждение расплава. Больший наклон отрезка ав по сравнению сd связан с тем, что коэффициент термического расширения жидкости обычно больше, чем твердого тела.
• Изменение объема стеклообразующей системы показано на рис. кривыми abef и abgf. В области ве существует переохлажденная незамороженная жидкость. В этой области при любой температуре жидкость быстро достигает состояния внутреннего равновесия и тем не менее это состояние является метастабильным.
• При понижении температуры вязкость жидкости возрастает, пока не достигнет значения, при котором внутренне равновесие жидкости уже не устанавливается. Расположения атомов в такой переохлажденной жидкости как бы замораживается и вещество становится таким же твердым и хрупким как и кристаллическое тело.
• Такое изменение свойств при переходе из расплава в стеклообразное состояние происходит при некоторой (точнее области), температурной температуре в называемой температурой стеклования Tg. В определенных условиях стекло может начать кристаллизоваться, этот процесс называется расстекловыванием.
• Наиболее общий пример стеклообразного вещества – Si. O 2. Как показано на рис. 10, основу структуры Si. O 2 составляет трехмерная сетка, построенная хаотичное из расположение тетраэдров цепей Si. O 4, облегчает проникновение других ионов в пустоты.
• Нерегулярная структура сеток приводит к изменениям в межатомных расстояниях, и к изменению силы связи внутри твердого тела. Поэтому в отличие от кристаллических веществ у стекол разрыв связей происходит не при одной температуре, и отсутствуют четкие температуры плавления.
• Помимо Si. O 2 стеклообразующими являются оксиды B 2 O 3, Ge. O 2, P 2 O 3. Элементы, образующие эти оксиды характеризуются средними значениями электроотрицательности. Характер связей в этих соединениях смешанный, а их структуры представляют собой полимерный каркас.
• Некоторые оксиды, например As 2 O 3, Sb 2 O 3 переходят в стеклообразное состояние лишь при очень большой скорости охлаждения расплава. Такие оксиды как Al 2 O 3, Ga 2 O 3, Bi 2 O 3, Se. O 2, Te. O 2 называются условными стеклообразователями, так как сами по себе они стекла не образуют, но в присутствии других оксидов могут формировать стеклообразные фазы.
• Например в системе Ca. O - Al 2 O 3 существует область составов, в которой при охлаждении расплава образуются стекла. • Расплавы всех стеклообразующих оксидов характеризуются высокой вязкостью (порядка 107 Па). Вязкость расплава определяется структурой и типом химических связей. Расплавленный оксид кремния имеет аморфную полимерную структуру с прочными связями Si-O.
• За счет этого удается, например модифицировать стекло такими окислами, как Pb. O; ионы тетраэдрами свинца Si. O 4, располагаются при этом между относительное содержание кислорода в сетках увеличивается вдвое. • Структура и свойства силикатных стекол в сильной степени зависит от природы второго оксида.
• При введении оксидов щелочных металлов (или щелочноземельных) силикатная сетка все больше и больше разрушается с увеличением их содержания. Это приводит к уменьшению вязкости трехмерная расплава. структура, Вероятна а образуется катионы занимают пустоты в каркасе (рис. 18. 8). натрия
• Рис. 18. 8. Структура силикатных стекол
• Окислы других металлов, добавленные к Si. O 2, например B 2 O 3, действует иначе, так как они фактически входят в сетчатую структуру. в комбинации с Si. O 2, сетки содержат тетраэдры Si. O 4 и треугольники BO 3.
• Таким образом, стеклообразуюшего замещение им при оксида оксидов введении происходит кремния, так что беспорядочная трехмерная структура сохраняется. В этом случае при охлаждении не происходит расстекловывания и область стеклообразования расширяется.
• B 2 O 3 сам может образовывать сетчатую структуру, в которой каждый атом бора находится в триангулярной координации по отношению к трем атомам кислорода;
Рис. 18. 8. б. Структура боратного стекла
Полимеры Высокомолекулярные соединения, в которых более или менее регулярно чередуется большое число одинаковых или неодинаковых атомных группировок, соединенных химическими связями в длинные цепи, имеющие боковые ответвления, а также пространственные сетки называются полимерами. в
• Сложность полимеров методами, молекулярной затрудняет используемыми низкомолекулярных структуры исследовать при веществ. их изучении Однако к настоящему времени достигнуты значительные успехи в вопросе изучения полимерных материалов. морфологии
Первичная оценка физического состояния материала состоит в отнесении его к классу кристаллических или аморфных тел. Обычно это делают с помощью метода рентгеноструктурного анализа. Рентгенограммы кристаллического полимера содержат большее или меньшее число довольно резко выраженных концентрических колец.
• 3
На рентгенограмме аморфного полимера появляется одно или два диффузных кольца – так называемое аморфное гало:
Предельным кристаллических случаем упорядочения полимеров является образование идеальных кристаллических тел – монокристаллов.
В полимерах отклонения от строгого порядка могут быть связаны как с нарушениями строгой регулярности строения цепи, так и с тем, что связанность атомов в длинную цепь препятствует их свободной диффузии, необходимой для образования идеального кристалла. Поэтому в полимерах всегда чередуются области большего или меньшего порядка и отделить их друг от друга нельзя.
• 6 Степени кристалличности: C = Cа(1 - x) + Ckx где С – измеряемый показатель некоего свойства полимера, Cа и Ck – значения этого показателя для чисто аморфного и чисто кристаллического полимера, х – доля кристаллического полимера. Отсюда степень кристалличности полимера составит (%) К = 100 х = Степень кристалличности представляет собой некоторую усредненную, интегральную оценку структуры материала.
• 7 Полная характеристика строения вещества основана на детальном изучении его морфологии, т. е. совокупности наблюдаемых структурных образований, их формы и границ, взаимного расположения и иерархии (способа построения более сложных из более простых).
К основным кристаллических различные морфологическим полимеров монокристаллы формам относятся (пластинчатые, фибриллярные, глобулярные) и сферолиты, и некоторые промежуточные образования.
Простейшим первичным элементом любой морфологической формы кристаллического полимера является кристаллографическая ячейка, информацию о которой получают на основании рентгенографического исследования. Она характеризуется строго определенными размерами – расстояниями между атомами, или периодами (параметрами) решетки a, b, c и углами α, β, γ между плоскостями, в которых лежат эти атомы.
• Типичным примером кристаллической ячейки, образующейся в полимерах, является орторомбическая пространственная элементарная ячейка полиэтилена.
• 9 • Параметры элементарной ячейки составляют а = 7, 04 Å, • б = 4, 93 Å, с = 2, 53 Å. Плотность кристалла, соответствующая этим размерам, составляет 1, 0 г/см 3.
В отличие от полиэтилена для линейных цепей с объемными боковыми заместителями характерна не плоская зигзагообразная, а спиральная конформация макромолекулярных цепей, входящих в кристалл. Для полимеров, как и для низкомолекулярных веществ, характерно явление полиморфизма, когда одно и то же вещество способно кристаллических формах. существовать в различных
• Различное взаимное расположение кристаллических ячеек приводит к образованию высших структурных кристаллического форм состояния в пределах вещества, определяющих морфологию кристаллического полимера
Если кристаллическое тело целиком построено из элементарных ячеек, которые могут быть совмещены друг с другом путем только параллельного переноса вдоль ребер на расстояния, равные периодам, в соответствующих направлениях, то это тело представляет собой монокристалл. Способность высокомолекулярных веществ образовывать монокристаллы была впервые установлена в 1957 году Келлера. независимыми работами Фишера, Тилла и
• Простейшие монокристаллы представляют собой монослойные плоские пластины (ламели) часто ромбовидной формы толщиной 100 Å и длиной сторон до 1 мкм. Оси а и б кристаллической ячейки соответствуют длинной и короткой диагоналям ромба, а ось с, вдоль которой направлены макромолекулярные цепи, перпендикулярна плоскости кристалла.
Поскольку длина макромолекул превышает десятки тысяч ангстрем, а толщина кристалла не превышает 200 Å, цепь может уложится в кристалл только повернувшись на поверхности кристалла на 1800.
Цепь находится в складчатой конформации. В пределах кристалла толщиной 120 Å каждая складка содержит приблизительно 100 атомов углерода. Основным параметром является длина складки. Возвращение цепи в кристалл может проходить по-разному.
Кристаллизация в условиях максимально, приближающихся к равновесным (при степенях переохлаждения ~ 10), приводит к формированию совершенных монокристаллов, построенных из выпрямленных. Размер оси с не менее 200 Å. Это равновесная (термодинамически предпочтительная) форма кристалла. Ее получают:
1. Кристаллизацией под высоким гидростатическим давлением (500 – 1000 МПа). 2. Длительным (в течение нескольких недель отжигом полимера при температуре близкой к температуре плавления). 3. Отжигом высокоориентированного (растянутого 1500 %) полимера, под высоким давлением (700 МПа) в области температур близких к Тпл.
Кристаллизация при охлаждении расплава с одновременным напряжений наложением приводит к больших структуре кебаба” или шашлыкоподобной : “шиш-
• Структурные образования типа “шиш-кебаба” полиэтилене (а) и схема расположения цепей в них (б). в
Получающиеся кристаллизации в различных структурные условиях образования представляют собой различные правильно ограненные морфологические формы: террасоподобные кристаллы, полые пирамиды, дендритные образования.
• Пластинчатые полиэтилена ромбовидные кристаллы
• 19 Различные типы реальных монокристаллов полиэтилена. а – террасоподобные. б – пирамидальные, в – дендритные.
Из растворов повышенной концентрации образуются, характерные только для полимеров кристаллические структуры в виде многогранников (их называют эдритами и аксиалитами) или овалов (овойды).
• 20 • • Различные виды аксиалитов полиэтилена. Их длина может достигать нескольких миллиметров, а ширина до 1 мкм.
• 21 В условиях, препятствующих формированию пластинчатых монокристаллов, (при высоких скоростях испарения растворителя из относительно концентрированных растворов) происходит формирование фибриллярных кристаллов, напоминающих по внешнему виду ленты. Толщина фибриллярных кристаллов 100 – 200 Å, длина достигает нескольких микрон.
В глобулярных кристаллах узлы решетки образуются отдельными макромолекулами в свернутых или клубкообразных, глобулярных конформациях. Взаимное расположение глобул в пространстве вполне регулярно. Формирование глобулярных характерно для биополимеров. кристаллов
При исследовании многих кристаллических полимеров методами световой микроскопии обнаруживаются структуры, типичный приведен на рис. : вид которых
• Радиальные (а) и кольцевые (б) сферолиты полимеров
Такие сферические образования, симметричные построенные из радиально расположенных, расходящихся от центра лучей, называются сферолитами. Наиболее хорошо сферолиты различимы при рассмотрении тонких пленок или срезов полимеров в световом микроскопе в поляризованном свете (видны типичные для сферолитов картинки).
• Простейшие структурные элементы внутри сферолита связаны между собой большим числом межструктурных проходных макромолекул связей или в виде пучков
• Межструктурные связи в сферолитной структуре полиэтилена.
Основные структурные элементы кристаллических полимеров и их характерные размеры Наименьший размер, Å Наибольший размер, Å Молекула 2– 5 103 – 105 Кристаллографическая ячейка 3– 5 25 – 30 Кристаллит 20 – 100 - 500 Монокристалл 100 104 – 105 Эдриты, овойды 102 - 104 – 106 Сферолиты 105 – 107 > 107 • 25
• 26 Ориентированное состояние полимеров Принципиальная особенность строения полимерных цепей – чрезвычайно резкая анизотропия их продольных и поперечных размеров – приводит к существованию специфического для полимеров – ориентированного состояния.
Это состояние характеризуется расположением осей цепных макромолекул преимущественно вдоль одного направления, что приводит к анизотропии свойств материалов.
В результате ориентационной неориентированный изотропный вытяжке полимер одноосно растягивается в 5 – 10 раз при комнатной температуре ориентированное образуются и состояние. фибриллярные переходит В в результате образования диаметром 100 – 200 Å, ориентированных в направлении вытяжки.
Фибриллярное строение ориентированного полимера
• 28 Фибриллы – гетерогенны. Вдоль их оси более или менее регулярно чередуются участки большей (кристаллиты) или меньшей (аморфные прослойки) плотности - модель Петерлина.
• Для ориентированного полимера при его растяжении вдоль направления ориентации характерны существенно более высокие значения прочности и модуля упругости, а также более сравнению с низкая деформируемость изотропным по материалом. Ориентированное состояние полимеров имеет основное значение для волокон и пленок.
• 29 • Модель Петерлина строения ориентированных полимеров
Аморфные полимеры • 30 Для полимеров характерен непрерывный переход по степени упорядоченности от идеального порядка – монокристалла – к абсолютно неупорядоченному состоянию. Для многих полимерных систем не отмечается рефлексов, соответствующих кристаллографической решетки.
Это полимеры, которые не могут кристаллизоваться (нерегулярность цепи, стерические затруднения), но и для кристаллизующихся полимеров быстрым охлаждением можно зафиксировать неравновесную структуру. В этом случае может быть получен как полностью аморфный полимер, так и материал, в котором сосуществуют кристаллические и аморфные области. Эти все случаи некристаллического или аморфного полимера.
В аморфных полимерах существует ближний порядок в расположении макромолекул, что связано с флуктуациями плотности. Приводит к возникновению роев и ассоциатов. Некристаллическое состояние нельзя рассматривать как полностью неупорядоченное. (высокая скорость кристаллизации). Каргин, Слонимский и Китайгородский предложили “пачечную” модель строения аморфных полимеров.
Пачка – набор почти параллельно уложенных макромолекул с большими продольными размерами. Идеи Каргина сыграли определенную роль в развитии представлений о строении полимеров. Метод темнопольной электронной микроскопии способствовал развитию представлений о строении аморфных полимеров.
• 32 Использование этого метода показало, что подобно кристаллическим образованиям, в аморфном состоянии полимеров существует домен размером 30 – 100 Å. В пределах такого домена прослеживается ближний порядок, выраженный в параллельном расположении цепей, принимающих конформацию. складчатую
Домены связаны между собой проходными цепями и соединены подобно бусинам в ожерелье. Кроме них в аморфном полимере существуют области. истинно Обнаружение неупорядоченные трех основных составляющих аморфного полимера: доменов, проходных цепей и неупорядоченной области привело Иея к изображенной на рис. : построению модели,
• Модель строения аморфного полимера по Иею.
В последнее время эти представления нашли дальнейшее развитие в моделе Матвеева – обосновывает Аскадского, появление которая глобулярных структур в аморфном полимере.