ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы МЕТАЛЛЫ, СОЛИ, ПОЛИМЕРНЫЕ ТЕЛА из "Неорганические полимеры" Зная каким образом соединяются и разъединяются атомы, можно приступить к изучению строения и свойств макромолекул, образующихся за счет ковалентных связей. [c.36] как мы говорили, имеются два крайних случая цепные (разветвленные или линейные) и регулярно сшитые (трехмерные) макромолекулы. Вещества, состоящие из молекул первого типа, мы будем называть полимерами, макромолекулярными или высокомолекулярными веществами и соединениями, а вещества, состоящие из молекул второго типа,— полимерными телами. К числу последних относится большинство неорганических полимеров. В этом разделе мы познакомимся с полимерными телами и выясним, чем они отличаются от других неорганических веществ — от солей и металлов. [c.36] Расположение атомов и молекул в твердом теле зависит от их размеров и типа связи между ними. Металлические и ионные связи лишены пространственной направленности. Атомы металлов и ионы имеют сферическую форму и группируются таким образом, чтобы окружить себя максимально геометрически допустимым числом соседей. Здесь мы встречаемся с пространственным насыщением связи. Число соседей иона имеет важное значение для характеристики кристалла. [c.37] В сущности нельзя говорить о наличии индивидуальных молекул в кристаллах солей. Эти кристаллы образованы плотной упаковкой соответствующих порций разноименно заряженных ионов, одинаково взаимодействующих друг с другом, и в кристалле ионного соединения нельзя выделить одну отдельную молекулу. [c.38] Существование отдельных ионных молекул возможно только в парах солей в обычных условиях они не существуют. [c.39] Кристаллы низкомолекулярных веществ, молекулы которых образованы при участии ковалентных связей, например кристаллы нафталина, углекислоты (сухой лед), серы, несмотря на асимметрию молекул, тоже построены по принципу наиболее плотной упаковки. Такие кристаллы называют молекулярными, так как в них молекулы сохраняют свою индивидуальность. Межмолекулярное взаимодействие определяется слабыми силами Ван-дер-Ваальса, поэтому кристаллы хрупки, непрочны, плавятся при низкой температуре, имеют высокое давление паров. [c.39] Совсем иначе организованы полимерные тела, например алмаз, германий, кремний, серое олово. Каждый атом (Связан здесь с четырьмя другими, расположенными в углах правильного тетраэдра (рис. 9). Все вместе они образуют огромную молекулу полимерного тела. Валентному состоянию зр -гибридизации отвечает образование четырех ковалентных а-связей, направленных под углом 109°23, т. е. тетраэдрическая координация. [c.39] В общем случае координация полимерных форм элементов равна 8—М, где N — номер группы периодической системы, а цифра восемь соответствует максимальному числу валентных электронов. Используя и р-электроны для образования связи, атом не может иметь более четырех ковалентных рвязей. [c.39] Строго направленные ковалентные связи в полимерах исключают возможность плотной упаковки. Следовательно, полимеры обладают меньшей плотностью, чем металлы. При переходе от белого олова (единственного металла, имеющего координацию 6 и подчиняющегося принципу плотной упаковки) к полимеру— серому олову (координация 4) — плотность уменьшается с 7,298 до 5,765 г/см . Аморфные полимерные тела отличаются меньшей плотностью, а цепные и слоистые полимеры, в которых макромолекулы связаны более слабыми силами, имеют еще больший объем и еще меньшую плотность. [c.39] Мооса , где первый и пять последних эталонных веществ — полимеры. [c.40] Прочность (способность тела сохранять целостность), так же как и твердость, любого тела зависит от энергии связи между атомами и от структуры тела. Дело в том, что при наложении нагрузки в упругих телах возникает упругая деформация, связанная с искажением валентных углов и изменением длины связей, а следовательно, с изменением внутренней энергии. После снятия нагрузки упругая деформация исчезает, и атомы скатываются в потенциальные ямы. [c.40] При деформации кристалла соли уже при небольшом смещении катионов и анионов из положения равновесия последние начинают взаимно отталкиваться, что приводит к разрушению кристалла. Именно поэтому соли так хрупки и разрушаютх я при самой незначительной деформации. Как и в солях, связь в металлах не направлена, но в обобществлении электронов участвуют все атомы и здесь нет разноименно заряженных ионов. Благодаря этому перемещение атомов не влечет за собой нарушений металлической связи. В определенном интервале температуры и времени действия нагрузки атомы металла могут перекатываться из одного положения равновесия в другое. Этим объясняется ковкость и пластичность металлов, т. е. их способность деформироваться под влиянием нагрузки и сохранять деформацию после снятия нагрузки. Иными еловыми, пластические тела не разрушаются под действием больших сил и после прекращения действия этих сил не восстанавливают свою первоначальную форму. В других условиях, например при низкой температуре или при резком нагружении, металлы, в частности сталь, ведут себя как упругие тела, т. е. стремятся восстановить исходную форму. [c.40] В идеальном теле напряжение, возникающее при нагрузке, равномерно распределяется по всей жесткой сетке ковалентных связей, и все атомы должны сразу выкатиться из энергетических потенциальных ям. При этом, рассуждая теоретически, идеальный кристалл должен не разрушиться, а мгновенно испариться в результате одновременного разрыва всех связей. Этого, однако, не наблюдается, так как в процессе разрушения реального полимерного тела большую роль играют различного рода нарушения структуры, особенно поверхностные дефекты и микротрещины. [c.41] В кристаллических и аморфных телах всегда имеются внутренние и внешние дефекты, которые существенно снижают их прочность. В местах, где имеются дефекты структуры или микротрещины, происходит концентрация напряжений и такие места становятся очагами разрушения тела. Этим объясняется и тот факт, что прочность реальных тел в сотни раз меньше теоретически рассчитанной прочности. Академик А. Ф. Иоффе поставил очень изящный опыт, демонстрирующий роль поверхностных дефектов в процессе разрушения кристалла. Он погружал на короткое время кристалл поваренной соли в горячую воду. При этом происходило быстрое растворение поверхностного слоя кристалла, в результате чего исчезали микротрещины и выравнивалась поверхность. Прочность кристалла после такой обработки достигала 80% теоретической. Позднее аналогичный эффект наблюдали на стеклянных волокнах, предварительно обработанных плавиковой кислотой, которая хорошо растворяет стекло. [c.41] Таким образом, чем больше внешняя сила, тем при меньшей энергии теплового движения (т. е. при более низкой температуре) разрушается полимер и, наоборот, чем выше температура, тем меньшее напряжение требуется для разрушения полимера. Если внешние силы вообще не действуют на твердое тело, то и одного теплового движения достаточно для его разрушения, но это возможно, конечно, при более высоком нагреве, соответ-ств)Тощем температуре плавления металлов и солей или температуре деструкции (распада на осколки, а не на атомы или ионЫ) полимерного тела. [c.42] При нагреве атомы, образующие молекулу полимерного тела, сначала все более интенсивно раскачиваются около положения равновесия, а затем, поднимаясь из потенциальных ям, переходят на все более высокие энергетические уровни. В результате расстоянря между атомами увеличиваются, и это соответствует тепловому расширению тела. Здесь мы обходимся без приложения механической нагрузки. Раскачивание атомов в узлах кристаллической решетки заканчивается разрывом связей, и тогда атомы окончательно выкатываются из своих потенциальных ям. [c.42] Энергия связи между элементами, участвующими в образовании гомо- или гетерополимеров, приведена в табл. 4. Величина энергии связи между атомами цепи в значительной мере зависит от природы присоединенных к ним боковых групп, так как последние изменяют характер ковалентной связи, ее полярность и кратность, и это отражается на энергии связи. [c.43] В солях, для которых характерна ионная решетка, все электроны прочно удерживаются в стабильных электронных оболочках ионов, и поэтому чистые соли, как правило, хорошие изоляторы. В решетке же металлов всегда присутствует много свободных хаотически двигающихся электронов, пробег которых ограничен только дефектами кристалла и тепловыми колебаниями атомов. В электрическом поле часть этих электронов рассеивается в результате теплового движения, а другая часть начинает перемещаться в определенном направлении, в результате чего образуется электроток. Этим объясняется электропроводность металлов, которая повышается с понижением температуры, так как при этом меньшее количество электронов рассеивается из-за теплового движения. Вблизи абсолютного нуля появляется сверхпроводимость, т. е. сопротивление металла снижается до нуля. [c.44] Иначе обстоит дело с полимерными телами. При низкой температуре они, как и соли, не проводят ток. Но при нагреве возможно возбуждение электронов, участвующих в образовании ковалентных связей, и их переход из связанного состояния в свободное. Тогда некоторые полимерные тела становятся полупроводниками. [c.44] Вернуться к основной статье