Все вещества можно разделить на простые (состоящие из атомов одного химического элемента) и сложные (состоящие из атомов разных химических элементов). Простые вещества делятся на металлы и неметаллы .
Металлы обладают характерным “металлическим” блеском, ковкостью, тягучестью, могут прокатываться в листы или вытягиваться в проволоку, обладают хорошей теплопроводностью и электрической проводимостью. При комнатной температуре все металлы, кроме ртути, находятся в твердом состоянии.
Неметаллы не обладают блеском, хрупки, плохо проводят теплоту и электричество. При комнатной температуре некоторые неметаллы находятся в газообразном состоянии.
Сложные вещества делят на органические и неорганические.
Органическими соединениями принято называть соединения углерода. Органические соединения входят в состав биологических тканей и являются основой жизни на Земле.
Все остальные соединения называются неорганическими (реже минеральными). Простые соединения углерода (СО, СО 2 и ряд других) принято относить к неорганическим соединениям, их обычно рассматривают в курсе неорганической химии.
Классификация неорганических соединений
Неорганические вещества делят на классы либо по составу (бинарные и многоэлементные; кислородосодержащие, азотсодержащие и т.п.), либо по функциональным признакам.
К важнейшим классам неорганических соединений, выделяемых по функциональным признакам, относятся соли, кислоты, основания и оксиды.
Соли – это соединения, которые в растворе диссоциируют на катионы металла и кислотные остатки. Примерами солей могут служить, например, сульфат бария BaSO 4 и хлорид цинка ZnCl 2 .
Кислоты – вещества, диссоциирующие в растворах с образованием ионов водорода. Примерами неорганических кислот могут служить соляная (НCl), серная (H 2 SO 4), азотная (HNO 3), фосфорная (H 3 PO 4) кислоты. Наиболее характерное химическое свойство кислот – их способность реагировать с основаниями с образованием солей. По степени диссоциации в разбавленных растворах кислоты подразделяются на сильные кислоты, кислоты средней силы и слабые кислоты. По окислительно–восстановительной способности различают кислоты–окислители (HNO 3) и кислоты–восстановители (HI, H 2 S). Кислоты реагируют с основаниями, амфотерными оксидами и гидроксидами с образованием солей.
Основания – вещества, диссоциирующие в растворах с образованием только гидроксид-анионов (OH 1-). Растворимые в воде основания называют щелочами (КОН, NaOH). Характерное свойство оснований – взаимодействие с кислотами с образованием соли и воды.
Оксиды – это соединения двух элементов, один из которых кислород. Различают оксиды основные, кислотные и амфотерные. Основные оксиды образованы только металлами (CaO, K 2 O), им соответствуют основания (Ca(OH) 2 , KOH). Кислотные оксиды образуются неметаллами (SO 3 , P 2 O 5) и металлами, проявляющими высокую степень окисления (Mn 2 O 7), им соответствуют кислоты (H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , HMnO 4). Амфотерные оксиды в зависимости от условий проявляют кислотные и основные свойства, взаимодействуют с кислотами и основаниями. К ним относятся Al 2 O 3 , ZnO, Cr 2 O 3 и ряд других. Существуют оксиды, не проявляющие ни основных, ни кислотных свойств. Такие оксиды называются безразличными (N 2 O, CO и др.)
Классификация органических соединений
Углерод в органических соединениях, как правило, образует устойчивые структуры, в основе которых лежат углерод-углеродные связи. В способности образовывать такие структуры углерод не имеет себе равных среди других элементов. Большинство органических молекул состоит из двух частей: фрагмента, который в ходе реакции остаётся без изменения, и группы, подвергающейся при этом превращениям. В связи с этим определяется принадлежность органических веществ к тому или иному классу и ряду соединений.
Неизменный фрагмент молекулы органического соединения принято рассматривать в качестве остова молекулы. Он может иметь углеводородную или гетероциклическую природу. В связи с этим можно условно выделить четыре больших ряда соединений: ароматический, гетероциклический, алициклический и ациклический.
В органической химии также выделяют дополнительные ряды: углеводороды, азотсодержащие соединения, кислородосодержащие соединения, серосодержащие соединения, галогеносодержащие соединения, металлоорганические соединения, кремнийорганические соединения.
В результате комбинации этих основополагающих рядов образуются составные ряды, например: "Ациклические углеводороды", "Ароматические азотсодержащие соединения".
Наличие тех или иных функциональных групп либо атомов элементов определяет принадлежность соединения к соответствующему классу. Среди основных классов органических соединений выделяют алканы, бензолы, нитро- и нитрозосоединения, спирты, фенолы, фураны, эфиры и большое количество других.
Типы химических связей
Химическая связь – это взаимодействие, удерживающее два или несколько атомов, молекул или любую комбинацию из них. По своей природе химическая связь представляет собой электрическую силу притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными атомными ядрами. Величина этой силы притяжения зависит главным образом от электронной конфигурации внешней оболочки атомов.
Способность атома образовывать химические связи характеризуется его валентностью. Электроны, участвующие в образовании химической связи, называются валентными.
Различают несколько типов химических связей: ковалентную, ионную, водородную, металлическую.
При образовании ковалентной связи происходит частичное перекрывание электронных облаков взаимодействующих атомов, образуются электронные пары. Ковалентная связь оказывается тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.
Различают полярную и неполярную ковалентные связи.
Если двухатомная молекула состоит из одинаковых атомов (H 2 , N 2), то электронное облако распределяется в пространстве симметрично относительно обоих атомов. Такая ковалентная связь называется неполярной (гомеополярной). Если же двухатомная молекула состоит из разных атомов, то электронное облако смещено к атому с большей относительной электроотрицательностью. Такая ковалентная связь называется полярной (гетерополярной). Примерами соединений с такой связью могут служить HCl, HBr, HJ.
В рассмотренных примерах каждый из атомов обладает одним неспаренным электроном; при взаимодействии двух таких атомов создается общая электронная пара – возникает ковалентная связь. В невозбужденном атоме азота имеется три неспаренных электрона, за счет этих электронов азот может участвовать в образовании трех ковалентных связей (NH 3). Атом углерода может образовать 4 ковалентных связи.
Перекрывание электронных облаков возможно только при их определенной взаимной ориентации, при этом область перекрывания располагается в определенном направлении по отношению к взаимодействующим атомам. Другими словами, ковалентная связь обладает направленностью.
Энергия ковалентных связей находится в пределах 150–400 кДж/моль.
Химическая связь между ионами, осуществляемая электростатическим притяжением, называется ионной связью . Ионную связь можно рассматривать как предел полярной ковалентной связи. В отличие от ковалентной связи ионная связь не обладает направленностью и насыщаемостью.
Важным типом химической связи является связь электронов в металле. Металлы состоят из положительных ионов, которые удерживаются в узлах кристаллической решетки, и свободных электронов. При образовании кристаллической решетки валентные орбитали соседних атомов перекрываются и электроны свободно перемещаются из одной орбитали в другую. Эти электроны уже не принадлежат определенному атому металла, они находятся на гигантских орбиталях, которые простираются по всей кристаллической решетке. Химическая связь, осуществляемая в результате связывания положительных ионов решетки металла свободными электронами, называется металлической.
Между молекулами (атомами) веществ могут осуществляться слабые связи. Одна из самых важных – водородная связь , которая может быть межмолекулярной и внутримолекулярной . Водородная связь возникает между атомом водорода молекулы (он заряжен частично положительно) и сильно электроотрицательным элементом молекулы (фтор, кислород и т.п.).
Энергия водородной связи значительно меньше энергии ковалентной связи и не превышает 10 кДж/моль. Однако этой энергии оказывается достаточно для создания ассоциаций молекул, затрудняющих отрыв молекул друг от друга. Водородные связи играют важную роль в биологических молекулах (белках и нуклеиновых кислотах), во многом определяют свойства воды.
Силы Ван-дер-Ваальса также относятся к слабым связям. Они обусловлены тем, что любые две нейтральных молекулы (атома) на очень близких расстояниях слабо притягиваются из-за электромагнитных взаимодействий электронов и ядер одной молекулы с электронами и ядрами другой.
Большинство людей не задумывается о составе окружающих их предметов, веществ, материи. Атомы, молекулы, электроны, протоны - эти понятия кажутся не только непонятными, но и далекими от действительности. Однако такое мнение ошибочно. Практически все, что нас окружает, состоит из химических связей. Химические соединения - это достаточно сложные формы веществ. В окружающем нас мире великое множество таких связей. Однако и соединения, состоящие только из одного элемента химического, могут относиться к ним, например, кислород или хлор. Поэтому стоит подробнее разобрать вопрос: "Химические соединения - это что?"
Сложный "химический" мир
Мало кто задумывается о том, что окружающий нас мир состоит из сложных структур, макромолекул и крошечных частиц. Удивительно, насколько разнородны даже размеры атомов у разных элементов. Различия в величинах атомных масс тоже впечатляют - бериллий со своими 9 а. е. м. - "легковес" по сравнению с "тяжеловесом" астатом: его атомный вес составляет 210 а. е. м. (а. е. м. - атомные единицы массы - единица измерения массы атомов, молекул, ядер, которая равна 1/12 массы атома углерода, находящегося в основном состоянии).
Многообразие элементов обуславливает и наличие множества химических соединений (это, простыми словами, комбинация соединенных между собой атомов различных и, в некоторых случаях, одинаковых частей). Большинство предметов, веществ представляют собой именно такого рода соединения. Необходимый для жизни кислород, поваренная соль, ацетон... Можно еще очень долго перечислять примеры и всем известные, и понятные только узким специалистам. Что же такое эти химические соединения?
Определение, отличие от смесей
Химические соединения - это которые состоят из соединенных между собой атомов разных химических элементов, однако существуют исключения: к химическим соединениям относятся и простые вещества (то есть состоят из атомов одного элемента), если атомы этих веществ соединены ковалентной связью (она образована общими для обоих атомов электронами). К таким веществам относятся азот, кислород, большинство галогенов (в таблице Менделеева элементы седьмой группы главной подгруппы; фтор, хлор, бром, йод, предположительно и астат).
Зачастую путают между собой понятия "химическое соединение" и "смесь простых веществ". Смесь веществ - это, как можно сделать вывод из названия, не самостоятельное вещество, а система двух и более компонентов. Сам состав этих двух единиц химических веществ является основным различием между ними. Как уже говорилось, соединение химических элементов и смесь простых (или сложных) веществ - это не одно и то же. Свойства, способы получения, методы разделения на компоненты также являются отличительными критериями смесей и соединений. Важно отметить, что ни получить, ни разделить химические соединения нельзя без проведения химических реакций, а смеси - можно.
или элементов?
Очень многие люди также путают между собой словосочетания "соединение химических веществ" и "соединение элементов". По непонятным причинам, но, скорее всего, в силу своей некомпетентности, большинство из них не видит разницы между первым и вторым научными понятиями. Стоит узнать и понимать, что не существует такой терминологии, как "соединение химических веществ". Не стоит повторять за другими ошибки этимологии тех или иных не только выражений, но и слов.
Как определить свойства соединений
Зачастую свойства химических соединений разительно отличаются от свойств элементов, из которых они состоят. Например, молекула этилового спирта состоит из двух атомов углерода, шести атомов водорода и одного атома кислорода, однако его свойства разительно отличаются от свойств всех элементов своего состава. В связи с тем, что существуют разные классы соединений, то и свойства у каждого из них свои. Большинство реакций, безусловно, являются характерными для многих соединений, однако механизмы их проявления разные.
На какие классы делятся химические соединения
В зависимости от своей природы, существуют такие классы химических соединений, как органические и неорганические. Стоит сказать, что органическими называют вещества (соединения), в составе которых присутствует углерод (исключения составляют некоторые соединения, содержащие углерод, но относящиеся к неорганическим, ниже они приводятся). Основными группами органических соединений являются углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, эфиры, карбоновые кислоты, амиды и амины. (соединения) в своем составе не содержат атомов углерода, однако среди них можно выделить карбиды, цианиды, карбонаты и оксиды углерода, так как они, наравне с органическими соединениями, в своем составе содержат его атомы. И те, и другие соединения имеют свои особенности, свои свойства, причем разные группы соединений одного класса могут иметь разные характеристики.
Неорганические соединения: основные свойства
Все неорганические соединения можно разбить на несколько групп. У каждого из данных есть общие свойства, зачастую не совпадающие с другими группами этого же класса. Итак, ответ на вопросы, какие химические соединения относятся к неорганическими, какие группы образуют и какими свойствами обладают, можно представить следующим образом:
Сложные неорганические соединения, их свойства
Как было сказано ранее, вторую группу неорганических соединений можно разделить на четыре подгруппы:
- Оксиды. Для этой подгруппы неорганических соединений характерны реакции взаимодействия с водой, кислотами и кислотными оксидами (у них есть соответствующая кислородсодержащая кислота).
- Кислоты. Эти соединения взаимодействуют с водой, щелочами и основными оксидами (у них есть соответствующее основание).
- Амфотерные соединения - соединения, которые могут вести себя и как кислоты, и как основания (обладают и теми, и теми свойствами). Такие соединения реагируют и с кислотными оксидами, и с основаниями.
- Гидроксиды. Эти вещества неограниченно растворяются в воде, изменяют окраску при воздействии на них щелочами.
Соединения органической природы
Большинство предметов, с которыми человек ежедневно сталкивается, изготовлены из органических соединений. Органические химические соединения представляют собой обширный класс связей, составы и свойства групп, при взаимодействии которых они отличаются завидной разнообразностью. Стоит подробнее рассмотреть группы этих соединений.
Группы органических соединений и их некоторые свойства
- Углеводороды. Они представляют собой соединения только атомов водорода и углерода. Можно выделить предельные и непредельные, линейные (ациклические) и карбоциклические, ароматические и не ароматические; алканы, алкены, алкины, диены, нафтены. Для всех перечисленных углеводородов является общим свойством их не смешиваемость с водой. Для предельных типичны реакции замещения, а для непредельных - присоединения.
- Спирты - соединения, содержащие в своем составе гидроксильную (-ОН) группу (конечно, органические соединения). Они обладают свойствами слабых кислот, для них характерны реакции нуклеофильного замещения и реакции окисления, а также спирты сами могут выступать в качестве нуклеофила.
- Простые и сложные эфиры. Простые эфиры малорастворимы в воде, обладают слабоосновными свойствами. Сложные эфиры выступают в качестве носителей электрофильных реагентов, вступают в реакции замещения.
- Альдегиды (содержат альдегидную -СНО группу). Они вступают в такие реакции, как присоединение, окисление, восстановление, сопряженного присоединения.
- Кетоны. Для них характерны гидрирование, конденсация, нуклеофильное замещение.
- Карбоновые кислоты. Они проявляют, конечно же, кислотные свойства. Восстановление, галогенирование, реакции нуклеофильного замещения у ацильного атома углерода, получение амидов и нитрилов, декарбоксилирование - основные характерные реакции.
- Амиды. Гидролизация, разложение, кислотность и основность - основные свойственные реакции для амидов.
- Амины. Являются основаниями; взаимодействуют с водой, с кислотами, с ангидридами, галогенами и галогеналканами.
Все вещества делятся на простые и сложные.
Простые вещества - это вещества, которые состоят из атомов одного элемента.
В некоторых простых веществах атомы одного элемента соединяются друг с другом и образуют молекулы. Такие простые вещества имеют молекулярное строение . К ним относятся: , . Все эти вещества состоят из двухатомных молекул. (Обратите внимание, что названия простых веществ совпадают с названиями элементов!)
Другие простые вещества имеют атомное строение , т. е. состоят из атомов, между которыми существуют определенные связи. Примерами таких простых веществ являются все ( , и т. д.) и некоторые ( , и др.). Не только названия, но и формулы этих простых веществ совпадают с символами элементов.
Существует также группа простых веществ, которые называются . К ним относятся: гелий Не, неон Ne, аргон Аr, криптон Kr, ксенон Хе, радон Rn. Эти простые вещества состоят из не связанных друг с другом атомов.
Каждый элемент образует как минимум одно простое вещество. Некоторые элементы могут образовывать не одно, а два или несколько простых веществ. Это явление называется аллотропией.
Аллотропия - это явление образования нескольких простых веществ одним элементом.
Разные простые вещества, которые образуются одним и тем же химическим элементом, называются аллотропными видоизменениями (модификациями).
Аллотропные модификации могут отличаться друг от друга составом молекул. Например, элемент кислород образует два простых вещества. Одно из них состоит из двухатомных молекул О 2 и имеет такое же название, как и элемент- . Другое простое вещество состоит из трехатомных молекул О 3 и имеет собственное название - озон.
Кислород О 2 и озон О 3 имеют различные физические и химические свойства.
Аллотропные модификации могут представлять собой твердые вещества, которые имеют различное строение кристаллов. Примером являются аллотропные модификации углерода С - алмаз и графит.
Число известных простых веществ (примерно 400) значительно больше, чем число химических элементов, так как многие элементы могут образовывать две или несколько аллотропных модификаций.
Сложные вещества - это вещества, которые состоят из атомов разных элементов.
Примеры сложных веществ: НCl, Н 2 O, NaCl, СО 2 , H 2 SO 4 и т. д.
Сложные вещества часто называют химическими соединениями. В химических соединениях свойства простых веществ, из которых образуются эти соединения, не сохраняются. Свойства сложного вещества отличаются от свойств простых веществ, из которых оно образуется.
Например, хлорид натрия NaCl может образоваться из простых веществ - металлического натрия Na и газообразного хлора Сl Физические и химические свойства NaCl отличаются от свойств Na и Cl 2 .
В природе, как правило, встречаются не чистые вещества, а смеси веществ. В практической деятельности мы также обычно используем смеси веществ. Любая смесь состоит из двух или большего числа веществ, которые называются компонентами смеси .
Например, воздух представляет собой смесь нескольких газообразных веществ: кислорода О 2 (21 % по объему), (78%), и др. Смесями являются растворы многих веществ, сплавы некоторых металлов и т. д.
Смеси веществ бывают гомогенными (однородными) и гетерогенными (неоднородными).
Гомогенные смеси - это смеси, в которых между компонентами нет поверхности раздела.
Гомогенными являются смеси газов (в частности, воздух), жидкие растворы (например, раствор сахара в воде).
Гетерогенные смеси - это смеси, в которых компоненты разделяются поверхностью раздела.
К гетерогенным относятся смеси твердых веществ (песок + порошок мела), смеси нерастворимых друг в друге жидкостей (вода + масло), смеси жидкостей и нерастворимых в нем твердых веществ (вода + мел).
Важнейшие отличия смесей от химических соединений:
- В смесях свойства отдельных веществ (компонентов) сохраняются.
- Состав смесей не является постоянным.
Химические соединения и родственные им по природе фазы в металлических сплавах многообразны. Характерные особенности химических соединений:
1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение. Атомы располагаются упорядоченно. Химические соединения имеют сплошную кристаллическую решетку (рис. 7).
2. В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение компонентов, что позволяет их выразить формулой: А n B m, А и В-компоненты; n и m - простые числа.
3. Свойства соединения редко отличаются от свойств образующих его компонентов. Cu - НВ35; Al - НВ20; CuAl 2 - НВ400.
4. Температура плавления (диссоциации) постоянная.
5. Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.
Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.
Рисунок 7. Кристаллические решетки: а, б - соединение NaCl, в-соединение Cu2MnSn (ячейка состоит из 8 атомов меди, 4 атомов марганца и 4 атомов олова)
Примером типичных химических соединений с нормальной валентностью могут служить соединения Mg с элементами IV-VІ групп Периодической системы: Mg 2 Sn, Mg 2 Pb, Mg 2 P 2 , Mg 2 Sb 2 , Mg 3 Bі 2 , MgS и др. Соединения одних металлов с другими носят название интерметаллидов. Химическая связь в интерметаллидах чаще металлическая.
Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличается по некоторым особенностям от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного состава. Рассмотрим наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.
Фазы внедрения
Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo, Ti, V, W и др.) образуют с неметаллами С, N, Н соединения: карбиды (с С ), нитриды (с N ), бориды (с В ), гидриды (с Н ). Часто их называют фазами внедрения.
Фазы внедрения имеют формулу:
М 4 Х (Fe 4 N, Mn 4 N и др.),
М 2 Х (W 2 C, Mo 2 C, Fe 2 N, Cr 2 N и др.),
МХ (WC, TiC, VC, NbC, TiN, VN и др.).
Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rх) и металла (Rм).
Если Rх/Rм < 0,59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристаллических решеток: кубической (К8, К12) и гексагональной (Г12), в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.
Фазы внедрения являются фазами переменного состава, а соответствующие им формулы (химические) обычно характеризуют максимальное содержание в них металлов.
Фазы внедрения обладают высокой: электропроводностью, температурой плавления и высокой твёрдостью.
Фазы внедрения имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки металла растворителя.
На базе фаз внедрения легко образуются твердые растворы вычитания (VC, TiC, ZrC, NbC), часть атомов в узлах решетки отсутствует.
Электронные соединения.
Эти соединения образуют между одновалентными (Cu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Mn, Fe, Co и др.), с одной стороны, и с простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.) с другой стороны.
Соединения этого типа (определил английский металлофизик Юм - Розери), характеризуются определенным отношением валентных электронов к числу атомов: 3/2; 21/13; 7/4; каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка.
При отношении 3/2 образуется ОЦК решетка (обозначается? - фаза) (CuBe, CuZn, Cu 3 Al, Cu 5 Sn, CoAl, FeAl).
При 21/13 имеют сложную кубическую решетку (52 атома на ячейку) - ? - фаза (Cu 5 Zn 8 , Cu 31 Sn 8 , Cu 9 Al 4 , Cu 31 Si 8).
При 7/4 имеется плотноупакованная гексагональная решетка, обозначается? - фазой (CuZn 3 , CuCd 3 , Cu 3 Si, Cu 3 Sn, Au 3 Sn, Cu 5 Al 3).
Электронные соединения встречаются во многих технических сплавах - Cu и Zn, Cu и Sn (олово), Fe и Al, Cu и Si и т.п. Обычно в системе наблюдается все три фазы (?, ?, ?).
У электронных соединений определенное соотношение атомов, кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов - это признаки хим. соединений. Однако в соединениях нет упорядоченного расположения атомов. С понижением температуры (после нагрева) происходит частичное упорядочение, но не полное. Электронные соединения образуют с компонентами, из которых состоят твердые растворы в широком интервале концентраций.
Таким образом, этот вид соединений следует считать промежуточными между химическими соединениями и твердыми растворами.
Таблица №1 - Электронные соединения
Фазы Лавеса
Имеют формулу АВ 2 , образуются при соотношении атомных диаметров компонентов Д А /Д В = 1,2 (чаще 1,1-1,6). Фазы Лавеса имеют ГПУ гексагональную решетку (MgZn 2 и MgNi 2, BaMg 2 , MoBe 2 , TiMn 2) или ГЦК (MgCu 2 , AgBe 2 , Ca Al 2 , TiBe 2 , TiCr 2). Данные фазы встречаются как упрочняющие интерметаллидные фазы в жаропрочных сплавах.
Для химического соединения характерны следующие отличительные особенности:
1) Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, образующих соединение.
2) В соединении всегда сохраняется простое кратное соотношение его компонентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой A m B n , где А и В – соответствующие элементы, n и m – простые числа.
3) Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.
4) Температура плавления (диссоциации) постоянная.
5) Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.
Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток.
В качестве примера типичных химических соединений можно назвать такие, как соединения магния с элементами IV-VI групп периодической системы: Mg 2 Sn, Mg 2 Pb, Mg 2 P, Mg 3 Sb, MgS и другие.
Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллических соединений, или интерметаллидов.
Соединения металла с неметаллом (нитриды, оксиды, карбиды и др.) могут иметь как металлическую, так и ионную связь. Соединения, имеющие металлическую связь, называют металлическими соединениями.
Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, отличается от типичных химических соединений, так как не подчиняется законам валентности и не имеет постоянного состава. Рассмотрим наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.
7.2.1.Фазы внедрения . Переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo и др.) образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т.е. с элементами, имеющими малый атомный радиус, соединения: карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют общность строения и свойств и часто называются фазами внедрения.
Фазы внедрения имеют формулу М 4 Х (Fe 4 N, Mn 4 N и др.), M 2 X (W 2 C, Fe 2 N и др.), MX (WC, TiC,TiN и др.).
Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (R x) и металла (R M). Если R x / R M <59, то атомы в этих фазах расположены по типу одной из кристаллических решеток: кубической или гексагональной, в которую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.
Фазы внедрения являются фазами переменного состава. Карбиды и Нитриды обладают высокой твердостью. Кристаллическая решетка фаз внедрения отличается от решетки металла.
7.2.2. Электронные соединения (фазы Юм-Розери). Эти соединения чаще образуются между одновалентными (Cu, Ag, Au, Li, Na) металлами или металлами переходных групп (Fe, Mn, Co и др.), с одной стороны, и с простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be,
Mg, Zn, Cd, Al и др.), с другой стороны. Соединения этого типа имеют определенное соотношение числа валентных электронов к числу атомов, т.е. определенную электронную концентрацию. Эти соотношения, как показал английский металлофизик Юм-Розери, могут быть 3/2, 21/13 и 7/4, причем каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка: объемно центрированная кубическая или гексагональная решетка, сложная кубическая решетка и гранецентрированная кубическая решетка, соответственно.
7.2.3.Фазы Лавеса . Эти фазы имеют формулу АВ 2 и образуются между элементами, атомные диаметры которых находятся примерно в соотношении 1: 1,2. Например, MgZn 2 , TiCr 2 и др. Фазы Лавеса встречаются как упрочняющие интерметаллиды в жаропрочных сплавах.
Твердые растворы
Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры. Таким образом, твердый раствор, состоящий из нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу. Кроме того, твердый раствор существует не при определенном соотношении компонентов (как в химическом соединении), а в интервале концентраций.
Различают твердые растворы .
При образовании твердых растворов замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке (рис.26, б ).
При образовании твердого раствора внедрения (рис.26, в ) атомы растворенного компонента располагаются в межузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя.
Рис.26. Кристаллическая решетка ОЦК: а - чистый металл, б - твердый раствор замещения, в - твердый раствор внедрения; А - атомы основного металла, В – атомы замещения, С – атомы внедрения.
Металлы могут в той или иной степени взаимно растворяться друг в друге в твердом состоянии, образуя твердые растворы замещения с ограниченной или неограниченной растворимостью. Твердые растворы с неограниченной растворимостью образуются при следующих условиях:
1) Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками.
2) Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначительным и не превышать 10-15%.
3) Компоненты должны принадлежать к одной и той же (или родственной) группе периодической системы элементов.
В некоторых сплавах (например, Cu-Au, Fe-Al), образующих при высоких температурах растворы замещения (с неупорядоченным чередованием атомов компонентов), при медленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения атомов. Твердые растворы, устойчивые при сравнительно низких температурах, получили название упорядоченных твердых растворов, или сверхструктур . Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями. В отличие от химических соединений кристаллическая решетка упорядоченных твердых растворов представляет собой решетку растворителя. Образование упорядоченных твердых растворов сопровождается изменением физических и механических свойств. Прочность обычно возрастает, а пластичность падает.
Способность к образованию твердых растворов присуща не только чистым элементам, но и химическим соединениям. В этих случаях сохраняется кристаллическая решетка химического соединения, но избыточное количество атомов одного из компонентов может заменять какое-то количество атомов другого компонента. Кроме того, при этом в отдельных узлах могут появляться незанятые места – пустоты. Твердые растворы на базе химических соединений, образование которых сопровождается появлением пустых мест в узлах решетки, называются растворами вычитания.
РЕЗЮМЕ
Под сплавом подразумевают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.
Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой . Фазой называют однородные составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от составных частей поверхности раздела. Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах. Компоненты в сплаве могут образовывать механические смеси, химические соединения или твердые растворы.
Механическая смесь двух компонентов образуется тогда, когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.
Химические соединения образуются между компонентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток. Строение и свойства химического соединения отличаются от строения и свойств создавших его компонентов.
Наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах:
Фазы внедрения
Электронные соединения (фазы Юм-Розери)
Фазы Лавеса
Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры.
Различают твердые растворы замещения, внедрения и вычитания .
Вопросы для повторения
1. Что такое сплав?
2. Дать определение терминам «фаза», «система», «структура».
3. Когда в сплаве образуется механическая смесь компонентов, а когда - химическое соединение?
4. Что такое твердые растворы? Какие виды твердых растворов Вы знаете?
8. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Диаграммы состояния строят для условий равновесия или условий, достаточно близких к ним. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия.
Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Этого состояния можно достичь при отсутствии перегрева или переохлаждения сплава. Диаграмма состояния представляет собой теоретический случай, т.к. равновесные превращения (без переохлаждения или перегрева) на практике не могут совершать-
ся. Обычно на практике используются превращения, происходящие при малых скоростях нагрева или охлаждения.
Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз могут быть выражены в математической форме в виде правила фаз или закона Гиббса.
Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз компонентов.
Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.
Правило фаз .
С= k - f + 2
С - число степеней свободы, k - число компонентов, f – число фаз, 2 – число внешних факторов.
Правило фаз справедливо только для равновесного состояния.
Независимыми переменными в уравнении правила фаз являются концентрация, температура и давление. Если принять, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится на единицу.
С= k - f + 1
Пример. Посмотрим, как изменяется степень свободы однокомпонентной системы (k=1 ) для случая кристаллизации чистого металла. Когда металл находится в жидком состоянии, т.е. f =1 (одна фаза - жидкость), число степеней свободы равно 1. Температура в данном случае может изменяться, не изменяя агрегатного состояния. В момент кристаллизации f =2 (две фазы – твердая и жидкая), С=0 . Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температура плавления), и она не может быть изменена до тех пор, пока одна фаза не исчезнет, т.е. система не станет моновариантной (C=1 ).