Строение сырья и материалов

Любое вещество, материал или изделие обладают свойствам и, которые обусловлены не только их химическим составом, но и структурой, т. е. особенностями соединения химических элементов между собой. При этом различают понятия "структура" и "строение" химических веществ.

Строение вещества (или молекулярное строение) - это характер связи и последовательность соединения атомов в молекуле как в первичной единице вещества.

Структура вещества - это пространственное расположение и характер объединения молекул. Особенности молекулярного строения и структуры материалов проявляются в формировании свойств изделий.

МОЛЕКУЛЯРНОЕ СТРОЕНИЕ ИСХОДНЫХ ВЕЩЕСТВ

Природа атомов и тип их связей в молекулах определяют свойства веществ. Распространенными типами химических связей в молекулах являются: ковалентная, ионная, или электровалентная, металлическая.

Ковалентная связьприсутствует почти во всех органических и во многих неорганических веществах нейонного характера, обладает высокой прочностью и энергией, что обусловливает высокую прочность и твердость кристаллов.

Ионные, или электровалентные связи также являются очень прочными, сообщают изделиям высокую температуру плавления, хорошую проводимость тока, малую летучесть.

Металлическая связь специфична для металлов, обусловливает высокую пластичность, электро- и теплопроводность изделий.

Тип химической межатомной связи определяет размеры и форму, или конфигурацию, молекул, которая в свою очередь определяется межатомными расстояниями и валентными углами (углами между направлениями связей).

Для молекул органических соединений характерно присутствие одинарных -С-С- и двойных - С=С- связей.

Вокруг одинарных связей атомные группы способны колебаться и относительно свободно поворачиваться. При этом межатомные расстояния и валентные углы в молекулах, а также их внутренняя энергия не изменяются. Следствием такой способности атомных групп является образование молекулярных цепей различной конформации с разной степенью изогнутости. В свою очередь разнообразие конформации молекулярных цепей придает им гибкость и способность полимеров к высокоэластичным (обратимым) деформациям.

Двойная связь в макромолекулах затрудняет поворот их звеньев. Это приводит к повышению жесткости макромолекул. Конформационные изменения макромолекул, содержащих функциональные гидроксильные, карбонильные, карбоксильные, аминогруппы и другие происходят медленно, иногда только при внешнем воздействии. Возникающие конформационные изменения приводят к вынужденно эластической деформации.

Кроме конформационных изменений в макромолекулах веществ под влиянием внешних воздействий могут изменяться межатомные расстояния и валентные углы вследствие изменения внутренней энергии молекул. Все это приводит к упругим деформациям материалов.

Межмолекулярные силы и различные состояния вещества. Силы взаимодействия между атомами, молекулами или ионами, составляющими вещество, определяют его состояние: твердое, жидкое или газообразное. Твердое, жидкое или газообразное состояние соответствует определенной степени упорядоченности структуры вещества.

Газообразное состояние вещества характеризуется тем, что его частицы находятся на значительных расстояниях, превышающих размеры самих частиц, которые практически не связаны между собой. Силы притяжения частиц слабее сил теплового движения, вследствие чего они располагаются неупорядоченно в пространстве, а межатомные и межмолекулярные силы убывают тем сильнее, чем больше расстояние между частицами.

Жидкое состояние в отличие от газообразного характеризуется тем, что силы притяжения частиц соизмеримы с силами теплового движения молекул, которые могут колебаться, вращаться и перемещаться относительно друг друга, а также диффундировать в другие среды.

Твердое состояние характеризуется тем, что между частицами вещества существует сильное взаимодействие, вследствие чего они образуют правильную упорядоченную структуру, соответствующую минимуму свободной энергии. Частицы вещества могут лишь колебаться с ограниченной амплитудой, и силы притяжения молекул значительно превосходят силы теплового движения.

Структура вещества изменяется при переходе его из одного агрегатного состояния в другое. Так, с понижением температуры (при постоянном давлении), вещество из газообразного состояния (не имеющего структуры) переходит в жидкое (не имеющее строго фиксированной структуры), а затем в твердое состояние с правильной фиксированной структурой кристаллического вещества.

В некоторых случаях переход из жидкого в твердое состояние не сопровождается образованием упорядоченной структуры. Структура такого твердого тела близка к структуре жидкости и является аморфной. Вещества с аморфной структурой встречаются значительно реже, чем с кристаллической. Это связано с тем, что аморфное состояние в термодинамическом отношении не является устойчивым, т.е. в естественных условиях происходит переход из аморфного состояния в кристаллическое.

Кристаллическое состояние вещества устойчиво, так как частицы плотно упакованы. Различие в расположении частиц вещества, упорядоченности в аморфном и кристаллическом состояниях проявляются в свойствах веществ.

Аморфное состояние твердых тел (силикатные стекла, естественные и искусственные смолы) характеризуется изотропией многих свойств (независимостью от направления) и отсутствием определенной точки плавления. Кристаллическое состояние твердых тел, связанное с образованием кристаллической решетки, характеризуется анизотропией многих свойств монокристаллов (механических, оптических, электрических) и определенной точкой плавления.