Строительство. Стройматериалы

Строительные материалы и изделия

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

СВЕДЕНИЯ О ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ И СТРОЕНИИ ТВЕРДОГО ВЕЩЕСТВА

Рассмотрим строение молекул - мельчайших частиц вещества, способных к самостоятельному существованию и участвующих в образовании всего многообразия материалов, применяемых в строительстве и других отраслях.

Химическая связь - сила, удерживающая вместе два атома, два иона, две молекулы или любую комбинацию этих частиц. Силы химических связей возникают при сближении атомов до расстояний, имеющих порядок суммы радиусов свободных атомов. При сближении атомов происходит перекрытие волновых функций, поэтому возникают силы притяжения, которые являются причиной образования химической связи. При дальнейшем сближении атомов начинают действовать силы отталкивания: это короткодействующие силы, величина которых резко возрастает при уменьшении межатомного расстояния. В химических превращениях происходят разрыв одних связей и образование других. Для разрыва связей необходима энергия; она высвобождается или поглощается при образовании новых связей.

Вопросы, касающиеся химической связи в молекулах, весьма сложны, и излагать их в сокращенном виде в учебном пособии нецелесообразно. Поэтому ограничимся наиболее общими сведениями и перечислением существующих типов химической связи, используя при этом основной - энергетический - критерий возможности их образования. Такие сведения о химических превращениях совершенно необходимы для того, чтобы лучше понять и глубже изучить механизм образования твердых тел.

Особенностью химической связи, коренным образом отличающей ее от физических сил взаимодействия - магнитных или гравитационных, является ее насыщаемость. Эта насыщаемость проявляется не только в том, что атомы взаимодействуют друг с другом  в строго определенных соотношениях, но и в том, что все «лишние» атомы отталкиваются от образовавшихся молекул

Известно несколько типов химической связи. Наиболее просто объясняется электровалентная, или ионная, связь. Она возникает между атомами, резко отличающимися друг от друга по свойствам: между типичными металлами и неметаллами. Такого рода связь характерна для молекул поваренной соли, окиси кальция и некоторых других веществ. Образование ионной связи можно представить следующим образом.

Как известно, атомы металлов (Na, Ca, Mg и т. д.) легко отдают электроны (доноры электронов), а атомы неметаллов (кислорода, фтора, хлора и др.) легко их присоединяют (они - акцепторы электронов). В результате оба взаимодействующих атома превращаются в ионы с электронной оболочкой ближайшего к ним инертного газа, т. е. с наиболее устойчивой восьми-электронной конфигурацией этой внешней оболочки. Поскольку оба иона имеют разноименные заряды, они притягиваются друг к другу за счет электростатических сил, которые схематично можно изобразить так, как это сделано на  1. Такая связь весьма прочна, а расстояния между атомами в молекулах сопоставимы по величине с радиусом самих атомов (1...2) • 10 10 м. Эти ионы в растворе сольватированы и могут свободно перемещаться, в кристалле - удерживаются вместе силами притяжения между положительным и отрицательным зарядами и образуют бесконечную гигантскую структуру.

 Сольватация - процесс, в результате которого молекулы растворителя связываются с ионами или молекулами растворенного вещества.

 Иные представления лежат в основе построения ковалентной связи, которой характеризуются молекулы, образованные одинаковыми или очень близкими друг к другу по свойствам атомами ( 2). К ковалентным относятся, например, связи, возникающие между двумя атомами кислорода в молекуле кислорода, атомами водорода - в молекуле водорода и в некоторых других двухатомных молекулах.

Ковалентная связь в подобных молекулах образуется за счет обобществления неспаренных электронов каждого из атомов, например в молекуле Н2, так как возникновение такой пары электронов энергетически выгодно. В действительности, конечно, речь идет не об одном или двух электронах на внешней орбите,  а об электронном облаке, максимальная плотность которого симметрична по отношению к взаимодействующим атомам.

Если же электронное облако несколько смещено в сторону одного из атомов, то возникает дипольный момент, обусловливающий полярный тип связи. Вследствие этого один атом оказывается слегка отрицательным, а другой - слегка положительным, т. е. на каждом из них появляется заряд, величина которого равна некоторой доле заряда электрона (такой заряд обозначают как 5+ или 5- ). Полярной является, например, молекула воды ( 3).

 Диполь - совокупность двух точечных электрических зарядов, равных по величине и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

На внешней орбите атома кислорода вращается шесть электронов, тогда как при полном насыщении электронами на этой орбите их число должно равняться восьми. Дополнение внешней орбиты электронами происходит за счет электронов атомов водорода. Количественной мерой полярности связи служит величина дипольного момента ц-произведения из заряда полюса диполя на расстояние между полюсами - центрами тяжести отрицательных и положительных зарядов в подобных молекулах. Чем выше значение дипольного момента, тем выше полярность молекулы. Значение дипольного момента важно для понимания растворяющей способности жидкостей, состоящих из полярных молекул. Если полярное вещество жидкое, то оно может служить полярным растворителем. Полярные растворители растворяют ионные соединения.

Кроме того, очень важна и так называемая координационная, или донорно-акцепторная, связь - разновидность ковалентной связи, осуществляемая, например, в комплексных соединениях.

Донорно-акцепторная связь возникает при наличии у одного из атомов неподеленной пары электронов (донор), тогда как у другого атома -акцептора - существует не содержащая ни одного электрона атомная орбита. Например, ион аммония образуется вследствие возникновения координационной связи между атомом азота в молекуле аммиака и ионом водорода

Координационная связь характерна для основных продуктов гидратации цементов - аквокомплексов, которые обычно называют кристаллогидратами.

Как было отмечено выше, образование молекул из атомов приводит к выделению или поглощению энергии. Это же условие лежит и в основе самопроизвольно протекающего взаимодействия между молекулами. Для того чтобы осуществилась реакция, необходима такая перестройка перечисленных химических связей, которая в конечном счете была бы энергетически выгодной. Это означает, что разность между энергией разрыва всех старых связей и энергией образования новых связей должна быть отрицательной (свободная энергия при разрушении всех старых связей должна быть меньше, чем свободная энергия при возникновении новых).

Силы, которые удерживают молекулы жидких и твердых веществ вместе, называют ван-дер-ваальсовыми. Они отличаются от сил, обеспечивающих химические связи, не только количественно (обычно в десятки раз меньшей величиной), но и качественно, а именно: своей универсальностью и ненасыщаемостью. Это означает, что они действуют на сравнительно больших расстояниях в сопоставлении с расстояниями между атомами в молекулах и распространяются на любое число молекул, попавших в поле действия этих сил. Вандерваальсовы силы -это силы притяжения, обусловленные движением электронов в атомах, и они в 10.. .20 раз слабее, чем силы притяжения между ионами.