工程材料/化学键

依照目前科学的认识来看，自然界的宏观物质是由一百多种元素构成的,其基本结构粒子是这些元素原子构成的的离子、原子或分子等。这些基本结构粒子通过化学键的相互作用结合在一起,形成各种各样的物质或材料。依据粒子之间的相互作用形式的不同,一般将化学键分为离子键、共价键、金属键和分子键等四种。由不同的化学键结合成的固体材料,通常表现出很大的性能差异。

离子键

各种元素原子获得或失去电子的能力不同,这种差别用元素原子的电负性来表征,电负性越大的元素原子越易于获得电子。而任何元素原子相互趋近、接触时,都具有通过失去或获得电子达到外层电子饱和,以实现电子结构稳定的趋势。

当电负性相差较大的元素原子相互接触时,电负性较小的元素原子将失去电子形成正离子,而电负性较大的元素原子将获得电子形成负离子,正、负离子之间通过电荷吸引,结合形成稳定的化学键,这种化学键就称为离子键。由离子键结合形成的化合物为离子化合物,由离子键化合物形成的晶体为离子晶体。大部分盐类、碱类和金属氧化物都是离子晶体,其中,食盐氯化钠是典型的离子晶体。

离子键结合力很强,所以,离子晶体硬度高、强度大、热膨胀系数小,但脆性大。又由于离子键难以产生可移动的自由电子,所以离子晶体一般具有良好的电绝缘性。

共价键

共价键是由共用价电子而形成的一种化学键,被共用的价电子同时属于两个相邻的原子,使它们的原子核最外层电子都达到饱和,同时稳定的结合在一起。

由于共价键与元素原子的电子结构有关,导致共价键具有方向性和饱和性。能够形成共价键结合的元素原子一般是电负性相差较少的元素原子或同种元素原子。

由共价键结合形成的化合物为共价化合物,由共价化合物形成的晶体为共价晶体。锡、锗、铅等金属及金刚石、SiC、SiO2、BN、Si3N4 等非金属材料都是共价键晶体,其中,金刚石是典型的共价晶体。

共价键是结合力最强的一种化学键,所以,共价键晶体硬度高、强度大、脆性大、熔点高、结构稳定,并且由于相邻原子所共用的电子不能自由移动,一般具有良好的电绝缘性,是热的不良导体。

无机非金属材料一般为离子晶体或共价晶体形成的多晶材料,因此,一般均具有较高的硬度、强度和良好的电绝缘体、优异的隔热性能,但通常脆性较大。

高分子材料分子内也多是以共价键结合,因此也具有良好的电绝缘性。

金属键

在金属材料中,金属原子核外层的价电子可以从一个原子自由地流向另一个原子,价电子为所有金属原子所共有。这种为所有建树原子所共有的价电子可以在原子间自由的流动,被称为自由电子。这种由多个原子共用自由电子而形成的化学键称为金属键。有金属键结合形成的晶体即为金属晶体。

由于内部存在可以自由流动的电子,导致金属晶体是电和热的良导体。并且由于自由电子的共用,金属原子就像填充于自由电子气中,使得材料具有良好的延展性,适用于锻造、冲压、折弯等多种塑性加工工艺。

分子键

离子键、共价键和金属键是化学键的三大主要类型,由这三种类型结合的原子间具有比较强的相互作用。除了这三种较强的原子间相互作用之外,在分子之间还存在着一种较弱的相互作用,即分子键。分子键不同于离子键、共价键和金属键,没有电子的得失、共有或公有形成的化学键相互作用,主要的是色散引起的分子偶极之间的引力作用,严格意义上讲是一种物理键。

分子键又称范德华键,或分子力、范德华力。气体分子能凝聚成液体和固体,主要就靠这种分子键作用。水结成的冰,以及二氧化碳气体凝结成的干冰都是由分子键结合而成的典型的分子晶体。

分子键结合力较弱,纯粹由分子键结合形成的分子晶体一般具有较低的熔点和沸点,如冰和干冰。而高分子材料由于分子内是共价键结合,分子间主要是通过分子键结合,所以熔点相对较低,硬度和强度也相对较小。石墨、滑石、云母等层状无机非金属材料,层与层之间也是通过分子间结合的,因此也具有相对较低的硬度和强度。

大部分材料的结合往往并非是单纯的一种键合作用,而是两种或两种以上的键合的综合作用。

不同化学键结合的材料的共性

材料种类	化学键	共性
金属材料	金属键	有光泽、塑性、导电、导热、较高的强度和刚度
无机非金属材料	离子键、共价键	脆性、耐磨等
高分子材料	共价键、分子键	绝缘、轻、比强度高、耐磨、耐腐蚀、易老化、刚度小、橡胶具有高弹性
分子晶体	共价键（主要）	绝缘、熔点低、高膨胀等