工程材料/化學鍵

依照目前科學的認識來看，自然界的宏觀物質是由一百多種元素構成的,其基本結構粒子是這些元素原子構成的的離子、原子或分子等。這些基本結構粒子通過化學鍵的相互作用結合在一起,形成各種各樣的物質或材料。依據粒子之間的相互作用形式的不同,一般將化學鍵分為離子鍵、共價鍵、金屬鍵和分子鍵等四種。由不同的化學鍵結合成的固體材料,通常表現出很大的性能差異。

離子鍵

各種元素原子獲得或失去電子的能力不同,這種差別用元素原子的電負性來表徵,電負性越大的元素原子越易於獲得電子。而任何元素原子相互趨近、接觸時,都具有通過失去或獲得電子達到外層電子飽和,以實現電子結構穩定的趨勢。

當電負性相差較大的元素原子相互接觸時,電負性較小的元素原子將失去電子形成正離子,而電負性較大的元素原子將獲得電子形成負離子,正、負離子之間通過電荷吸引,結合形成穩定的化學鍵,這種化學鍵就稱為離子鍵。由離子鍵結合形成的化合物為離子化合物,由離子鍵化合物形成的晶體為離子晶體。大部分鹽類、鹼類和金屬氧化物都是離子晶體,其中,食鹽氯化鈉是典型的離子晶體。

離子鍵結合力很強,所以,離子晶體硬度高、強度大、熱膨脹系數小,但脆性大。又由於離子鍵難以產生可移動的自由電子,所以離子晶體一般具有良好的電絕緣性。

共價鍵

共價鍵是由共用價電子而形成的一種化學鍵,被共用的價電子同時屬於兩個相鄰的原子,使它們的原子核最外層電子都達到飽和,同時穩定的結合在一起。

由於共價鍵與元素原子的電子結構有關,導致共價鍵具有方向性和飽和性。能夠形成共價鍵結合的元素原子一般是電負性相差較少的元素原子或同種元素原子。

由共價鍵結合形成的化合物為共價化合物,由共價化合物形成的晶體為共價晶體。錫、鍺、鉛等金屬及金剛石、SiC、SiO2、BN、Si3N4 等非金屬材料都是共價鍵晶體,其中,金剛石是典型的共價晶體。

共價鍵是結合力最強的一種化學鍵,所以,共價鍵晶體硬度高、強度大、脆性大、熔點高、結構穩定,並且由於相鄰原子所共用的電子不能自由移動,一般具有良好的電絕緣性,是熱的不良導體。

無機非金屬材料一般為離子晶體或共價晶體形成的多晶材料,因此,一般均具有較高的硬度、強度和良好的電絕緣體、優異的隔熱性能,但通常脆性較大。

高分子材料分子內也多是以共價鍵結合,因此也具有良好的電絕緣性。

金屬鍵

在金屬材料中,金屬原子核外層的價電子可以從一個原子自由地流向另一個原子,價電子為所有金屬原子所共有。這種為所有建樹原子所共有的價電子可以在原子間自由的流動,被稱為自由電子。這種由多個原子共用自由電子而形成的化學鍵稱為金屬鍵。有金屬鍵結合形成的晶體即為金屬晶體。

由於內部存在可以自由流動的電子,導致金屬晶體是電和熱的良導體。並且由於自由電子的共用,金屬原子就像填充於自由電子氣中,使得材料具有良好的延展性,適用於鍛造、衝壓、折彎等多種塑性加工工藝。

分子鍵

離子鍵、共價鍵和金屬鍵是化學鍵的三大主要類型,由這三種類型結合的原子間具有比較強的相互作用。除了這三種較強的原子間相互作用之外,在分子之間還存在着一種較弱的相互作用,即分子鍵。分子鍵不同於離子鍵、共價鍵和金屬鍵,沒有電子的得失、共有或公有形成的化學鍵相互作用,主要的是色散引起的分子偶極之間的引力作用,嚴格意義上講是一種物理鍵。

分子鍵又稱范德華鍵,或分子力、范德華力。氣體分子能凝聚成液體和固體,主要就靠這種分子鍵作用。水結成的冰,以及二氧化碳氣體凝結成的乾冰都是由分子鍵結合而成的典型的分子晶體。

分子鍵結合力較弱,純粹由分子鍵結合形成的分子晶體一般具有較低的熔點和沸點,如冰和乾冰。而高分子材料由於分子內是共價鍵結合,分子間主要是通過分子鍵結合,所以熔點相對較低,硬度和強度也相對較小。石墨、滑石、雲母等層狀無機非金屬材料,層與層之間也是通過分子間結合的,因此也具有相對較低的硬度和強度。

大部分材料的結合往往並非是單純的一種鍵合作用,而是兩種或兩種以上的鍵合的綜合作用。

不同化學鍵結合的材料的共性

材料種類	化學鍵	共性
金屬材料	金屬鍵	有光澤、塑性、導電、導熱、較高的強度和剛度
無機非金屬材料	離子鍵、共價鍵	脆性、耐磨等
高分子材料	共價鍵、分子鍵	絕緣、輕、比強度高、耐磨、耐腐蝕、易老化、剛度小、橡膠具有高彈性
分子晶體	共價鍵（主要）	絕緣、熔點低、高膨脹等