Прочность и поверхностная энергия твердых тел . Часть 5

Классической иллюстрацией зависимости свойств тела от характера и прочности связей между элементами его решетки может служить сопоставление свойств алмаза и графита. Ковалентные связи, действующие между всеми атомами в решетке алмаза, обусловливают его высокие твердость и температуру возгонки; графит, в котором ковалентная связь существует лишь в слоях атомов (между слоями действуют ван-дер-ваальсовы силы связи), значительно менее стоек по отношению к механическим и температурным воздействиям.

Химические связи в реальных соединениях имеют обычно промежуточный характер, и можно проследить переход, например, ковалентной связи в ионную. Степень ионности таких связей определяется разностью электроотрицательностей элементов [10], а также влиянием окружения, в котором находятся рассматриваемые частицы. Например, если связь кремний — кислород в кремнеземе является в большей степени ионной, то в силикатах щелочей она является фактически полностью ковалентной. У окислов щелочных и щелочноземельных элементов связи являются в основном ионными, что сказывается на строении их кристаллических решеток с плотной упаковкой ионов.

В отличие от любого структурного элемента (атома, молекулы, иона) кристаллической решетки, расположенного внутри тела и подверженного действию сил элементов, окружающих его со всех сторон, с элементом (частицей), находящимся на поверхности кристаллического тела, взаимодействуют лишь частицы, лежащие на этой поверхности и прилегающие к ней со стороны кристаллов.

Как в объеме тела, так и на его поверхности частица находится в покое, если равнодействующая всех сил равна нулю. При несимметричности силового поля решетки поверхностной частицы она находится в равновесии потому, что направленные внутрь кристаллической решетки силы компенсируются сжатием поверхностного слоя, т. е. силами упругости.

Таким образом, поверхностный слой находится в упруго-напряженном состоянии. Частицы, находящиеся в этом слое тела, обладают большим запасом потенциальной энергии, чем внутренние частицы.

Полная энергия кристалла, определяющая его свойства и поведение в различных условиях, складывается из его внутренней и поверхностной энергий, поэтому необходимо изучение как первой, так и второй из них. Это тем более важно, что процессы рекристаллизации, спекания, полиморфных превращений, химического взаимодействия в кристаллических телах обычно развиваются прежде всего на поверхности их зерен, зависят от поверхностной энергии и связаны с ее изменением.

Очевидно, что при данном объеме тела его полная энергия тем больше, чем больше его поверхность при сохранении одной и той же кристаллической огранки.

Поверхностную энергию измеряют работой, необходимой для образования поверхностного слоя в изотермических условиях. Эту работу, отнесенную к единице площади (к 1 см2) поверхности, называют удельной поверхностной энергией. Строго говоря, работа образования поверхности различна для разных частиц, т. е. значение поверхностной энергии непостоянно для всех точек поверхности. Однако при достаточно большой площади поверхности можно говорить об определенном значении а данного тела, как о средней энергии образования единицы его поверхности.

 

Другие части:

Прочность и поверхностная энергия твердых тел . Часть 1

Прочность и поверхностная энергия твердых тел . Часть 2

Прочность и поверхностная энергия твердых тел . Часть 3

Прочность и поверхностная энергия твердых тел . Часть 4

Прочность и поверхностная энергия твердых тел . Часть 5

Прочность и поверхностная энергия твердых тел . Часть 6

 

 

Содержание