Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Интенсивные и экстенсивные системы - это свойства и состояния материи, которые зависят от многих факторов: положения в системе элементов Д.М. Менделеева, гомогенных и гетерогенных воздействий среды, условий кристаллизации и диффузии. Для создания новых материалов очень важно знать особенности этих систем и механизм их образования. Поэтому тема контрольной работы актуальна и практически значима.

Объект исследования: системы.

Предмет - интенсивные и экстенсивные системы.

Цель написания работы: выявить значение интенсивных и экстенсивных систем в материаловедении и физике твердых тел.

Для достижения цели решались следующие задачи:

· определялось понятие интенсивных и экстенсивных систем;

· выявлялись особенности групп элементов периодической системы Д.И. Менделеева как основы интенсивных и экстенсивных систем;

· анализировались закономерности развития интенсивных и экстенсивных систем в определенных условиях гомогенного и гетерогенного характера.

При работе над темой использовались методы: наблюдение, сравнение, обобщение.

Работа базировалась на трудах: А.М. Захарова и Б.Н. Арзамасова.

Таким образом, удалось выяснить, что интенсивные и экстенсивные системы - это особенности, свойства и состояния элементов, обусловленные их положением в периодической таблице Д.И. Менделеева и условиями воздействия на расположение атомов в их решетках.

Интенсивные и экстенсивные системы

Прежде, чем начать развивать тему экстенсивных и интенсивных систем дадим определение этим понятиям. Экстенсивный - направленный в сторону количественного увеличения, расширения, распространения Ожегов, С.И. Толковый словарь русского языка / С.И. Ожегов,Н.Ю. Шведова / Рос. академия наук. Ин-т русского языка им. В.В. Виноградова. - 4-е изд., доп. - М.: Азбуковник, 1999. - С.908. . Интенсивный - напряженный, усиленный Ожегов, С.И. Толковый словарь русского языка / С.И. Ожегов,Н.Ю. Шведова / Рос. академия наук. Ин-т русского языка им. В.В. Виноградова. - 4-е изд., доп. - М.: Азбуковник, 1999. - С.248. . В материаловедении речь чаще всего идет о сплавах металлов с металлами, металлов с неметаллами. В зависимости от условий кристаллизации или рекристаллизации образуются системы с разными свойствами, обусловленными расстояниями между атомами в решетках, наличием или отсутствием свободных элементов, не связанных решеткой. Экстенсивные системы характеризуются большим количеством мелких атомных связей, интенсивные - прочностью соединений. Рассмотрим эти особенности на конкретных примерах.

Среди естественных элементов большинство является металлами. В развернутой таблице Д.И. Менделеева все элементы, расположенные левее линии, проведенной от бора до астатина (от №5 до №85), являются металлами, а правее - неметаллами. Однако граница между этими двумя классами элементов не является четкой, так как среди элементов, расположенных у этой границы, находятся и полуметаллы.

Все металлы в твердом состоянии в условиях термодинамического равновесия имеют кристаллическое строение, но в условиях, отличных от равновесия, они могут быть получены в аморфном состоянии, которое характеризуется более высокой свободной энергией Гиббса.

Внутреннее строение металлов, как и многих других неорганических кристаллических веществ, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, характеризуется трехмерным закономерным расположением атомов в объеме каждого кристалла, которое называют атомно-кристаллической структурой.

Каждый металл характеризуется специфической для него атомно-кристаллической структурой, различным взаимным расположением атомов и (или) расстоянием между ними.

Вид атомно-кристаллической структуры данного металла определяется минимумом свободной энергии Гиббса, зависящей от электронного строения атомов, определяющего электронное строение металла, и соответственно от типа силы связи, действующей между атомами.

Известны следующие типы связей, действующих в кристаллах, - молекулярная, ковалентная, ионная и металлическая. Наиболее значительны эти силы у кристаллов с ковалентной связью. Они несколько меньше у кристаллов с ионной связью и еще меньше с металлической связью. Минимум этих сил связи наблюдается у молекулярных кристаллов, между атомами или молекулами которых действуют силы Ван-дер-Ваальса Захаров, А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем: учеб. пособие для вузов / А.М. Захаров. - М.: Металлургия, 1978. - С.50. .

Кристаллические структуры с ковалентной связью типичны для элементов IVA - VIIA подгрупп периодической системы. Эти структуры удовлетворяют правилу Юма-Розери, согласно которому величина 8-/V, где ff - номер группы, определяет число единичных ковалентных связей, каждая из которых возникает в результате обменного взаимодействия двух обобществленных электронов с противоположными спинами. Поэтому ковалентные связи жестко связывают данный атом с каждым другим ближайшим атомом, между электронами которых возникает обменное взаимодействие. Ковалентные связи являются пространственно направленными, а угловое соотношение между ними зависит от числа и уровня энергии взаимодействующих электронов, образующих эти связи.

Связи в ионных кристаллах являются результатом электростатического взаимодействия между разноименно заряженными ионами. Такая ситуация возникает при достаточно тесном сближении внутренних электронных оболочек атомов, образующих подобный кристалл. Поэтому электронные конфигурации атомов разных элементов изменяются по сравнению с исходным их состоянием. В результате изменений электронного строения атомов разных элементов, входящих в состав кристаллов, образуются ионы разных знаков, между которыми действуют силы притяжения и отталкивания. Типичные ионные кристаллы состоят из положительно и отрицательно заряженных атомов (или ионов). Во всех кристаллах соотношение между числом ближайших соседей атомов или ионов разных знаков, образующих кристалл, должно быть постоянным. Тип кристаллической структуры ионных кристаллов зависит от соотношения размеров, образующих их атомов (ионов) и сил ионных связей.

В металлических кристаллах действует так называемая металлическая связь, которая в отличие от ковалентной или ионной не является направленной. Эта связь возникает в результате взаимодействия закономерно расположенных положительно заряженных ионов с окружающей их совокупностью свободных электронов или электронным газом. Составляющими полную энергию (U) металлических кристаллов являются: потенциальная, кинетическая и энергия свободных электронов. Минимум энергии металлического кристалла отвечает радиусу r_о и определяет величину работы, которую надо затратить, чтобы перевести металл из твердого состояния в парообразное и в этом последнем состоянии ионизировать атомы.

Отсутствие направленных связей между атомами в металлических кристаллах определяет сферическую симметрию имеющихся в них силовых полей и компактность атомно-кристаллической структуры в большинстве этих кристаллов. Это и определяет особенности их физических и механических свойств.

Атомно-кристаллическая структура металлов зависит от электронного строения их атомов, что и проявляется в существовании определенной связи этой структуры с положением металлов в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. При этом решающее значение для образования кристаллической структуры того или иного типа имеет степень симметрии электронной структуры иона, остающегося после перехода внешних валентных или свободных электронов в образующийся таким образом газ. При высокой симметрии электронной структуры иона, приближающейся к сферической (как, например, в металлах подгрупп ПА-IVA), образуются структуры типа Г12 или К12, тогда как при эллипсоидальной форме иона, как в частности у щелочных металлов (группа IA), образуется структура ОЦК типа К8, отличающаяся меньшей компактностью. Следует указать, что между атомами в элементах IVA-VIIА подгрупп превалирует жесткая ковалентная связь, причем число этих связей определяется правилом Юм-Розери и поэтому у этих элементов, кроме многоэлектронных, не проявляются металлические свойства и структуры типа плотнейших. В частности, у элементов VA подгруппы проявляются полуметаллические свойства при малокомпактной ромбоэдрической решетке.

Для металлов подгрупп 1В-1VB справедливы те же общие положения о типах кристаллических структур элементов, зависящих от симметрии электронного строения ионов решетки. Так, для атомов металлов 1В группы (Си, Ag, Аи) характерна псевдосферическая симметрия иона, остающегося после коллективизации газа валентных (свободных) электронов, которые взаимодействуют с ионами решетки без направленных сил связи.

Кристаллическая структура этих металлов плотнейшая типа К12. Для металлов подгрупп II В-IVB, характерна плотнейшая кристаллическая структура преимущественного типа Г12, хотя у некоторых металлов также наблюдаются решетки типа К12, что в обоих случаях связано с симметрией электронного строения иона, близкого к сферической симметрии.

Для металлов подгрупп VB (V, Nb, То) и VIB (Сг, Mo, W) характерна эллипсовидная форма электронного строения ионов, окруженного свободными (валентными) электронами - так называемым электронным газом. Поэтому атомно-кристаллическая структура этих металлов, отвечающая координационному числу К8 (объемно центрированный куб), менее компактна, чем наблюдающаяся в других В подгруппах.

Металлы, принадлежащие VIIB и VIIIB подгруппам, отличающиеся более сферически симметричной формой иона и большим числом d+S-электронов, имеют в основном компактные кристаллические решетки типа Г12 и К12. В то же время - и -Mn имеют решетку не типичную для металлов, a -Fe - объемно центрированную, К8.

Явление полиморфизма в основном наблюдается у металлов, особенно относящихся к переходным группам (Fe, Co, Ti, Zr, Mn и др.), в том числе к лантанидам и актинидам. Правда, в ряде случаев оно наблюдается и у непереходных металлов (Ca, Sr, Ba, Sn). Среди неметаллов полиморфизм наблюдается весьма редко, например у углерода, серы и фосфора. Тот факт, что в большинстве случаев полиморфизм наблюдается у металлов переходных групп (30 элементов из 37), у которых энергия состояний, занятых электронами и свободных от них, близка между собой, позволяет предположить, что под действием внешних воздействий изменяется распределение электронов, а для этого нового распределения энергия совокупности электронов будет меньшей в решетке с иным расположением атомов, чем до воздействия. Это и будет основной причиной перехода от одной решетки к другой Материаловедение: учебник для втузов / Под ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1986. - С.15. .

Полиморфные превращения являются обратимыми фазовыми превращениями I рода (по Л.Д. Ландау), причем во многих случаях они развиваются не только по диффузионному, но и по мартеиситному механизмам.

Обычно полиморфные превращения связывают с изменением типа решетки. Однако известны случаи, когда тип решетки при этом не изменяется (как, например, у церия), а под действием высокого давления определенной величины (7000МПа) объем решетки уменьшается скачкообразно на 16% - это показатель образования новых связей.

Если металл может существовать в двух или более различных кристаллических модификациях, то в данных условиях при определенной температуре и давлении более устойчивой окажется та фаза, кристаллическое строение которой будет определять более низкий уровень свободной энергии Гиббса. Такой кристаллической фазой будет необязательно та, которая обладает самой плотной из всех возможных для данного металла упаковкой атомов, так как необходимо учитывать взаимодействие силы притяжения и отталкивания, изменяющихся в зависимости от расстояния между атомами (ионами). Переход менее стабильной в более стабильную структуру связан с преодолением энергетического барьера. Этот барьер преодолевается за счет тепловых флуктуаций, поэтому, если вероятность флуктуации мала, метастабильная в данных условиях фаза может длительное время существовать в этом состоянии.

Полиморфные превращения могут сопровождаться изменением характера межатомных связей. Примером может служить превращение белого олова в серое при низких температурах, когда металлическая связь превращается в ковалентную, и превращение ковалентных связей в германии и кремнии под действием высоких давлений, когда происходит перекрытие электронных оболочек атомов, и тогда полупроводниковые кристаллы этих элементов превращаются в металлические Научные основы материаловедения / Под ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994. - С.18. .

Таким образом, интенсивные и экстенсивные системы образуются под воздействием гомогенных и гетерогенных факторов превращения вещества и зависят от его фазового состояния.

Заключение

В природе не существует чистого вещества, свободного от гомогенного или гетерогенного влияния. В зависимости от условий кристаллизации или рекристаллизации образуются системы сплавов с разными свойствами, обусловленными расстояниями между атомами в решетках, наличием или отсутствием свободных элементов, не связанных решеткой. Возникают системы с заданными свойствами. Экстенсивные системы характеризуются большим количеством мелких атомных связей, интенсивные - прочностью соединений.

Внутреннее строение металлов, как и многих других неорганических кристаллических веществ, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, характеризуется трехмерным закономерным расположением атомов в объеме каждого кристалла. Вид атомно-кристаллической структуры данного металла определяется минимумом свободной энергии Гиббса, зависящей от электронного строения атомов, определяющего электронное строение металла, и соответственно от типа силы связи, действующей между атомами.

Известны следующие типы связей, действующих в кристаллах, - молекулярная, ковалентная, ионная и металлическая. Наиболее значительны эти силы у кристаллов с ковалентной связью. Несколько меньше у кристаллов с ионной связью и еще меньше с металлической связью. Минимум этих сил связи наблюдается у молекулярных кристаллов, между атомами или молекулами которых действуют силы Ван-дер-Ваальса. В металлических кристаллах действует так называемая металлическая связь, которая в отличие от ковалентной или ионной не является направленной.

Таким образом, интенсивные и экстенсивные системы - это органичная составляющая любого превращения вещества, задающая ему определенные качества и свойства.

Литература