Физико-химические основы технологии материалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
Н. Р. Галяветдинов 
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
МАТЕРИАЛОВ 
Учебное пособие 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2022 

УДК 620.22(075) 
ББК 30.3я7 
Г17 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
д-р техн. наук Е. Ю. Разумов 
гл. инженер ООО «НПП «ТермоДревПром» А. А. Сычев 
Галяветдинов Н. Р. 
Г17 Физико-химические основы технологии материалов : учебное пособие / 
Н. Р. Галяветдинов; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. 
ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ
, 2022. – 88 с. 
ISBN 978-5-7882-3281-2 
Изложены основы современного материаловедения. Рассмотрены различные 
модели, в том числе на основе фазовых диаграмм и теории химической связи. Подробно обсуждаются теория дефектов в кристаллических твердых телах, процессы кристаллизации и рекристаллизации. 
Предназначено для бакалавров направлений 29.03.04 «Технология художественной обработки материалов», 35.03.02 «Технология лесозаготовительных 
и деревоперерабатывающих производств». 
Подготовлено на кафедре архитектуры и дизайна изделий из древесины. 
УДК 620.22(075) 
ББК 30.3я7 
ISBN 978-5-7882-3281-2 
© Галяветдинов Н. Р., 2022 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2022 

Содержание 
 
Введение 
........................................................................................................................................... 5 
1. Химическая связь 
...................................................................................................................... 6 
1.1. Подход Кесселя–Льюиса 
................................................................................................ 7 
1.1.1. Правило октета 
........................................................................................................... 8 
1.1.2. Ковалентная связь 
..................................................................................................... 9 
1.1.3. Связь атомов водорода ......................................................................................... 
10 
1.2. Структуры Льюиса ........................................................................................................... 
12 
1.3. Ионная или электровалентная связь ...................................................................... 
13 
1.4. Параметры связи 
............................................................................................................. 
14 
1.4.1. Длина связи 
................................................................................................................ 
14 
1.4.2. Угол связи 
.................................................................................................................... 
15 
1.4.3. Порядок связи 
........................................................................................................... 
16 
1.4.4. Резонансные структуры 
......................................................................................... 
16 
1.5. Теория валентных связей 
............................................................................................. 
17 
1.5.1. Концепция перекрытия орбит 
............................................................................ 
18 
1.5.2. Перекрытие атомных орбиталей ...................................................................... 
19 
1.5.3. Прочность сигма- и пи-связей 
............................................................................ 
21 
1.6. Гибридизация .................................................................................................................... 
21 
1.7. Молекулярная орбитальная теория 
.......................................................................... 
23 
2. Строение твердых тел ........................................................................................................... 
25 
2.1. Атомное строение твердого тела .............................................................................. 
25 
2.2. Силы связи в твердом теле 
.......................................................................................... 
29 
2.3. Энергия связи ................................................................................................................... 
32 
2.4. Кристаллическая решетка ........................................................................................... 
36 
2.5. Типы кристаллических решеток ................................................................................ 
40 
3. Магнитные свойства кристаллов 
...................................................................................... 
43 
3.1. Локализованные и делокализованные электроны ........................................... 
44 
3.2. Парамагнетизм 
................................................................................................................. 
45 
3.3. Ферромагнетизм 
.............................................................................................................. 
49 
 
3 

3.4. Антиферромагнетики и ферримагнетики ............................................................. 
56 
3.5. Магнитное хранение данных ..................................................................................... 
57 
4. Строение, кристаллизация и свойства сплавов. Физико-химические
основы формирования кристаллических и аморфных материалов 
...................... 
59 
4.1. Кристаллизация ............................................................................................................... 
59 
4.1.1. Основные определения кристаллизации ...................................................... 
59 
4.1.2. Общие параметры кристаллизации и превращения ................................ 
60 
4.1.3. Процесс кристаллизации чистых металлов .................................................. 
62 
4.1.4. Дендритное затвердевание 
................................................................................. 
62 
4.1.5. Аллотропия металлов 
............................................................................................. 
64 
4.2. Свойства сплавов ............................................................................................................ 
65 
4.2.1. Влияние размера зерен на свойства металлов 
........................................... 
66 
4.2.2. Твердый раствор ...................................................................................................... 
67 
4.2.3. Типы твердых растворов 
....................................................................................... 
67 
4.2.4. Промежуточные фазы 
............................................................................................ 
69 
4.3. Аморфные материалы ................................................................................................... 
70 
4.3.1. Определяющие законы для аморфных твердых тел 
................................. 
73 
4.3.2. Эффективная температура 
................................................................................... 
74 
4.3.3. Локализация и разрушение 
................................................................................. 
74 
4.3.4. Различие между кристаллическими и аморфными твердыми 
телами ...................................................................................................................................... 
75 
4.4. Получение аморфных твердых тел .......................................................................... 
78 
4.4.1. Закалка расплава 
..................................................................................................... 
79 
4.4.2. Методы конденсации паров 
................................................................................ 
80 
4.4.3. Другие методы получения аморфных твердых тел ................................... 
81 
4.4.4. Модели структур атомного масштаба ............................................................. 
81 
Заключение 
.................................................................................................................................... 
84 
Литература ..................................................................................................................................... 
85 
4 

В В Е Д Е Н И Е
Успешная работа в области материаловедения композиционных 
материалов требует применения физико-химического подхода к изучению свойств дисперсных систем и явлений на межфазной границе, 
а также понимания основ современных технологий получения порошковых материалов, композитов и изделий на их основе. 
Основная задача дисциплины – научить студентов использовать 
знания о химических и фазовых равновесиях, лежащих в основе всех 
технологических процессов. В учебном пособии подробно рассматриваются некоторые разделы термодинамики химических и фазовых равновесий, которые служат основой технологии получения многих видов 
материалов. При этом в полной мере используются фундаментальные 
понятия, представления и закономерности из других областей знаний – 
физики, химии, а также кристаллографии и металлургии. Рассматриваются различные модели, в том числе на основе фазовых диаграмм и теории химической связи. 
Большое внимание уделяется применению термодинамических 
подходов при изучении материалов. Подробно обсуждаются теория дефектов в кристаллических твердых телах, процессы кристаллизации 
и рекристаллизации, способы управления составом композиционных 
материалов, структурная организация в стеклах и полимерах. 
5 

. Х И М И Ч Е С КА Я  С В Я З Ь
Ученые постоянно открывают новые соединения, упорядочивают 
факты о них, пытаются объяснить с помощью существующих знаний, 
организуются, чтобы изменить прежние взгляды или развить теории 
для объяснения вновь наблюдаемых фактов. 
Материя состоит из одного или разных типов элементов. 
При нормальных условиях ни один другой элемент не существует 
в природе как независимый атом, кроме благородных газов. Однако обнаружено, что группа атомов существует вместе как один вид, обладающий характерными свойствами. Такая группа атомов называется молекулой. Очевидно, что должна существовать какая-то сила, которая 
удерживает эти составляющие атомы вместе в молекулах. Сила притяжения, которая удерживает различные составляющие (атомы, ионы и 
т. д.) вместе в различных химических соединениях, называется химической связью. 
С тех пор как образование химических соединений начало происходить в результате сочетания атомов различных элементов по-разному, 
это стало вызывать много вопросов: почему атомы объединяются? Почему возможны только определенные комбинации? Почему некоторые 
атомы объединяются, а некоторые другие – нет? Почему молекулы обладают определенными формами? 
Для того чтобы ответить на эти вопросы, выдвигались различные 
теории и концепции. Это подход Кесселя–Льюиса, теория отталкивания 
электронной пары валентной оболочки, теория валентных связей и теория молекулярной орбитали. Эволюция различных теорий валентности 
и интерпретация природы химических связей тесно связаны с достижениями в понимании структуры атома, электронной конфигурации элементов и периодической таблицы. Каждая система стремится быть более стабильной, и связь – это естественный способ снижения энергии 
системы для достижения стабильности. 

1.1. Подход Кесселя–Льюиса 
Для того чтобы объяснить образование химической связи с точки 
зрения электронов, был предпринят ряд попыток, но удалось это только 
в 1916 году, когда Кессель и Льюис независимо друг от друга дали удовлетворительное объяснение. Они были первыми, кто логически объяснили валентность на основе инертности благородных газов. 
Льюис изобразил атом в терминах положительно заряженного 
«ядра» (ядро плюс внутренние электроны) и внешней оболочки, которая 
может вместить максимум восемь электронов. Он предположил, что эти 
восемь электронов занимают углы куба, которые окружают «ядро». Таким образом, единственный электрон внешней оболочки натрия занимал бы один угол куба, в то время как в случае благородного газа были 
бы заняты все восемь углов. Этот октет электронов представляет собой 
особенно стабильную электронную структуру. 
Льюис постулировал, что атомы достигают стабильного октета, 
когда они связаны химическими связями. В случае натрия и хлора это 
может произойти путем переноса электрона от натрия к хлору, тем самым давая ионы Na+ и Cl−. В случае других молекул, таких как Cl2, H2, 
F2 и т. д., связь образуется путем совместного использования пары электронов между атомами. В процессе каждый атом достигает стабильного 
внешнего октета электронов. 
При образовании молекулы в химической комбинации участвуют 
только электроны внешней оболочки, и они известны как валентные 
электроны. Электроны внутренней оболочки хорошо защищены и, как 
правило, не участвуют в процессе объединения. Г. Н. Льюис, американский химик, ввел простые обозначения для представления валентных 
электронов в атоме. Эти обозначения называются символами Льюиса. 
Например, символы Льюиса для элементов второго периода выглядят 
следующим образом: 
Значение символов Льюиса. Количество точек вокруг символа 
обозначает число валентных электронов. Это число помогает определить общую или групповую валентность элемента. Групповая 
7 

валентность элементов обычно равна количеству точек в символах Льюиса или 8 минус количество точек или валентных электронов. 
Кессель обратил внимание на следующие факты, касающиеся химической связи: 
– в периодической таблице высоко электроотрицательные галогены и высоко электроположительные щелочные металлы разделены 
благородными газами; 
– образование отрицательного иона из атома галогена и положительного иона из атома щелочного металла связано с приобретением 
и потерей электрона соответствующими атомами; 
– образующиеся таким образом отрицательные и положительные
ионы приобретают стабильные электронные конфигурации инертных 
газов. Благородные газы (за исключением гелия, который имеет дуплет 
электронов) имеют особенно стабильную конфигурацию внешней оболочки из восьми (октетов) электронов, ns2np6. 
Связь, образующаяся в результате электростатического притяжения между положительными и отрицательными ионами, получила 
название электровалентная связь. Таким образом, электровалентность 
равна количеству единичных зарядов иона. Соответственно, кальцию 
присваивается положительная электровалентность, равная двум, 
а хлору – отрицательная электровалентность, равная единице. Положения Кесселя составляют основу современных представлений об образовании ионов путем переноса электронов и образовании ионных кристаллических соединений. Его взгляды оказались очень ценными для 
понимания и систематизации ионных соединений. В то же время он 
признавал, что большое количество соединений не укладывалось в эти 
понятия. 
1.1.1. Правило октета 
Кессель и Льюис в 1916 году разработали важную теорию химического соединения между атомами, известную как электронная теория химической связи. В соответствии с ней атомы могут объединяться 
либо путем передачи валентных электронов от одного атома к другому 
(приобретая или теряя), либо путем совместного использования 
8 

валентных электронов, чтобы иметь октет в своих валентных оболочках. Это известно как правило октета. 
1.1.2. Ковалентная связь 
Ленгмюр в 1919 году усовершенствовал постулаты Льюиса, отказавшись от идеи стационарного кубического расположения октета 
и введя термин «ковалентная связь». Теорию Льюиса–Ленгмюра можно 
понять, рассмотрев образование молекулы хлора Cl2. Атом Cl с электронной конфигурацией [Ne] 3s23p5 на один электрон меньше конфигурации аргона. Образование молекулы Cl2 можно рассматривать с точки 
зрения совместного использования пары электронов между двумя атомами хлора, где каждый атом хлора вносит один электрон в общую пару 
(рис. 1.1), в результате чего оба атома хлора достигают октета внешней 
оболочки ближайшего благородного газа (то есть аргона). 
Рис. 1.1. Образование молекулы хлора 
Точки представляют электроны. Такие структуры называются 
точечными структурами Льюиса. Структуры точек Льюиса могут быть 
записаны и для других молекул, в которых объединяющиеся атомы могут быть одинаковыми или разными. Важные условия заключаются 
в том, что каждая связь образуется в результате обмена парой электронов между атомами; каждый объединяющийся атом вносит в общую 
пару хотя бы один электрон; объединяющиеся атомы достигают конфигураций благородных газов внешней оболочки в результате совместного 
использования электронов. 
9