Строение металлов

Строение металлов

Строение металлов

Химические вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Их состояние зависит от условий, в которых они находятся, и главным образом от температуры и давления, при изменении которых меняются межмолекулярные расстояния и взаимодействия.

В жидком и твердом состоянии молекулы вещества (атомы) находятся значительно ближе друг к другу, чем в газообразном, а следовательно их взаимодействие сильнее. Это обусловливает способность сохранения жидкостями и твердыми веществами объема, в отличие от газов.

Атомы жидкого тела при тепловом движении совершают малые колебания вокруг своих равновесных положений и частые перескоки из одного равновесного положения в другое, что и определяет такое свойство жидкости, как текучесть.

Атомы твердого тела, которому характерна постоянная форма, совершают вокруг своих равновесных положений только малые колебания. Это приводит к правильному расположению атомов — на одинаковых расстояниях в значительном удалении друг от друга. Такое расположение атомов с характерной повторяемостью в пространстве и определяет строение кристаллической решетки (рис. 1).

Рис. 1.  Пример кристаллической решетки с элементарной  кристаллической ячейкой (жирные линии)

В природе существуют и аморфные тела, например воск, битум, янтарь. Их структура не является кристаллической решеткой, но они не являются и жидкостями. Аморфные тела с точки зрения теории термодинамики находятся в неустойчивом состоянии.

Их можно считать сильно загустевшими жидкостями, которые с течением времени должны закристаллизоваться. Аморфные тела при нагревании вначале размягчаются. Они не имеют четко выраженной температуры перехода в жидкое состояние. Твердые тела характеризуются температурой плавления.

Их переход в жидкость происходит скачкообразно.

Рис. 2. Элементарные ячейки: а — объемно центрированная кубическая; б — гранецентрированная кубическая; в — гексагональная плотноупакованная

Порядок расположения атомов в кристаллической решетке для разных металлов не одинаков. Большинство металлов могут иметь высокосимметричные кристаллические решетки трех видов: объемно центрированную кубическую (рис. 2., а); гранецентрированную кубическую (рис. 2., б); гексагональную плотноупакованную (рис. 2., в).

Расстояния между соседними атомами (размеры на рис. 2. а и с) определяют параметры кристаллической решетки. Атомы могут располагаться как в вершинах элементарной ячейки, так и в узлах кристаллической решетки.

В первом случае элементарные ячейки называются простыми, во втором — сложными. Если форма элементарной ячейки определена и известно расположение всех атомов, то имеется полное описание кристалла, т. е.

известна его атомно-кристаллическая структура.

Таким образом, кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку с определенным расположением атомов.

Точечное расположение атомов в кристаллических решетках условно. В действительности же атомы имеют определенный размер и могут соприкасаться друг с другом (см. рис. 2.).

Строение кристаллов

Металл состоит из большого числа мелких кристаллитов (зерен). Кристаллические решетки отдельных зерен ориентированы относительно друг друга случайным образом.

Такое твердое тело называется поликристаллом. Поверхности раздела зерен называются границами.

При очень медленном контролируемом охлаждении расплава металла можно получить монокристалл — единичный кристалл с непрерывной кристаллической решеткой.

Природные монокристаллы и поликристаллы не обладают строгим расположением атомов, о которой говорилось выше. Они содержат те или иные дефекты.

Дефекты могут быть точечными, линейными (одномерными), поверхностными (двумерными) и объемными (трехмерными).

К точечным дефектам относятся пустые узлы (вакансии) (рис. 3, а) в кристаллической решетке; межузельные атомы — атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки (рис. 3, б); привесные атомы, которые могут замещать атомы основного металла.

Рис. 3. Дефекты металлов: а и 6 — точечные; в — линейный; г, д — поверхностные

К линейным дефектам относят дислокации — линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное расположение атомных плоскостей, в результате чего возникает сдвиг кристаллической решетки (рис. 3, в).

Поверхностными дефектами считаются субзерна (блоки) (рис. 3, г) и различная ориентация кристаллических решеток (рис. 3, д).

Объемные дефекты характеризуются размерами в трех измерениях. К ним относятся трещины, поры и т. д.

Аллотропические превращения в металлах

Атомы находятся в непрерывном движении около равновесного положения, т. е. происходит колебание, амплитуда которого с повышением температуры увеличивается. Это вызывает расширение кристаллов, а при достижении температуры плавления колебания усиливаются настолько, что кристаллическая решетка разрушается.

Во многих металлах при изменении температуры происходит перегруппировка атомов, кристаллическая решетка одного вида переходит в другой вид. Это называется аллотропией или полиморфизмом.

Различные кристаллические формы одного металла называются аллотропическими или полиморфными модификациями и обозначаются начальными буквами греческого алфавита (α, β, γ, δ и т. д.): α обозначает модификацию, существующую при самой низкой температуре, β — модификацию с более высокой температурой и т. д.

Аллотропическое превращение происходит при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации при охлаждении (или поглощением при нагревании). Аллотропический процесс на кривой нагревания/охлаждения изображается горизонтальной линией.

Температура, при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида в другой, называется критической. На рис. 4  показаны характеристики полиморфного процесса для чистого железа. При нагревании фазовые превращения сопровождаются выделением теплоты.

Железо может существовать в нескольких модификациях. До температуры 910 °С железо имеет объемно центрированную кубическую решетку (α-железо), при температуре 768 °С на кривой нагревания/охлаждения видна ступень, которая вызвана не перестройкой решетки, а потерей железом магнитных свойств. При температуре выше 910 °С — α-железо.

В интервале температур 910—1400 °С железо имеет гранецентрированную кубическую решетку (γ-железо). Высокотемпературная модификация железа, устойчивая при температурах от 1400 до 1539 °С, имеет также объемно-центрированную кубическую решетку, но называется δ-железо.

Подобные  аллотропические   превращения  происходят  и  с другими металлами, но при иных критических температурах.

Рис. 4. Кривые нагревания/охлаждения при полиморфном процессе для чистого железа

Источник: http://industrylib.ru/%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5-%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%BE%D0%B2/

Кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка металлов

Строение металлов

Одним из самых распространенных материалов, с которым всегда предпочитали работать люди, был металл. В каждую эпоху предпочтение отдавалось разным видам этих удивительных веществ. Так, IV-III тысячелетия до нашей эры считаются веком хальколита, или медным. Позже его сменяет бронзовый, а затем в силу вступает тот, что и по сей день является актуальным – железный.

Сегодня вообще сложно представить, что когда-то можно было обходиться без металлических изделий, ведь практически все, начиная от предметов быта, медицинских инструментов и заканчивая тяжелой и легкой техникой, состоит из этого материала или включает в свой состав отдельные части из него. Почему же металлы сумели завоевать такую популярность? В чем проявляются особенности и как это заложено в их строении, попробуем разобраться далее.

Общее понятие о металлах

“Химия. 9 класс” – это учебник, по которому проходят обучение школьники. Именно в нем подробно изучаются металлы. Рассмотрению их физических и химических свойств отведена большая глава, ведь разнообразие их чрезвычайно велико.

Именно с этого возраста рекомендуют давать детям представление о данных атомах и их свойствах, ведь подростки уже вполне могут оценить значение подобных знаний. Они прекрасно видят, что окружающее их разнообразие предметов, машин и прочих вещей имеет в своей основе как раз металлическую природу.

Что же такое металл? С точки зрения химии, к данным атомам принято относить те, что имеют:

  • малое число электронов на внешнем уровне;
  • проявляют сильные восстановительные свойства;
  • имеют большой атомный радиус;
  • как простые вещества обладают рядом специфических физических свойств.

Основу знаний об этих веществах можно получить, если рассмотреть атомно-кристаллическое строение металлов. Именно оно объясняет все особенности и свойства данных соединений.

В периодической системе для металлов отводится большая часть всей таблицы, ведь они образуют все побочные подгруппы и главные с первой по третью группу. Поэтому их численное превосходство очевидно. Самыми распространенными являются:

  • кальций;
  • натрий;
  • титан;
  • железо;
  • магний;
  • алюминий;
  • калий.

Все металлы имеют ряд свойств, которые позволяют объединять их в одну большую группу веществ. В свою очередь, эти свойства объясняет именно кристаллическое строение металлов.

Свойства металлов

К специфическим свойствам рассматриваемых веществ относят следующие.

  1. Металлический блеск. Все представители простых веществ им обладают, причем большинство одинаковым серебристо-белым цветом. Лишь некоторые (золото, медь, сплавы) отличаются.
  2. Ковкость и пластичность – способность деформироваться и восстанавливаться достаточно легко. У разных представителей выражена в неодинаковой мере.
  3. Электропроводность и теплопроводность – одно из основных свойств, которое определяет области применения металла и его сплавов.

Кристаллическое строение металлов и сплавов объясняет причину каждого из обозначенных свойств и говорит о выраженности их у каждого конкретного представителя. Если знать особенности такого строения, то можно влиять на свойства образца и подстраивать его под нужные параметры, что и делают люди уже многие десятилетия.

Атомно-кристаллическое строение металлов

В чем же заключается такое строение, чем характеризуется? Само название говорит о том, что все металлы представляют собой кристаллы в твердом состоянии, то есть при обычных условиях (кроме ртути, которая является жидкостью). А что такое кристалл?

Это условное графическое изображение, построенное путем пересечения воображаемых линий через атомы, которые выстраивают тело. Другими словами, каждый металл состоит из атомов.

Они располагаются в нем не хаотично, а очень правильно и последовательно.

Так вот, если мысленно соединить все эти частицы в одну структуру, то получится красивое изображение в виде правильного геометрического тела какой-либо формы.

Это и принято называть кристаллической решеткой металла. Она очень сложная и пространственно объемная, поэтому для упрощения показывают не всю ее, а лишь часть, элементарную ячейку.

Совокупность таких ячеек, собранная вместе и отраженная в трехмерном пространстве, и образует кристаллические решетки.

Химия, физика и металловедение – это науки, которые занимаются изучением особенностей строения таких структур.

Сама элементарная ячейка – это набор атомов, которые располагаются на определенном расстоянии друг от друга и координируют вокруг себя строго фиксированное число других частиц.

Она характеризуется плотностью упаковки, расстоянием между составными структурами, координационным числом.

В целом все эти параметры являются характеристикой и всего кристалла, а значит, отражают и проявляемые металлом свойства.

Существует несколько разновидностей кристаллических решеток. Объединяет их все одна особенность – в узлах находятся атомы, а внутри располагается облако электронного газа, которое формируется путем свободного передвижения электронов внутри кристалла.

Типы кристаллических решеток

Четырнадцать вариантов строения решетки принято объединять в три основных типа. Они следующие:

  1. Объемно-центрированная кубическая.
  2. Гексагональная плотноупакованная.
  3. Гранецентрированная кубическая.

Кристаллическое строение металлов было изучено только благодаря электронной микроскопии, когда стало возможным получать большие увеличения изображений. А классификацию типов решеток впервые привел французский ученый Браве, по фамилии которого их иногда называют.

Объемно-центрированная решетка

Строение кристаллической решетки металлов данного типа представляет собой следующую структуру. Это куб, в узлах которого находится восемь атомов. Еще один располагается в центре свободного внутреннего пространства ячейки, что и объясняет название “объемно-центрированная”.

Это один из вариантов наиболее простого строения элементарной ячейки, а значит, и всей решетки в целом. Такой тип имеют следующие металлы:

  • молибден;
  • ванадий;
  • хром;
  • марганец;
  • альфа-железо;
  • бетта-железо и другие.

Основные свойства таких представителей – высокая степень ковкости и пластичности, твердость и прочность.

Гранецентрированная решетка

Кристаллическое строение металлов, имеющих гранецентрированную кубическую решетку, представляет собой следующую структуру. Это куб, который включает в свой состав четырнадцать атомов. Восемь из них формируют узлы решетки, а еще шесть расположены по одному на каждой грани.

Подобную структуру имеют:

  • алюминий;
  • никель;
  • свинец;
  • гамма-железо;
  • медь.

Основные отличительные свойства – блеск разного цвета, легкость, прочность, ковкость, повышенная устойчивость к коррозии.

Гексагональная решетка

Кристаллическое строение металлов, обладающих данным типом решетки, следующее. В основе элементарной ячейки лежит шестигранная призма. В ее узлах располагается 12 атомов, еще два по основаниям и три атома свободно лежат внутри пространства в центре структуры. Всего семнадцать атомов.

Подобную сложную конфигурацию имеют такие металлы, как:

  • альфа-титан;
  • магний;
  • альфа-кобальт;
  • цинк.

Основные свойства – высокая степень прочности, сильный серебристый блеск.

Дефекты кристаллического строения металлов

Однако все рассмотренные типы ячеек могут иметь и естественные недостатки, или так называемые дефекты. Это может быть связано с разными причинами: посторонними атомами и примесями в металлах, внешними воздействиями и прочим.

Поэтому существует классификация, отражающая дефекты, которые могут иметь кристаллические решетки. Химия как наука изучает каждый из них с целью выявления причины и способа устранения, чтобы свойства материала не были изменены. Итак, дефекты следующие.

  1. Точечные. Они бывают трех основных видов: вакансии, примеси или дислоцированные атомы. Приводят к ухудшению магнитных свойств металла, электро- и теплопроводности его.
  2. Линейные, или дислокационные. Выделяют краевые и винтовые. Ухудшают прочность и качество материала.
  3. Поверхностные дефекты. Влияют на внешний вид и структуру металлов.

В настоящее время разработаны методики устранения дефектов и получения чистых кристаллов. Однако совсем искоренить их не удается, идеальной кристаллической решетки не существует.

Значение знаний о кристаллическом строении металлов

Из вышеизложенного материала очевидно, что знания о тонкой структуре и строении позволяют спрогнозировать свойства материала и повлиять на них. И это позволяет делать наука химия.

9 класс общеобразовательной школы делает в процессе обучения упор на то, чтобы сформировать у учащихся четкое понятие о важном значении основополагающей логической цепочки: состав – строение – свойства – применение.

Сведения о кристаллическом строении металлов очень четко иллюстрирует эту зависимость и позволяет учителю наглядно объяснить и показать детям, насколько важно знать тонкую структуру, чтобы правильно и грамотно использовать все свойства.

Источник: http://fb.ru/article/196026/kristallicheskoe-stroenie-metallov-kristallicheskaya-reshetka-metallov

Строение металлов. Кристаллическая решетка металлов. | мтомд.инфо

Строение металлов

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике. Причина этого — в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Материаловедение. Металловедение.

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:

  • «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
  • пластичность;
  • высокая теплопроводность;
  • высокая электропроводность.

Строение металлов. Атомно-кристаллическое строение металлов

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов.

Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны.

На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Дефекты кристаллического строения. Точечные дефекты.
Аллотропия. Полиморфные превращения. Магнитные превращения.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Кристаллическая решетка металлов

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка. Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

  • размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов  (в одном направлении выдерживаются строго определенными);
  • углы между осями (α, β, χ);
  • координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке;
  • базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки;
  • плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74).

Схема кристаллической решетки

Рис. 1

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа:

  • примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;
  • базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
  • объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;
  • гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней.
Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть