Особенности металлической кристаллической решетки

Кристаллической решеткой называют пространственное расположение атомов или ионов в кристалле. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки подразделяют на молекулярные, атомные, ионные и металлические.

Особенности металлической кристаллической решетки

Очень важно не перепутать вид химической связи и кристаллической решетки. Помните, что кристаллические решетки отражают пространственное расположение атомов.

Молекулярная кристаллическая решетка

В узлах молекулярной решетки расположены молекулы. При обычных условиях молекулярную решетку имеют большинство газов и жидкостей. Связи чаще всего ковалентные полярные или неполярные.

Классическим примером вещества с молекулярной решеткой является вода, так что ассоциируйте свойства этих веществ с водой. Вещества с молекулярной решеткой непрочные, имеют небольшую твердость, летучие, легкоплавкие, способны к возгонке, для них характерны небольшие температуры кипения.

Примеры: NH3, H2O, Cl2, CO2, N2, Br2, H2, I2. Особо хочется отметить белый фосфор, ромбическую, пластическую и моноклинную серу, фуллерен. Эти аллотропные модификации мы подробно изучили в статье, посвященной классификации веществ.

Особенности металлической кристаллической решетки

Ионная кристаллическая решетка

В узлах ионной решетки находятся атомы, связанные ионной связью. Этот тип решетки характерен для веществ, обладающих ионной связь: соли, оксиды и гидроксиды металлов.

Ассоциируйте этот ряд веществ с поваренной солью — NaCl. Веществе с ионной решеткой имеют высокие температуры плавления и кипения, легко растворимы в воде, хрупкие, твердые, их растворы и расплавы проводят электрический ток.

Примеры: NaCl, MgCl2, NH4Br, KNO3, Li2O, Na3PO4.

Особенности металлической кристаллической решетки

Металлическая кристаллическая решетка

В узлах металлической решетки находятся атомы металла. Этот тип решетки характерен для веществ, образованных металлической связью.

Ассоциируйте свойства этих веществ с медью. Они обладают характерным металлическим блеском, ковкие и пластичные, хорошо проводят электрический ток и тепло, имеют высокие температуры плавления и кипения.

Примеры: Cu, Fe, Zn, Al, Cr, Mn.

Особенности металлической кристаллической решетки

Атомная кристаллическая решетка

В узлах атомной решетки находятся атомы, связанные ковалентной полярной или неполярной связью.

Ассоциируйте эти вещества с песком. Они очень твердые, очень тугоплавкие (высокая температура плавления), нелетучие, прочные, нерастворимы в воде.

Примеры: SiO2, B, Ge, SiC, Al2O3. Особенно хочется выделить: алмаз и графит (C), красный и черный фосфор (P).

Особенности металлической кристаллической решетки

Лекция "Особенности атомно-кристаллического строения металлов"по дисциплине "Основы материаловедения"

  •  Материаловедение.
  • Лекция 1
  • Особенности атомно-кристаллического строения металлов.
  1. Металлы, особенности атомно-кристаллического строения

  2. Понятие об изотропии и анизотропии

  3. Аллотропия или полиморфные превращения.

  4. Магнитные превращения

Материаловедение — это наука о взаимосвязи электронного строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.

Создание научных основ металловедения по праву принадлежит. Чернову Д.К., который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях.

В своих работах по кристаллизации стали, и строению слитка Чернов изложил основные положения теории литья, не утратившие своего научного и практического значения в настоящее время.

Великий русский металлург Аносов П.П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей. Разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали, непосредственно зависит от ее внутренней структуры.

В 1873-1876 г.г Гиббс изложил основные законы фазового равновесия и, в частности, правило фаз, основываясь на законах термодинамики.

Для решения практических задач знание фазового равновесия в той или иной системе необходимо, но не достаточно для определения состава и относительного количества фаз.

Обязательно знать структуру сплавов, то есть атомное строение фаз, составляющих сплав, а также распределение, размер и форму кристаллов каждой фазы.

Определение атомного строения фаз стало возможным после открытия Лауэ (1912 г), показавшего, что атомы в кристалле регулярно заполняют пространство, образуя пространственную дифракционную решетку, и что рентгеновские лучи имеют волновую природу. Дифракция рентгеновских лучей на такой решетке дает возможность исследовать строение кристаллов.

В последнее время для структурного анализа, кроме рентгеновских лучей, используют электроны и нейтроны. Соответствующие методы исследования называются электронографией и нейтронографией. Электронная оптика позволила усовершенствовать микроскопию. В настоящее время на электронных микроскопах полезное максимальное увеличение доведено до 100000 раз.

В пятидесятых годах, когда началось исследование природы свойств металлических материалов, было показано, что большинство наиболее важных свойств, в том числе сопротивление пластической деформации и разрушению в различных условиях нагружения, зависит от особенностей тонкого кристаллическо строения.

Этот вывод способствовал привлечению физических теорий о строении реальных металлов для объяснения многих непонятных явлений и для конструирования сплавов с заданными механическими свойствами.

Благодаря теории дислокаций, удалось получить достоверные сведения об изменениях в металлах при их пластической деформации.

Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики.

Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты, с которыми преимущественно работают.

Генеральной задачей материаловедения является создание материалов с заранее расчитаными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы.

Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).

До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин.

Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия.

Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.

По данным института имени Байкова А.Н. в нашей стране есть все условия чтобы в течении 10…15 лет машиностроение могло перейти на выпуск алюминиево-титановой подвижной техники, которая отличается легкостью, коррозионной стойкостью и большим безремонтным ресурсом.

  1. Важное значение имеет устранение отставания нашей страны в области использования новых материалов взамен традиционных (металлических) – пластмасс, керамики, материалов порошковой металлургии, особенно композиционных материалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты энергии на производство материалов, уменьшает массу изделий.
  2. Расчетами установлено, что замена ряда металлических деталей легкового автомобиля на углепластики из эпоксидной смолы, армированной углеродными волокнами, позволит уменьшить массу машины на 40%; она станет более прочной; уменьшится расход топлива, резко возрастет стойкость против коррозии.
  3. Металлы, особенности атомно-кристаллического строения
  4. В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.
  5. 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.
  6. Причина этого — в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.
  7. Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определ¨нным набором свойств:
  • «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
  • пластичность;
  • высокая теплопроводность;
  • высокая электропроводность.
Читайте также:  Как разобрать утюг бош sensixx b4

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 объ¨му металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

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

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определ¨нным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая реш¨тка.

  • Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.
  • Элементарная ячейка – элемент объ¨ма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.
  • Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

размеры р¨бер элементарной ячейки. a, b, c – периоды реш¨тки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определ¨нными.

  1.  Особенности металлической кристаллической решеткиуглы между осями ().
  2. координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.
  3. базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.
  4. 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)

Рис.1.1. Схема кристаллической решетки

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;
  •  Особенности металлической кристаллической решеткибазоцентрированный – 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

Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Основными типами кристаллических реш¨ток являются:

  1. Объемно — центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, )

  2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au, )

  3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

    • простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
    • плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

Понятие об изотропии и анизотропии

Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними.

В аморфных телах с хаотическим располохением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны

  1. В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией
  2. Чтобы понять явление анизотропии необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле.
  3. Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью.
  4. Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.

ДлОсобенности металлической кристаллической решеткия обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить индексы Миллера, элементарную ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X,Y, Z – кристаллографические оси). За единицу измерения принимается период решетки.

Рис.1.3. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей (а) и кристаллографических направлений (б)

  • Для определения индексов кристаллографической кристаллографической плоскости необходимо:
  • установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периода решетки;
  • взять обратные значения этих величин;
  • привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел.

Полученные значения простых целых чисел, не имеющие общего множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей на рис. 1.3 а.

  1. Другими словами, индекс по оси показывает на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Плоскости,параллельные оси, имеют по ней индекс 0 (110)
  2. Ориентация прямой определяется координатами двух точек. Для определения индексов кристаллографического направления необходимо:
  3. одну точку направления совместить с началом координат;
  4. установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицах периода решетки
  5. привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целыж чисел.
  6. Индексы кристаллографических направлений указываются в квадратных скобкаж [111]
  7. В кубической решетке индексы направления, перпендикулярного плоскости (hkl) имеют теже индексы [hkl].
  8. Аллотропия или полиморфные превращения.
  9. Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.
  10. Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.
  11. Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).
  12. Fe: – ОЦК — ;
  13. Особенности металлической кристаллической решетки– ГЦК — ;
  14. Особенности металлической кристаллической решетки– ОЦК — ; (высокотемпературное )

Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.

  • Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.
  • Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.
  • Магнитные превращения

Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы.

При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определ¨нной температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – ).

Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками.

Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

Металлическая химическая связь — характеристика, способы образования и свойства

Время на чтение: 11 минут

Металлическая химическая связь характерна для металлов и их сплавов в кристаллическом состоянии. Образуется за счет обобществления валентных электронов. Для этого типа строения вещества не характерно образование направленных структурированных связей. 

Следует отличать различные типы связи элементов кристаллов — металлическую, ионную и водородную, свойственную кристаллам льда.

Механизм создания металлической связи предусматривает отрыв частично свободных электронов от атома с образованием катионов с положительным зарядом, формирующих “остов” кристаллической решетки и электронного облака. При этом металлический кристалл не приобретает положительного или отрицательного заряда.

Особенности металлической кристаллической решетки

  • Общий случай формирования связывания металлических атомов в химии, соответствующий данному выше определению:
  • Me — ne⁻ ⇆ Me,
  • здесь n — число электронов, участвующих в образовании связи, как правило, от 1 до 3.
  • В левой части уравнения — атом металла, отдающий электроны, в правой — образовавшийся в результате ион.
  • Формула показывает, что в кристалле постоянно происходит присоединение и отдача электронов.
  • Схемы формирования связи на примере атомов различной валентности:
  1. K — e⁻ ⇆ K;
  2. Cu — 2e⁻ ⇆ Cu;
  3. Al — 3e⁻ ⇆ Al.
Читайте также:  Как настроить параболическую антенну

Отделяющиеся от атома электроны перемещаются на свободные валентные орбитали, которые обобществляются и позволяют всем электронам перемещаться в пределах кристалла. Отделение электронов выгодно атому с точки зрения энергетического баланса, так как позволяет сформировать электронно-стабильную оболочку.

Характерные кристаллические решетки

Особенности металлической кристаллической решетки

Металлические кристаллы подразделяются на 3 основных типа:

  1. Объемно-центрированную кубическую решетку, в которой, помимо размещения атомов в четырех вершинах куба, один из них размещается в центре объемной фигуры. Такой тип организации твердого вещества характерен для ряда металлов, включая K, Na и Li, вольфрам, хром, ниобий и др.
  2. Гранецентрированная кубическая решетка характеризуется расположением атомов в центре граней. Всего в ячейке задействовано 10 атомов, 4 в вершинах и 6 на гранях. Такая решетка встречается у меди, драгметаллов (серебра и золота) и металлов платиновой группы: Pd, Pt.
  3. Гексагональное строение решетки предполагает размещение атомов в углах и внутри 6-гранной призмы. Ячейка состоит из 15 атомов и свойственна магнию, кальцию, осмию, бериллию и ряду других металлических элементов.

Общими свойствами всех решеток являются высокая симметрия и плотная упаковка составляющих их атомов. Некоторые элементы периодической таблицы формируют уникальную структуру, например, элементарная ячейка In имеет тетрагональное строение.

Для сплавов, являющихся химическими соединениями, также характерно образование кристаллов перечисленных видов, при этом атомы каждого металла занимают определенное место в структуре. 

Например, в сплаве никеля и алюминия атомы Al размещаются по углам, а атом Ni — в центре ОЦК ячейки. Свойства сплава и его структура влияют на класс прочности изделия, изготовленного из этого материала.

Физические характеристики металлических кристаллов обусловлены способностью обобществленных электронов свободно перемещаться внутри кристалла.

Особенности металлической кристаллической решетки

Характеристики, отличающие подобные вещества:

  • хорошая электропроводность, благодаря наличию условно свободного электронного облака;
  • высокая проводимость тепла;
  • низкая реакционная способность или инертность;
  • пластичность — большинство металлов можно гнуть и ковать.

Высокий уровень организации вещества обусловливает металлический блеск. Следует иметь в виду, что повышение прочности при пластической деформации и легировании приводит к образованию частично ковалентной связи. 

  1. При деформации могут возникать области повышенной прочности и низкими пластическими свойствами, похожие на вещества с ковалентной связью (например, алмаз).
  2. Помимо рассматриваемой, металлы могут образовывать другие виды связи, включая простую ионную. 

Особенности металлической кристаллической решетки

Их общие черты:

  • участие металлов, при этом металлическая связь формируется исключительно атомами металла, а ионная образуется между металлическим и неметаллическим элементами;
  • металл высвобождает электроны и становится катионом;
  • соединения могут существовать в кристаллической форме.

Кристаллы с ионным характером соединения отличают следующие параметры:

  1. В узлах размещаются как положительно, так и отрицательно заряженные ионы. Каркас металлической решетки формируют исключительно катионы.
  2. Узлы удерживаются за счет электростатического взаимодействия.
  3. При низких температурах кристаллические вещества, образованные за счет ионного взаимодействия, проявляют свойства диэлектриков (не проводят ток).
  4. Переход электронов с атома металла происходит на орбиты атома неметалла.

Характерный пример кристалла с ионной связью — поваренная соль, решетка которой сформирована из ионов Na⁺ и Cl⁻. Такие кристаллические вещества не обладают пластичностью и блеском.

Кристаллические решетки в химии

  • Определение
  • Виды решеток
  • Ионная решетка
  • Атомная решетка
  • Молекулярная решетка
  • Металлическаярешетка
  • Видео
  • Определение

    Как мы знаем, все материальные вещества могут пребывать в трех базовых состояниях: жидком, твердом, и газообразном. Правда есть еще состояние плазмы, которое ученые считают ни много ни мало четвертым состоянием вещества, но наша статья не о плазме.

    Твердое состояние вещества потому твердое, так как имеет особую кристаллическую структуру, частицы которой находятся в определенном и четко заданном порядке, создавая, таким образом, кристаллическую решетку.

    Строение кристаллической решетки состоит из повторяющихся одинаковых элементарных ячеек: атомов, молекул, ионов, других элементарных частиц, связанных между собой различными узлами.

    Виды решеток

    В зависимости от частиц кристаллической решетки существует четырнадцать типов оной, приведем наиболее популярные из них:

    • Ионная кристаллическая решетка.
    • Атомная кристаллическая решетка.
    • Молекулярная кристаллическая решетка.
    • Металлическая кристаллическая решетка.

    Далее более подробно опишем все типы кристаллической решетки.

    Особенности металлической кристаллической решетки

    Ионная решетка

    Главной особенностью строения кристаллической решетки ионов являются противоположные электрические заряды, собственно, ионов, вследствие чего образуется электромагнитное поле, определяющее свойства веществ, имеющих ионную кристаллическую решетку. А это тугоплавкость, твердость, плотность и возможность проводить электрический ток. Характерным примером ионной кристаллической решетки может быть поваренная соль.

    Атомная решетка

    Вещества с атомной кристаллической решеткой, как правило, имеют в своих узлах, состоящих собственно из атомов сильные ковалентные связи. Ковалентная связь происходит, когда два одинаковых атома делятся друг с другом по-братски электронами, образуя, таким образом, общую пару электронов для соседних атомов.

    Из-за этого ковалентные связи сильно и равномерно связывают атомы в строгом порядке – пожалуй, это самая характерная черта строения атомной кристаллической решетки. Химические элементы с подобными связями могут похвастаться своей твердостью, высокой температурой плавления.

    Атомную кристаллическую решетку имеют такие химические элементы как алмаз, кремний, германий, бор.

    Молекулярная решетка

    Молекулярный тип кристаллической решетки характеризуется наличием устойчивых и плотноупакованных молекул. Они располагаются в узлах кристаллической решетки.

    В этих узлах они удерживаются такими себе вандервальсовыми силами, которые в десять раз слабее сил ионного взаимодействия.

    Ярким примером молекулярной кристаллической решетки является лед – твердое вещество, имеющее однако свойство переходить в жидкое – связи между молекулами кристаллической решетки совсем слабенькие.

    Металлическая решетка

    Тип связи металлической кристаллической решетки гибче и пластичнее ионной, хотя внешне они весьма похожи. Отличительной особенностью ее является наличие положительно заряженных катионов (ионов метала) в узлах решетки.

    Между узлами живут электроны, участвующие в создании электрического поля, эти электроны еще называются электрическим газом.

    Наличие такой структуры металлической кристаллической решетки объясняет ее свойства: механическую прочность, тепло и электропроводность, плавкость.

    Видео

    И в завершение подробное видео пояснения о свойствах кристаллических решеток.

    Особенности металлической кристаллической решетки

    При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

    Эта статья доступна на английском – Crystal Lattice in Chemistry.

    Металлическая связь

    Большинство  металлов имеют общие свойства, которые отличны от свойств других простых или сложных веществ. Это такие свойства как:

    • повышенные температуры плавления,
    • значительные электро- и теплопроводность,
    • способность отражать свет и
    • способность прокатываться в листы
    • характерный металлический блеск. 

    Эти свойства связаны с существованием в металлах металлической связи:

    Металлическая связь — это связь между положительно заряженными ионами и атомами металлов и свободно движущимися по кристаллу электронами.

    Простое вещество — металл существует в виде кристалла, имеющим металлическую кристаллическую решетку, в узлах которой находятся атомы или ионы металлов.

    Валентные атомные орбитали каждого атома металла в кристалле перекрываются сразу с орбиталями нескольких близлежащих соседей, и число этих атомных орбиталей чрезвычайно велико. Поэтому число возникающих молекулярных орбиталей тоже велико.

    Читайте также:  Регистры отопления из профильной трубы своими руками

    Мы уже знаем, что число валентных электронов атомов металлов небольшое, к тому же они достаточно слабо связаны с собственными ядрами и могут легко отрываться. Поэтому электроны заполняют всю зону взаимодействующих орбиталей образуя металлическую связь. Т.о. в кристаллической решетке металла перемещение электронов происходит свободно.

    Особенности металлической кристаллической решеткиметаллическая связь

    Такие особенности, как тепло- и электропроводность металлов связано с существованием свободно движущихся электронов в кристаллической решетке.

    Отличие металлической связи от ковалентной

    • Несмотря на то, что металлическая связь как и ковалентная связь образована посредством обобществления электронов, однако в металлической связи электроны принадлежат всему множеству ионов/атомов металлов, а в ковалентной только двум атомам неметаллов.
    • Важное отличие металлической связи от ковалентной – это то, что здесь не существует направленности связи, т.к. электроны по кристаллу распределены почти равномерно.
    • Прочность металлической связи также отличается: ее энергия в 3-4 раза меньше энергии ковалентной связи.

    Отличие металлической связи от ионной

    В образовании как ионной связи, так и металлической принимают участие ионы — катионы. Однако ионная связь — это связь между катионами и анионами, а в металлической связи анионы отсутствуют, зато имеются электроны, свободно движущиеся между катионами/атомами металлов.

    • Если рассмотреть щелочные металлы, то наиболее активный среди них – цезий, легче всего будет отдавать свои валентные электроны, а труднее всего – рубидий, наименее активный среди щелочных металлов.

    Чем легче атом металла переходит в состояние иона, т.е. отдает электроны, тем менее прочна его решетка, вследствие отталкивания положительно заряженных ионов.

    В связи с этим металл будет обладать пониженной температурой плавления и становится более мягким.

    • Чем больше валентных электронов имеет атом металла, тем более прочна его кристаллическая решетка, и тем выше его температуры кипения и плавления

    Ниже приведена зависимость температуры плавления металлов от их положения в периодической таблице и числа валентных электронов.

    Особенности металлической кристаллической решеткизависимость температуры плавления металлов от  положения в периодической таблице и от числа валентных электронов

    Кристаллическое строение металлов, схема и примеры

    Металлы можно охарактеризовать при помощи нескольких свойств, которые будут общими для всех элементов. К таким характеристикам следует отнести высокую электрическую проводимость и теплопроводность, пластичность, благодаря которой металлы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке или вытягиванию в проволоку, металлический блеск и непрозрачность.

    В зависимости от температуры кипения все металлы подразделяют на тугоплавкие (Tкип> 1000oС) и легкоплавкие (Tкип< 1000oС). Примером тугоплавких металлов может быть – Au, Cu, Ni, W, легкоплавких – Hg, K, Al, Zn.

    Кристаллическое строение металлов

    Кристаллическое строение металлов на практике изучают различными физико-химическими методами, которые условно можно поделить на две группы:

    • методы изучения внутреннего строения металлов;
    • методы изучения внешних форм металлов.

    В первом случае для достижения поставленной цели чаще всего используют рентгеноструктурный анализ, с помощью которого можно установить тип и параметры кристаллических решеток металлов.

    Кристаллические решетки бывают нескольких типов. Для большинства металлов характерны следующие типы кристаллических решеток:

    • объемноцентрированная кубическая (Li, Na, K, V, Cr, Fe, Pb, W и т.д.);
    • гранецентрированная кубическая (Al, Ca, Ni, Cu, Ag, Au и др.);
    • гексагональная (Be, Mg, Cd, Ti, Co, Zn).

    Элементарные ячейки решеток этих типов представлены на рис. 1.

    Особенности металлической кристаллической решетки

    Рис. 1. Виды кристаллических решеток металлов: а) объемноцентрированная кубическая; б) гранецентрированная кубическая; в) гексагональная.

    Размеры, форму и взаимное расположение кристаллов в металлах изучают металлографическими методами, из которых наиболее полную оценку дает микроскопический анализ шлифа металла.

    Кристаллы металлов чаще всего имеют небольшие размеры, следствием чего является тот факт, что металлы состоят из большого числа кристаллов (поликристаллическая структура). Когда металл кристаллизуется из расплава, то нередко возникает такая ситуация, когда кристаллы мешают друг другу принять кристаллическую форму, и чтобы отличить их от ограненных кристаллов их принято называть зернами.

    Примеры решения задач

    Понравился сайт? Расскажи друзьям!

    1.Металлы. Строение и свойства металлов. Металлическая связь. Типы кристаллических решёток металлов. Полиморфизм и анизотропия

    • Металлы
      – один из классов конструкционных
      материалов, характеризующийся определённым
      набором свойств:
    • «металлический
      блеск» (хорошая отражательная способность);
    • пластичность;
    • высокая
      теплопроводность;
    • высокая
      электропроводность.

    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 объёму металла,
    т.е. принадлежать целой совокупности
    атомов.

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

    Все
    металлы, затвердевающие в нормальных
    условиях, представляют собой кристаллические
    вещества, то есть укладка атомов в них
    характеризуется определённым порядком
    – периодичностью, как по различным
    направлениям, так и по различным
    плоскостям. Этот порядок определяется
    понятием кристаллическая
    решётка.

    Рис.
    1.1.-Схема кристаллической решетки

    Основными
    типами кристаллических решёток являются:

    1. Объемно — центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti)

    2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au,)

    3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:

    1. простая
      – атомы располагаются в вершинах ячейки
      и по центру 2 оснований (углерод в виде
      графита);
    2. плотноупакованная
      (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома
      в средней плоскости (цинк).
    3. Металлическая
      связь — химическая связь, которая
      обусловлена взаимодействием положительных
      ионов металлов, составляющих кристаллическую
      решётку, с электронным газом из валентных
      электронов.

      Особенностью металлов является анизотропия свойств кристаллов, т. е. различие свойств кристаллов в разных направлениях.

    • В
      кристаллических телах атомы правильно
      располагаются в пространстве, причем
      по разным направлениям расстояния между
      атомами неодинаковы, что предопределяет
      существенные различия в силах
      взаимодействия между ними и, в конечном
      результате, разные свойства. Зависимость
      свойств от направления называется
      анизотропией
    • Чтобы
      понять явление анизотропии необходимо
      выделить кристаллографические плоскости
      и кристаллографические направления в
      кристалле.
    • Плоскость,
      проходящая через узлы кристаллической
      решетки, называется кристаллографической
      плоскостью.
    • Прямая,
      проходящая через узлы кристаллической
      решетки, называется кристаллографическим
      направлением.

    Для
    обозначения кристаллографических
    плоскостей и направлений пользуются
    индексами
    Миллера.

    Чтобы установить индексы Миллера,
    элементарную ячейку вписывают в
    пространственную систему координат
    (оси X,Y, Z – кристаллографические оси).
    За единицу измерения принимается период
    решетки.

    Рис.
    1.2. Основные типы кристаллических
    решеток: а – объемно-центрированная
    кубическая; б– гранецентрированная
    кубическая; в – гексагональная
    плотноупакованная

    Другими
    словами, кристаллическая решетка это
    воображаемая пространственная решетка,
    в узлах которой располагаются частицы,
    образующие твердое тело.

    Элементарная
    ячейка

    – элемент объёма из минимального числа
    атомов, многократным переносом которого
    в пространстве можно построить весь
    кристалл.

    Полиморфизм.
    Способность одного и того же металла
    образовывать несколько разных
    кристаллических структур называется
    полиморфизмом.

    Различные структурные
    модификации одного и того же металла
    называют еще аллотропическими
    модификациями, а такие превращения под
    воздействиями температуры или давления
    называют аллотропическими
    превращениями.

    Полиморфизмом обладают
    железо, кобальт, титан олово, марганец,
    ванадий, стронций, кальций, цирконий и
    др.

    Железо
    имеет объемно-центрированную кубическую
    решетку до температуру 911° С в интервале
    1392 – 1539° С, а от температуры 911° С до
    1392° С имеет гранецентрированную
    кубическую решетку. При температуре
    768° С происходит изменение магнитных
    свойств: ниже 768° С железо магнитно, выше
    768° С немагнитно.

    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector