Alsatelecom.ru

Стройматериалы
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Кристаллические решетки

Кристаллические решетки

8 КЛАСС

* По учебнику: Габриелян О.С. Химия-8. М.: Дрофа, 2003.

Цели. Обучающие. Дать понятие о кристаллическом и аморфном состоянии твердых веществ; познакомиться с типами кристаллических решеток, их взаимосвязью с видами химической связи и влиянием на физические свойства веществ; дать представление о законе постоянства состава веществ.
Развивающие. Развивать логическое мышление, умения наблюдать и делать выводы.
Воспитательные. Формировать эстетический вкус и коллективизм, расширять кругозор.
Оборудование и реактивы. Модели кристаллических решеток, диафильм «Зависимость свойств веществ от состава и строения», диапозитивы «Химическая связь. Строение вещества»; пластилин, жевательная резинка, смолы, воск, поваренная соль NaCl, графит, сахар, вода.
Форма организации работы. Групповая.
Методы и приемы. Самостоятельная работа, демонстрационный опыт, лабораторная работа.
Эпиграф.

ХОД УРОКА

УЧИТЕЛЬ. Кристаллы встречаются нам повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, создаем приборы и изделия из кристаллов, широко применяем кристаллы в технике и в науке, едим кристаллы, лечимся кристаллами, находим кристаллы в живых организмах, выходим на просторы космических дорог с помощью приборов из кристаллов…
Что же такое кристаллы?
Вообразите на минутку, что ваши глаза стали видеть атомы или молекулы; рост уменьшился, и вы смогли войти внутрь кристалла. Цель нашего урока – понять, что такое кристаллическое и аморфное состояние твердых веществ, познакомиться с типами кристаллических решеток, получить представление о законе постоянства состава веществ.
Какие агрегатные состояния веществ известны? Твердое, жидкое и газообразное. Они взаимосвязаны (схема 1).

Сказка о жадном хлоре

В некотором царстве, химическом государстве, жил-был Хлор. И хотя принадлежал он к старинному роду Галогенов, да и наследство получил немалое (на внешнем энергетическом уровне у него было семь электронов), был он очень жадным и завистливым, а от злости даже стал желто-зеленым. Днем и ночью мучило его желание сделаться похожим на Аргон. Думал он думал и наконец придумал: «У Аргона на внешнем уровне восемь электронов, а у меня только семь. Значит, мне надо заполучить еще один электрон, тогда я тоже буду благородным». На следующий день собрался Хлор в дорогу за заветным электроном, но далеко идти ему не пришлось: возле самого дома встретил он атом, похожий на него как две капли воды.
– Слушай, брат, дай мне свой электрон, – заговорил Хлор.
– Нет уж, лучше ты дай мне электрон, – ответил близнец.
– Ладно, давай тогда объединим наши электроны, чтобы никому не было обидно, – сказал жадный Хлор, надеясь, что потом он заберет электрон себе.
Но не тут-то было: оба атома в равной степени пользовались общими электронами, несмотря на отчаянные усилия жадного Хлора перетянуть их на свою сторону.

УЧИТЕЛЬ. Посмотрите на вещества на ваших столах и распределите их на две группы. Пластилин, жевательная резинка, смола, воск – это аморфные вещества. У них часто нет постоянной температуры плавления, наблюдается текучесть, нет упорядоченного строения (кристаллической решетки). Напротив, соль NaCl, графит и сахар – кристаллические вещества. Для них характерны четкие температуры плавления, правильные геометрические формы, симметрия.
Применение находят и аморфные, и кристаллические вещества. Мы познакомимся с типами кристаллических решеток и их влиянием на физические свойства веществ. Помогут в повторении видов химической связи подготовленные вами творческие задания – сказки.

Сказка про ковалентную полярную связь

В некотором царстве, в некотором государстве с названием «Периодическая система» жил-был маленький электрончик. У него не было друзей. Но однажды к нему в село под названием «Внешний уровень» пришел другой электрончик, точь-в-точь похожий на первого. Они сразу же подружились, ходили всегда вместе и даже не заметили, как оказались спаренными. Эти электроны прозвали ковалентными.

Сказка про ионную связь

В доме периодической системы Менделеева жили два друга – металл Na и неметалл Cl. Каждый жил в своей квартире: Na – в квартире под № 11, а Cl – под № 17.
И вот решили друзья поступить в кружок, а там им сказали: чтобы поступить в этот кружок, надо завершить энергетический уровень. Друзья расстроились и поплелись домой. Дома они думали, как завершить энергетический уровень. И вдруг Сl сказал:
– Давай, ты мне подаришь со своего третьего уровня один электрон.
– То есть как подарю? – спросил Na.
– А так, возьмешь и подаришь. У тебя будет два уровня и все завершенные, а у меня будет три уровня и тоже все завершенные. Тогда нас примут в кружок.
– Ладно, забирай, – сказал Na и отдал свой электрон.
Когда они пришли в кружок, то директор кружка спросил: «Как вам это удалось?» Они все ему рассказали. Директор сказал: «Молодцы, ребята» – и принял их в свой кружок. Натрию директор дал карточку со знаком «+1», а хлору – со знаком «–1». И теперь он принимает в кружок всех желающих – металлы и неметаллы. А то, что сделали Na и Сl, он назвал ионной связью.

Читайте так же:
Раствор цементный куб вес

УЧИТЕЛЬ. Вы хорошо разобрались в типах химической связи? Эти знания пригодятся при изучении кристаллических решеток. Мир веществ велик и разнообразен. Они обладают самыми разными свойствами. Различают физические и химические свойства веществ. Какие свойства мы отнесем к физическим?
Ответы учеников: агрегатное состояние, цвет, плотность, температуры плавления и кипения, растворимость в воде, электропроводность.

УЧИТЕЛЬ. Опишите физические свойства веществ: O2, H2O, NaCl, графит С.
Ученики заполняют таблицу, которая в результате приобретает следующий вид.

Физические
свойства
Вещества
О2Н2ОNaClC
Агрегатное состояниеГазЖидкостьТвердоеТвердое
Плотность, г/см 31,429 (г/л)1,0002,1652,265
ЦветБесцветныйБесцветныйБелыйЧерный
tпл, °С–218,80,0+801,0
tкип, °С–182,97+100+1465+3700
Растворимость в водеМалорастворимРастворимНерастворим
ЭлектропроводностьНеэлектропроводныйСлабаяПроводникПроводник

УЧИТЕЛЬ. По физическим свойствам веществ можно определить их строение.

Строение атома химическая связь кристаллическая решетка свойства вещества.

УЧИТЕЛЬ. Кристалл – твердое тело, частицы которого (атомы, молекулы, ионы) расположены в определенном, периодически повторяющемся порядке (в узлах). При мысленном соединении узлов линиями образуется пространственный каркас – кристаллическая решетка. Различают четыре типа кристаллических решеток (схема 2, см. с. 24).

Таблица типов кристаллических решёток: йода, алмаза, графита, натрия

Химия — удивительная наука. Столько невероятного можно обнаружить в, казалось бы, обычных вещах.

Всё материальное, что окружают нас повсюду, существует в нескольких агрегатных состояниях: газы, жидкости и твёрдые тела. Учёные выделили ещё и 4-е — плазму. При определённой температуре какое-либо вещество может переходить из одного состояние в другое. Например, вода: при нагревании свыше 100, из жидкой формы, превращается в пар. При температуре ниже 0 переходит в следующее агрегатную структуру — лёд.

Весь материальный мир имеет в своём составе массу одинаковых частиц, которые между собой связаны. Эти мельчайшие элементы строго выстраиваются в пространстве и образуют так называемый пространственный каркас.

Это интересно: анионы и катионы в химии, таблица растворимости.

Определение

Кристаллическая решётка — особая структура твёрдого вещества, при которой частицы стоят в геометрически строгом порядке в пространстве. В ней можно обнаружить узлы — места, где расположены элементы: атомы, ионы и молекулы и межузловое пространство.

Твёрдые вещества, в зависимости от диапазона высоких и низких температур, являются кристаллическими или аморфными — они характеризуются отсутствием определённой температуры плавления. При воздействии повышенных температур они размягчаются и постепенно переходят в жидкую форму. К такого рода веществам относятся: смола, пластилин.

В связи с этим можно поделить на несколько видов:

  • атомную;
  • ионную;
  • молекулярную;
  • металлическую.

Но при различных температурах одно вещество может иметь различные формы и проявлять многообразные свойства. Это явление называется аллотропной модификацией.

Это интересно: металлы и неметаллы в периодической таблице Менделеева.

Атомный тип

В этом типе в узлах расположены атомы того или иного вещества, которые связаны ковалентными связями. Этот вид связи образован парой электронов двух соседних атомов. Благодаря этому они связываются равномерно и в строгом порядке.

Вещества с атомной кристаллической решёткой характеризуются следующими свойствами: прочность и большая температура плавления. Такой тип связи представлен у алмаза, кремния и бора.

Ионный тип

Противоположно заряженные ионы находятся на узлах, которые создают электромагнитное поле, характеризующее физические свойства вещества. К таковым будут относиться: электропроводность, тугоплавкость, плотность и твёрдость. Поваренная соль и нитрат калия характеризуются наличием ионной кристаллической решётки.

Не пропустите: механизм образования металлической связи, конкретные примеры.

Молекулярный тип

В узлах такого типа находятся ионы, связанные между собой ван-дер-ваальсовыми силами. Благодаря слабым межмолекулярным связям такие вещества, например, лёд, двуокись углерода и парафин, характеризуются пластичностью, электро- и теплопроводностью.

Металлический тип

В своём строении напоминает молекулярную, но имеет всё же более прочные связи. Отличие данного типа в том, что на её узлах находятся положительно заряженные катионы. Электроны, которые находятся в межузловом пространстве, участвуют в образовании электрического поля. Они ещё носят название электрического газа.

Простые металлы и сплавы, характеризуются металлическим типом решётки. Для них характерно наличие металлического блеска, пластичность, тепло- и электропроводность. Они могут плавиться при различных температурах.

Читайте так же:
Протокол испытание цементной стяжки

Кристаллическая решетка цементного камня

В кристалле элементарные частицы (ионы, атомы, молекулы), из которых построен кристалл, сближены до соприкосновения и располагаются различно, но закономерно по разным направлениям (рис. 1.3, а). Для упрощения пространственное изображение заменяют схемами (рис. 1.3, б6), отмечая точками центры тяжести частиц.

Если в кристалле провести три направления х, у, z, не лежащих в одной плоскости, то расстояния между частицами, расположенными по этим направлениям, в общем случае неодинаковы и соответственно равны а, Ь, с.

Плоскости, параллельные координатным плоскостям, находящиеся на расстоянии а, Ь, с друг от друга, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой. Последовательное перемещение его

Рис. 1.3. Расположение элементарных частиц в кристалле: а — пространственное изображение; б — схема

ТАБЛИЦА 1.1. Кристаллические системы элементов

образует пространственную кристаллическую решетку. Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки. С этими узлами совпадают центры тяжести элементарных частиц, из которых построен кристалл.

Пространственные кристаллические решетки полностью определяют строение кристалла.

Для описания элементарной ячейки кристаллической решетки используют шесть величин: три отрезка, равные расстояниям до ближайших элементарных частиц по осям координат , и три угла между этими отрезками а, Р, у.

Соотношения между этими величинами определяют форму ячейки. По форме элементарных ячеек все кристаллы подразделяют на семь систем (табл. 1.1).

Размер элементарной ячейки кристаллической решетки оценивают отрезки а, Ь, с. Их называют периодами решетки. Зная периоды решетки, можно определить ионный или атомный радиус элемента. Он равен половине наименьшего расстояния между частицами в решетке.

В большинстве случаев решетки сложны, так как элементарные частицы находятся не только в узлах кристаллической решетки, но и на ее гранях или в центре решетки (рис. 1.4). О степени сложности судят по числу частиц. приходящихся на одну элементарную ячейку. В простой пространственной решетке (рис. 1.4, о) всегда на одну ячейку приходится одна частица. В каждой ячейке имеется восемь вершин, но каждая частица в вершине относится, в свою очередь, к восьми ячейкам; таким образом, от узла на долю каждой ячейки приходится 1/8 объема, а всего узлов в ячейке восемь, следовательно, на ячейку приходится одна элементарная частица.

В сложной пространственной решетке на одну ячейку всегда приходится больше одной частицы. На объемно-центрированную ячейку (рис. 1.4, б) приходится две частицы: одна от вершины и другая центрирующая, которая относится только к данной ячейке. В гранецентрированной ячейке (рис. 1.4, в) имеется четыре частицы: одна от вершнн и три от шести центрированных плоскостей, так как элементарная частица, находящаяся в центре плоскости, относится одновременно к двум ячейкам.

Система, период, число частиц, приходящихся на элементарную ячейку, полностью определяют расположение элементарных частиц в кристалле.

В ряде случаев используют дополнительные характеристики кристаллической решетки, вытекающие из ее геометрии и отражающие плотность упаковки элементарных частиц в кристалле. Такими характеристиками являются координационное число и коэффициент компактности.

Число ближайших равноудаленных элементарных частиц определяет координационное число. Например, в решетке объемно-центрированного куба для каждого атома число таких соседей будет равно восьми Для простой кубической решетки координационное число будет Для гранецентрированной кубической решетки

Рис. 1.4. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток: а — простая; б, в — сложные

Рис. 1.5. Октаэдрические (а) и тетраэдрические (б) поры в металлах с ГЦК решеткой

(ГЦК) координационное число равно 12 (К 12).

Отношение объема всех элементарных частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки определяет коэффициент компактности. Для простой кубической решетки этот коэффициент равен 0,52, для и

Оставшееся пространство образуют поры, которые дифференцируют на октаэдрические и тетраэдрические.

Центры этих пор показаны маленькими точками на решетке ГЦК (рис. 1.5). Радиус октаэдрической поры составляет 0.41 радиуса элементарной частицы, а радиус тетраэдрической поры — лишь 0,22.

Для многих кристаллов характерна плотная упаковка элементарных частиц. Если элементарные частицы изобразить в виде шаров, а для большинства частиц это справедливо, так как они обладают шаровой симметрией. то при упаковке получаются структуры, показанные на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Плотная упаковка атомов в кристаллах

На первый слой шаров, обозначенных А, в лунки 1 накладывается второй слой шаров, обозначенных В. Для следующего слоя шаров возможны два варианта: если шары укладываются над первым слоем, то решетка получается гексагональная (внизу); если третий слой шаров С укладывается на второй слой над лунками 2 и только четвертый слой шаров повторяет первый слой шаров А, то получается гранецентрированная кубическая решетка (вверху).

Читайте так же:
Состав очень крепкого раствора цемента

Шестигранная призма на рис. 1.7 изображает гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку ГПУ. Такое изображение подчеркивает, что решетка гексагональная (шестиугольная). Однако элементарной ячейкой является элемент, выделенный жирными линиями. В нем Исходя из чисто

Рис. 1.7. Элементарные ячейки кристаллических решеток: а, г — — ГПУ; б, д — ГЦК; в, е — ОЦК

геометрических соображений, можно определить отношение периодов если элементарные частицы обладают сферической симметрией. Оно равно 1,633.

На этом же рисунке отмечены частицы, обозначенные на рис. 1.6 буквами А и В. Для гранецентрированной кубической решетки шары А принадлежат первому слою, шары В к С соответственно второму и третьему слоям. Оба эти слоя заштрихованы. Только четвертый слой повторяет первый. Заштрихованные плоскости — это плоскости плотной упаковки.

При отклонении элементарных частиц от сферической симметрии возможно образование гексагональных структур с отношением параметров, отличающихся от значения 1,633, а также структуры объемно-центрированного куба (см. рис. 1.7).

Кристаллографические индексы.

По параллельным направлениям свойства одинаковы, поэтому достаточно указать для всего семейства параллельных прямых одно направление, проходящее через начало координат. Это дает возможность определить направление прямой только одной точкой, так как другой всегда служит начало координат. Такой точкой является узел кристаллической решетки, занимаемый элементарной частицей. Координаты этого узла выражают целыми числами в единицах отрезков , заключают в квадратные скобки и называют индексами направления. Их всегда выражают целыми числами, а отрицательное значение индекса обозначается знаком минус над индексом (рис. 1.8, а).

Положение плоскости в пространстве определяется отрезками, отсекаемыми плоскостью по осям Эти отрезки выражают целыми числами в единицах отрезков а, Ь, с. Принято за индексы плоскостей брать обратные отрезки: Три этих числа , заключенные в круглые скобки, называют индексами плоскости (рис. 1.8, б). Если плоскость отсекает по осям отрицательные отрезки, то это отмечается знаком минус над соответствующим индексом.

Плоскости плотной упаковки (см. рис. 1.7, заштрихованные плоскости) называют плоскостями скольжения, так как по этим плоскостям смещаются атомы при пластической деформации кристалла.

Для кристаллов с ГЦК решеткой плоскостями скольжения будут плоскости семейства (111). Для кристаллов с ГПУ решеткой с отношением плоскостью скольжения будет плоскость базиса шестигранного основания призмы. При отношении плоскостями скольжения будут также и плоскости призмы.

Анизотропия.

Это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов (ионов, молекул) в пространстве.

Свойства кристаллов определяются взаимодействием атомов. В кристалле расстояния между атомами в различных кристаллографических направлениях различны, а поэтому различны и свойства.

Анизотропия присуща всем свойствам кристаллов. Наиболее сильно она проявляется в кристаллах со структурами, обладающими малой симметрией (табл. 1.2).

Из приведенных значений температурных коэффициентов линейного расширения в кристаллах по трем взаимно перпендикулярным осям видно, что анизотропия резко проявляется на структурах моноклинной и ромбической, но

Рис. 1.8. Кристаллографические индексы направлений (а) и плоскостей (б)

практически не заметна на кубических структурах.

Таков же характер влияния симметрии структуры на удельное электрическое сопротивление.

Магнитные свойства анизотропны и на кубических кристаллах. Например, намагниченность ферромагнетиков, имеющих кубическую решетку, различна в разных кристаллографических направлениях. Для направление легкого намагничивания направление [100], для направление [111], для .

Анизотропия свойств кристаллов проявляется при использовании монокристаллов, полученных искусственным путем. В природных условиях кристаллические тела — поликристаллы, т. е. состоят из множества мелких различно ориентированных кристаллов. В этом случае анизотропии нет, так как среднестатистическое расстояние между атомами по всем направлениям оказывается примерно одинаковым. В связи с этим поликристаллические тела считают мнимоизотропными. В процессе обработки давлением поликристалла кристаллографические плоскости одного индекса в различных зернах могут ориентироваться параллельно. Такие поликристаллы называют текстурованными, и они, подобно монокристаллам, анизотропны.

ТАБЛИЦА 1.2. Температурный коэффициент линейного расширения кристаллов

ТАБЛИЦА 1.3. Модуль упругости кристаллов

Значения свойств поликристаллов занимают промежуточные положения в интервалах значений для монокристаллов, как это видно на примере модуля упругости металлов (табл. 1.3).

Прочность и пластичность монокристалла меди изменяются в зависимости от направления Для поликристаллической меди

Кристаллическое строение металлов

Металлы — один из самых распространенных веществ в материальной культуре человека. Тысячелетиями медь, железо, серебро и золото были основным материалом для производства оружия, инструментов, ответственных частей транспорта и механизмов, деталей домашней утвари и украшений. В XIX веке, с освоением технологии получения чугуна, металлы пришли в строительство и станкостроение. XX век был веком металлов.

В нашу жизнь вошли алюминий, титан, бор и многие более редкие металлы. Используя их, человечество шагнуло в небо, космос и глубины океана. Металлы сделали возможным массовое производство домашней бытовой техники. В конце XX века пластмассы и композитные вещества ощутимо потеснили металлы с лидирующих позиций. Основные характеристики металлов — прочность, упругость и пластичность определяются их физико-химическими свойствами и атомным строением.

Читайте так же:
Пробить трубу от цемента

Основные группы металлов в промышленности

Индустрия делит металлы на большие группы:

  • Черные.
  • Цветные легкие.
  • Цветные тяжелые.
  • Благородные.
  • Редкоземельные и щелочные.

Черные металлы

В эту группу входят железо, марганец, хром и их сплавы. Группа также включает в себя стали, чугуны и ферросплавы. Эти вещества обладают хорошей электропроводностью и уникальными магнитными характеристиками.

Черные металлы покрывают до 90% мировой потребности в металлоизделиях.

Легкие цветные металлы

Отличаются низкой плотностью. Группа включает в себя алюминий, титан, магний. Эти реже встречаются, чем железо, и обходятся дороже в добыче руды и в производстве. Они используются там, где малый вес изделия или детали окупает ее большую стоимость – в самолетостроении, производстве электроники, в коммуникационной индустрии.

Легкие цветные металлы

Титан не вызывает отторжения со стороны иммунной системы и применяется в протезировании костной ткани.

Тяжелые цветные металлы

Это элементы с большим удельным весом, такие, как медь, олово, свинец, цинк и никель. Обладают хорошей электропроводностью.

Они широко используются как катализаторы реакций, в изготовлении электроматериалов, в электронике, на транспорте – везде, где требуются достаточно прочные, упругие и коррозионностойкие материалы.

Благородные металлы

В эту группу входят золото, серебро, платина, а также редко встречающееся рутений, родий, палладий, осмий, иридий. Они обладают наибольшим удельным весом, высокой коррозионной устойчивостью и высокой электрической и тепловой проводимостью.

На заре человечества золото, серебро и платина применялись как универсальный платежный инструмент и как средство накопления богатств. С развитием цифровой экономики и переходом платежей в виртуальность важнее стаи их уникальные физические свойства

Редкоземельные и щелочные

К редкоземельным относятся скандий, иттрий, лантан и еще 15 редких элементов. Эти элементы отличаются значительным удельным весом, высокой химической активностью и применяются в высокотехнологичных отраслях.

К щелочным относятся литий, калий, натрий и другие. Все они отличаются малым удельным весом и исключительной химической активностью и при реакции с водой образуют щелочи, широко применяемы в быту и промышленности в составе мыла и других моющих средств.

Классификация металлов по химическому составу

Химические свойства чистых элементов определяются строением атомов реальных металлов и прежде всего их атомным числом, характеризующим их способность реагировать с водородом, кислородом и другими элементами. Химические характеристики реально применяемых металлов могут сильно отличаться от параметров чистого вещества как в лучшую, так и в худшую сторону.

Нежелательные добавки называют примесями, а те, что вносятся преднамеренно для изменения параметров в нужную сторону — легирующими присадками.

Общепризнанной является классификация, основанная на указании главного компонента сплава.

Атомно — кристаллическое строение металлов

Внутреннее строение металлов и их характеристики определяют их физико-химические свойства. Электроны на внешних орбитах атомов слабо связаны с ядром и имеют отрицательный заряд. При наличии разницы потенциалов электроны мигрируют к положительному полюсу, создавая электрический ток. Это физическое явление обуславливает электропроводность.

Кристаллическое строение свойственно металлам и их сплавам в твердом фазовом состоянии. Атомы выстраиваются в определенную объемную структуру, называемую кристаллической решеткой.
Число атомов в вершинах и на гранях этой структуры, а также дистанция между ними определяют такие физические свойства металла, как электро- и теплопроводность, вязкость, текучесть и т.д.
Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

  • Межатомная дистанция одинакова по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
  • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, и его физические параметры меняются в зависимости от направления.

Атомно-кристаллическое строение металлов

В реальном куске металлов, составленному из множества изолированных кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. В среднем свойства такого куска близки к изотропным.
При выстраивании кристаллической решетки некоторые атомы не попадают на свое место, смещаются или теряются. В этом случае говорят о дефектах кристаллического строения металлов. Дефекты структуры отрицательно влияют на свойства изделия, особенно если оно должно быть монокристаллом, как, например, в электронике, лазерной технике и других отраслях высоких технологий.

Физические свойства металлов

Физические свойства определяются внутренним строением металлов.

Главное отличие металлов от других элементов — это их электропроводность и магнитные свойства.

И хотя ученые создали неметаллические материалы, обладающие другим строением, но такими же свойствами, как у металлов и сплавов, они еще слишком дороги для массового применения. Многие химически чистые металлы обладают недостаточной прочностью для практических применений, чтобы исправить ситуацию, в технике и строительстве используют их сплавы.

Читайте так же:
Молоко с цементом против ржавчины

Физические свойства металлов

Добавление тех или иных присадок приводит к росту прочность получаемого вещества в десятки раз по отношению к исходному элементу.

Электронное строение металлов и их особенности

Внутреннее строение реальных металлов определяет их физико-химические параметры.

Кристаллическая решетка металлов

Все металлы в твердом фазовом состоянии имеют кристаллическое строение. Это пространственное образование из многократно повторяющихся первичных структур называют кристаллической решеткой.
схема кристаллической решетки.

Кристаллическое строение металлов

Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

  • Межатомная дистанция равна по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
  • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, его параметры зависят от направления.

В реальном куске металлов, который состоит из множества кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. Усредненные параметры такого куска близки к изотропным.

Типы кристаллических решеток

Дистанцию соседними атомами называют параметром решетки, у разных металлов он составляет 2 — 6 ангстрем. Существуют три основных типа кристаллических решеток:

  • Кубическая: объемно-центрированная — включает в себя девять атомов. Свойственна железу, хрому, молибдену, и ванадию.
  • Кубическая гранецентрированная: включает в себя уже 14 атомов. Присуща меди, золоту, свинцу, алюминию.
  • Гексагональная: атомов уже 17 и размещены они наиболее плотно. Так кристаллизуются магний, цинк кадмий и другие.

Уникальная возможность железа заключается в том, что до 910°С оно имеет кубическую объемно-центрированную структуру, а при нагреве свыше этой температуры переходит к гранецентрированной.

Кристаллическое строение сплавов

Сплав это материал, состоящий из двух и более химических элементов. В его состав могут входить как металлы, так и неметаллы. Например, бронза — это сплав меди и олова, а чугун — сплав железа и углерода. Кроме основных, в состав могут входить и другие вещества, содержащиеся в небольших количествах. Если их добавляют специально и улучшают свойства материала, их называют легирующими присадками, если ухудшают — вредными примесями.
Кристаллическое строение сплавов сложнее, чем металлов.

Оно определяется взаимовлиянием компонентов при образовании кристалла, и принадлежит к трем подвидам:

  • Твердые растворы. Один элемент растворяется в другом. Ведущий элемент строит кристаллическую структуру, а атомы второстепенного элемента размещаются в объеме этой решетки.
  • Химическое соединение. Элементы химически реагируют друг с другом, образуя новое соединение. Из его молекул и составляется кристаллическая решетка.
  • Механическая смесь. Элементы сплава не реагируют друг с другом. Каждый строит свои кристаллические структуры, срастающиеся в независимые кристаллы. Сплав будет представлять собой затвердевшую смесь из множества кристалликов двух разных типов. Такое вещество будет иметь собственную температуру перехода в жидкую фазу.

Физические свойства сплавов могут заметно меняться при изменении процентного соотношения составляющих.

Кристаллизация сплавов

Первичная кристаллизация — это затвердевание расплава с образованием кристаллических решеток. Пространственные атомные и молекулярные структуры, возникающие в ходе такого процесса, оказывают решающее влияние на свойства получаемого сплава.

Сначала в остывающем расплаве возникают центры кристаллизации, вокруг них в ходе процесса и нарастают кристаллы, многократно повторяя структуру центра. В качестве центров кристаллизации могут выступать:

  • Первые образовавшиеся кристаллы в зонах локального охлаждения, чаще всего у стенок литейной формы.
  • Частички неметаллических примесей.
  • Тугоплавкие примеси, уже находящиеся в твердой форме.

Процесс кристаллизации металлов и сплавов

Кристаллы обычно растут в направлении роста градиента температуры. Если рост решеток не встречает физических препятствий, образуются ветвящиеся кристаллические структуры, напоминающие кораллы — дендриты. Если они растут из разных центров и встречаются в расплаве, то препятствуют росту друг друга и искажают свою форму. Такие искаженные кристаллы – это кристаллиты, или зерна. Совокупность отдельных зерен срастается в поликристаллическое тело.
Отдельные кристаллиты достигают размеров от одного до 10 000 микрон и по-разному развернуты в пространстве. На стыках отдельных кристаллитов образуется граничный слой, в котором кристаллические решетки разорваны. Такие слои обладают измененными химическими и физическими свойствами.

Решетки кристаллитов могут обладать разными дефектами структуры:

  • точечные;
  • линейные;
  • поверхностные;

Дефекты кристаллического строения металлов

Дефекты определяются отсутствием атома или группы атомов в вершинах или гранях кристаллической решетки, смещением этих атомов со своих мест или замещением атома или их группы атомами или молекулами примесей.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector