Вещества. Атомно-кристаллическое строение металлов

Данный курс содержит основные сведения о металлах и неметаллах. Курс включает знания о строении и свойствах металлов и сплавов, современных способах получения и обработки металлов, т.е. получении различных заготовок и деталей машин: литьём, сваркой и др. способами. Металлы представляют собой однокомпонентную систему. Сплавы представляют собой систему, состоящую из двух и более компонентов. Из всех элементов системы Менделеева 82 элемента относятся к металлам, кроме того, некоторые элементы представляют собой промежуточные вещества между металлами и неметаллами. Например, Si, As, Te. Металлы обладают рядом характерных особенностей:

1 Металлический блеск.

2 Непрозрачность.

3 Высокие тепло- и электропроводность.

4 Способность к термоэлектронной эмиссии.

5 Положительный коэффициент электросопротивления и т.п.

Это определяет металлические свойства вещества.

Металлические сплавы обладают теми же свойствами, что и металл. Металлическое состояние обусловлено особенностями атомно-кристаллического строения металлов.

По современным представлениям, атом представляет сложную систему, состоящую из положительно заряженного ядра, вокруг которого на разном расстоянии вращаются отрицательно заряженные электроны. Их количество определяется числом заряда ядра. Электроны на внешней оболочке – валентные. Они наиболее слабо связаны с ядром. У металлов валентных электронов от 1 до 3. Характерна весьма слабая связь валентных электронов металлов с ядром, значительно меньше, чем у неметаллов.

Вследствие слабой связи валентных электронов с ядром электроны могут достаточно легко переходить с внешней оболочки одного атома на внешнюю оболочку другого атома. Такие электроны не принадлежат одному конкретному атому и получили название коллективизированных электронов. Совокупность атомов металла можно представить положительными ионами, которые совершают колебания относительно некоторых устойчивых центров, и перемещающимися между ними коллективизированными электронами. По свойствам эти электроны подобны частицам в газе, поэтому их часто называют электронным газом. Количество коллективизированных электронов у различных металлов различно. Это и определяет различные свойства металлов. Между коллективизированными электронами и ионами металла существуют электростатические силы взаимодействия. Эти силы не носят направленного характера. Это определяет особый тип связи – металлический.

Металл в твёрдом состоянии характеризуется определённой закономерностью расположения атомов (ионов) в пространстве, то есть для металла характерно в твёрдом состоянии кристаллическое строение – наличие пространственной кристаллической решетки, в узлах которой располагаются атомы (ионы). Кристаллическая решетка состоит из ряда параллельных кристаллографических плоскостей, расположенных на определённом расстоянии друг от друга [6, рис.1, а]. Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве образует кристаллическую пространственную решетку, называется элементарной кристаллической ячейкой и определяет тип кристаллической решётки.

Для металлов характерны 3 основных типа решётки:

1 Кубическая объемноцентрированная решётка (О.Ц.К.). Содержит 9 атомов [6, рис.1, б]. Такую решётку имеют: Li, Na, K, Ba, Cr, Mo, W, V, Fe > при температуре выше 1392 ⁰С и ниже 911 ⁰С.

2 Кубическая гранецентрированная решётка (Г.Ц.К.). Содержит 14 атомов [6, рис.1, в]. Такую решётку имеют: Ag, Au, Pt, Cu, Al, , Fe > при температуре 911…1392 ⁰С.

3 Гексагональная плотноупакованная решётка (Г.П.У.). Содержит 17 атомов [6, рис.1, г]. Такую решётку имеют: Mg, Ti, Zn, Y, Be, La.

Размеры элементарных ячеек характеризуются расстояниями между центрами соседних атомов, которые называют параметрами или периодами решеток:

- для О.Ц.К. и Г.Ц.К. решёток это длина ребра а [6, рис. 1, а, б];

- для Г.П.У. это длины рёбер с и а [6, рис. 1, в].

Кристаллическая решётка характеризуется рядом величин:

1 Базис решётки – определяется числом целых атомов, принадлежащих только одной ячейке:

- Для О.Ц.К. решётки базис равен 2, Г.Ц.К. – 4, Г.П.У. – 6.

2 Координационное число – определяется числом атомов, находящихся на равном ближайшем расстоянии от одного атома [6, рис. 2, а].

- Координационное число О.Ц.К. решётки равно 8, Г.Ц.К. – 12, Г.П.У. – 12.

3 Плотность упаковки решётки – это отношение объёма, занятого атомами, к объёму элементарной ячейки:

- для О.Ц.К. решётки плотность упаковки равна 0,68;

- Г.Ц.К. и Г.П.У. – 0,74.

4 Индексы плоскостей [6, рис. 2, б].

Плоскости решётки обозначаются рациональными числами, являющимися обратными от длины отрезков, отсекаемых на осях координат.

5 Индексы направлений в плоскостях [6, рис.2, б] – обозначаются координатами любой точки на прямой, проходящей через начало координат, параллельно данному направлению.

Для кристаллических тел характерно явление анизотропии – неравномерности свойств в различных направлениях. Связано это с различным числом атомов в различных направлениях. Явление анизотропии чётко проявляется в пределах монокристалла, но т.к. металл – поликристаллическое вещество, то для них свойственно состояние квазиизотропности (условной однородности свойств).

Для некоторых металлов характерно также явление аллотропии – явление изменения типа кристаллической решётки в зависимости от внешних условий (температуры и давления), но для металла большее значение имеет температура. Температурные формы кристаллической решётки называются аллотропическими модификациями и обозначаются буквами греческого алфавита: a, b, g, d. Например железа: Fe (жидкое) при t=1539 ⁰С ® Fe_d (твёрд.) (О.Ц.К.) при t=1392 ⁰С ®Fe_g (Г.Ц.К.) при t=911⁰С®Fe_b (О.Ц.К.) при t=768 ⁰С ® Fe_a(О.Ц.К.)