Gustoća pakovanja je udio volumena kristalne rešetke koji zauzimaju atomi.

Najkraća udaljenost između centara dviju kuglica u jediničnoj ćeliji jednaka je dva poluprečnika lopte - 2r. Zapremina lopte je V = 4/3r 3, zapremina loptica uključenih u jediničnu ćeliju je V n = 4/3nr 3, gdje je n višestrukost jedinične ćelije. Ako je zapremina jedinične ćelije V 0, tada je gustina pakovanja jednaka P = (V n /V 0)·100%.

Ako je period rešetke jednak a, tada je V 0 = a 3, rješenje problema se svodi na izražavanje atomskog radijusa u terminima perioda rešetke; za određenu strukturu treba odrediti najkraću međuatomsku udaljenost, npr. , u dijamantu 2r = a /4 (najkraća udaljenost jednaka dva atomska radijusa , je četvrtina prostorne dijagonale kocke).

U tabeli 2.3 prikazani su rezultati proračuna gustoće pakiranja za različite strukture.

Tabela 2.3

Gustoća pakovanja za različite strukture

Tiprešetke

K. h.

Atomski radijusr

Mnoštvo ćelijan

Kubični primitiv

Kako se koordinacijski broj povećava, povećava se i gustina pakiranja.

Ispunjavanje međuprostora u fcc rešetki, što odgovara povećanju multipliciteta jedinične ćelije, dovodi do manje gustog pakiranja.

2.8. Odnos između tipa strukture, koordinacionog broja i električnih svojstava

Najgušća i najgušća pakovanja (P = 68 – 74%) sa c.ch. 8/8 i 12/12 su tipični za metale (bcc, fcc, hcp strukture).

Najmanja gusta pakovanja (P = 34% i slično) sa c.ch. 4/4 (dijamant, sfalerit, vurcit strukture), 4/2 (kuprit), 2/2 (selen) su tipične za poluprovodnike.

Konstrukcije sa srednjim vrijednostima c.n. 6/6 i gustine P 67%, na primjer, tip NaCl, može imati svojstva provodnika (TiO, TiN, VN, TiC, itd.), svojstva poluprovodnika (PbS, PbSe, PbTe) i dielektrična svojstva (NaCl, MgO, CaO, BaO).

Metalne tvari također mogu kristalizirati u strukture s niskim brojem čistoće, na primjer, u grafitu. jednako 4, kao u dijamantu.

Najvažniji poluprovodnici formiraju sljedeće strukture:

dijamant: Si, Ge, α-Sn;

sfalerit: ZnS, HgS, CdTe, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, SiC, ZnSe, HgSe, ZnTe, HgTe;

kuprit: Cu 2 O, Ag 2 O;

fluorit: Mg 2 Si, Mg 2 Ge;

wurtzit: ZnS, ZnO, CdS, CdSe;

natrijum hlorid: PbS, PbSe, PbTe;

Nikl arsenid: VS, VSe, FeS, FeSe.

2.9. Otočne, lančane i slojevite strukture

Pored koordinacionih struktura, u kojima su međuatomske udaljenosti između svih strukturnih jedinica iste (jedna vrsta veze), u ostrvskim, lančanim i slojevitim strukturama (slika 2.15) mogu se razlikovati grupe atoma koje formiraju „otoke“ (molekule ), kontinuirano se proteže u jednom smjeru (lanci), ili beskonačno u dvije (slojevi) ili tri (okviri) dimenzije. Takve strukture su molekularne.

Na sl. Na slici 2.15a prikazane su ostrvske strukture: 1 - linearna, 2 - dvodimenzionalna (kvadrat), 3 - trodimenzionalna (tetraedar). Na sl. Na slici 2.15 b prikazane su lančane strukture: 4 – linearna, 5 – cik-cak, 6 i 7 – jedinice oktaedara i tetraedara.

Sl.2.15. Otočne i lančane strukture

Kontrolna pitanja

    Koja se rešetka naziva jednostavna ili složena?

    Po čemu se polikristal razlikuje od monokristala?

    Šta znači notacija: (hkl), (hkl),< hkl>, ?

    Koje vrijednosti mogu uzeti Millerovi indeksi?

    Zapišite Millerove indekse ravnina okomitih na rubove kocke.

    Zapišite Millerove indekse ravnina okomitih na dijagonale površina kocke.

    Zapišite Millerove indekse ravnina paralelnih stranama kocke.

    Zapišite Millerove indekse pravaca okomitih na površine kocke.

    Koja je razlika između (110), (110),< 110>, ?

    Koji se fenomen naziva polimorfizam?

    Šta je izomorfizam?

    Kako se struktura stakla razlikuje od strukture kristala?

    Koje su strukturne karakteristike amorfnih tijela?

    Koje strukture se klasifikuju kao gusta pakovanja? Kako su atomi raspoređeni u njima?

    Koja je razlika između GPU-a i GCC-a?

    Koji su koordinacijski brojevi u bliskim pakovanjima?

    Gdje se nalaze tetraedarski međuprostori u fcc rešetki?

    Gdje se nalaze oktaedarski međuprostori u fcc rešetki?

    Šta se zove politipizam?

    Koliki je multiplicitet jedinične ćelije?

    Koje su razlike između različitih tipova kubnih struktura?

    Nacrtajte jedinične ćelije od bakra, silicijuma, NaCl, CsCl, sfalerita.

    Objasni raspored atoma u vurcitnoj rešetki.

    Na osnovu čega se gustog pakovanja konstruiše wurtzit rešetka?

    Na osnovu kakvog gustog pakovanja je konstruisana sfaleritna rešetka?

    Koliko atoma ima u jediničnoj ćeliji vurcita?

    Kako se izračunava gustina pakovanja kristalnih struktura?

    Koje kristalne rešetke imaju najveću gustinu pakiranja?

    Koje kristalne rešetke imaju minimalnu gustinu pakiranja?

    Kako je gustina pakiranja povezana s koordinacijskim brojem?

    Mogu li se lančane strukture klasificirati kao strukture koordinacije? Zašto?

    Koja je razlika između poretka dugog i kratkog dometa u čvrstim tijelima?

Svi metali u čvrstom stanju imaju kristalnu strukturu. Atomi u čvrstom metalu su raspoređeni po redu i formiraju kristalne rešetke (slika 1).

Rice. 1. Šeme kristalnih rešetki: a – kubno centrirana; b – lice centar; c – heksagonalno zbijeno

Kristalna ćelija predstavlja najmanji volumen kristala koji daje potpunu sliku atomske strukture metala, a naziva se jedinična ćelija.

Metale karakteriziraju tri tipa kristalnih rešetki: kubna s tijelom (bcc), u kojoj se atomi nalaze na vrhovima jedinične ćelije i jedan u njenom centru; kubni centar sa licem (fcc), u kojem se atomi nalaze na vrhovima jedinične ćelije i u centrima njenih površina; heksagonalno zbijeno zbijeno (hcp), što je heksagonalna prizma u kojoj su atomi raspoređeni u tri sloja.

Svojstva materijala ovise o vrsti kristalne rešetke i parametrima koji je karakteriziraju:

1) međuatomska udaljenost, mjereno u angstromima 1A°=10 -8 cm

2) gustina pakovanja ( rešetkasta osnova– broj čestica po jediničnoj ćeliji). Kubična jednostavna - B1, bcc - B2, fcc - B4, hcp - B6.

3) koordinacijski broj(CN) – maksimalni broj atoma koji su jednako udaljeni i locirani na najbližoj udaljenosti od atoma koji se uzima kao referentna tačka. Cubic simple – CN=6, BCC – CN=8, FCC – CN=12, GPU – CN=12.

Svojstva materijala određena u pravcu prednje ravni i dijagonalne ravni su različita - ova pojava se naziva anizotropija, tj. neujednačena svojstva u različitim smjerovima. Svi metalni materijali imaju ovo svojstvo. Amorfna tijela imaju svojstvo izotropija, tj. imaju ista svojstva u svim smjerovima.

Kristalne rešetke mogu imati različite strukturne nesavršenosti koje značajno mijenjaju svojstva materijala. Pravi monokristal uvijek ima slobodnu (vanjsku) površinu, na kojoj je rešetka izobličena zbog površinske napetosti.

Defekti unutarnje strukture dijele se na tačkaste, linearne i planarne.

Tačkasti defekti uključuju slobodna mjesta (kada pojedina mjesta kristalne rešetke nisu zauzeta atomima); dislocirani atomi (ako se pojedinačni atomi nađu u međuprostorima) ili atomi nečistoće čiji je broj čak i u čistim metalima vrlo velik. U blizini takvih defekata, rešetka će biti elastično izobličena na udaljenosti od jednog ili dva perioda (slika 2, a).

Rice. 2. Defekti kristalne rešetke: tačka; b - linearna; u - planar

Linearni defekti su mali u dvije dimenzije i prilično veliki u trećoj. Takvi defekti uključuju pomicanje atomskih ravnina ili dislokacija i lance slobodnih mjesta (slika 2b). Najvažnija svojstva takvih defekata su njihova mobilnost unutar kristala i aktivna interakcija međusobno i sa drugim defektima.

Promjena kristalne rešetke materijala moguća je pod utjecajem vanjskih faktora, odnosno temperature i pritiska. Neki metali u čvrstom stanju dobivaju različite kristalne rešetke na različitim temperaturnim rasponima, što uvijek dovodi do promjene njihovih fizičko-hemijskih svojstava.

Naziva se postojanje istog metala u nekoliko kristalnih oblika polimorfizam. Temperatura na kojoj dolazi do promjene kristalne rešetke naziva se temperatura polimorfne transformacije. Svi procesi termičke obrade temelje se na ovom fenomenu. Polimorfne modifikacije se označavaju grčkim slovima (a, b, g i druga, koja se dodaju simbolu elementa kao indeks).

Većina čvrstih materija ima kristalna struktura, u kojem su čestice od kojih je „sagrađena“ u određenom redoslijedu, stvarajući tako kristalna rešetka. Građena je od ponavljajućih identičnih strukturnih jedinica - jedinične ćelije, koji komunicira sa susjednim ćelijama, formirajući dodatne čvorove. Kao rezultat, postoji 14 različitih kristalnih rešetki.

Vrste kristalnih rešetki.

Ovisno o česticama koje stoje na čvorovima rešetke, razlikuju se:

  • metalna kristalna rešetka;
  • ionska kristalna rešetka;
  • molekularna kristalna rešetka;
  • makromolekularna (atomska) kristalna rešetka.

Metalna veza u kristalnim rešetkama.

Jonski kristali imaju povećanu krhkost, jer pomak u kristalnoj rešetki (čak i neznatan) dovodi do činjenice da se slično nabijeni ioni počinju međusobno odbijati, a veze pucaju, pucaju i cijepaju se.

Molekularno vezivanje kristalnih rešetki.

Glavna karakteristika intermolekularne veze je njena "slabost" (van der Waals, vodonik).

Ovo je struktura leda. Svaki molekul vode povezan je vodoničnim vezama sa 4 molekula koji ga okružuju, što rezultira tetraedarskom strukturom.

Vodikova veza objašnjava visoku tačku ključanja, tačku topljenja i nisku gustinu;

Makromolekularna veza kristalnih rešetki.

Na čvorovima kristalne rešetke nalaze se atomi. Ovi kristali se dijele na 3 vrste:

  • okvir;
  • lanac;
  • slojevitih struktura.

Struktura okvira dijamant je jedna od najtvrđih supstanci u prirodi. Atom ugljika formira 4 identične kovalentne veze, što ukazuje na oblik pravilnog tetraedra ( sp 3 - hibridizacija). Svaki atom ima usamljeni par elektrona, koji se takođe može povezati sa susjednim atomima. Kao rezultat toga, formira se trodimenzionalna rešetka u čijim se čvorovima nalaze samo atomi ugljika.

Za uništavanje takve strukture potrebno je mnogo energije; tačka topljenja takvih jedinjenja je visoka (za dijamant je 3500°C).

Slojevite strukture govore o prisutnosti kovalentnih veza unutar svakog sloja i slabih van der Waalsovih veza između slojeva.

Pogledajmo primjer: grafit. Svaki atom ugljika je unutra sp 2 - hibridizacija. Četvrti nespareni elektron formira van der Waalsovu vezu između slojeva. Stoga je 4. sloj vrlo mobilan:

Veze su slabe, pa se lako raskidaju, što se može uočiti u olovci - “svojstvo pisanja” – 4. sloj ostaje na papiru.

Grafit je odličan provodnik električne struje (elektroni se mogu kretati duž ravnine sloja).

Lančane strukture imaju okside (npr. SO 3 ), koji se kristalizira u obliku sjajnih iglica, polimera, nekih amorfnih tvari, silikata (azbest).

Proučavanje metala u skladu sa Mendeljejevljevim periodičnim sistemom elemenata pokazuje da, sa izuzetkom Mn i Hg, elementi podgrupe A, uključujući prelazne metale i većinu retkozemnih elemenata, kao i metale podgrupa IB i IIB i neke elemente grupe IIIB, uključujući Al, čine jednu od sljedećih tipičnih metalnih konstrukcija:

A 1 - kubična rešetka sa središtem lica (FCC)

Kubična rešetka sa licem Imaju ga sledeći metali: g - Fe, Al, Cu, Ni, a - Co, Pb, Ag, Au, Pt itd.

U rešetki sa kubičnim licem, atomi se nalaze na vrhovima jedinične ćelije iu centrima njenih površina (slika 1.5).

Svaki atom u ovoj rešetki okružen je sa 12 najbližih susjeda, smještenih na jednakim udaljenostima jednakim = 0,707×a, Gdje A- ivica jedinične ćelije. Broj najbližih susjeda jednak 12 naziva se koordinacijskim brojem kristalne rešetke. Pored ovih najbližih atoma, u kristalnoj rešetki se nalazi 6 atoma, koji se nalaze na znatno većim udaljenostima, jednakim A.

Kristalna rešetka koja se razmatra ima dvije vrste šupljina (međuprostori u kojima se mogu smjestiti manji atomi drugih elemenata u legurama) koji formiraju međuprostorne čvrste otopine.

Najveći međuprostori ili praznine nalaze se u središtu kocke i na sredini njenih rubova. Svaka od ovih praznina je okružena sa šest atoma fcc rešetke, koji zauzimaju mjesta na vrhovima pravilnog oktaedra. U tom smislu, nazivaju se oktaedarske šupljine (slika 1.5, b). Ove pozicije različitih elemenata u kubičnoj rešetki sa centriranjem lica zauzimaju atomi Na i Cl u NaCl rešetki. Iste pozicije zauzima ugljenik u g - Fe rešetki.

Pored ovih praznina, fcc rešetka ima manje šupljine, koje se nazivaju tetraedarske, zbog činjenice da su okružene sa 4 atoma. Ukupno postoji 8 tetraedarskih praznina u fcc rešetki (slika 1.5, V).

Veličina tetraedarskih i oktaedarskih šupljina može se osjetiti ako pretpostavimo da je rešetka izgrađena od krutih sfera polumjera r u dodiru jedna s drugom; u ovom slučaju, sfere poluprečnika 0,41 r i 0,225 r, za oktaedarske i tetraedarske šupljine, mogle bi se postaviti u postojeće praznine.

Najgušće zbijene ravni u strukturi licecentrirane kocke su ravnine prikazane na slici. Njihov simbol je (111) (Slika 1.5., G).


Kubična rešetka centrirana na tijelo A 2 (bcc) metali imaju a - Fe, hrom, volfram, molibden, vanadijum, natrijum, litijum i drugi. Struktura A 2 je manje gusto zbijena.

Atomi u bcc rešetki nalaze se na vrhovima iu centru jedinične ćelije (slika 1.6).

Svaki atom u ovoj ćeliji ima 8 najbližih susjeda smještenih na udaljenosti od A- dužina ivice kocke. Stoga je koordinacijski broj rešetke 8. Ponekad se označava (8 + 6), jer sljedeći najudaljeniji atomi nalaze se na udaljenosti a, njihov broj je 6.

Također postoje 2 vrste praznina u bcc strukturi. Veliki zauzimaju pozicije na stranama kocke (slika 1.6, V). Okruženi su sa 4 atoma smještena na vrhovima tetraedra, čiji su rubovi jednaki u parovima. Manje praznine, okružene sa 6 atoma koji zauzimaju mjesta na vrhovima nepravilnog oktaedra, nalaze se na sredini rubova i lica ćelije (slika 1.6, G). Ako se struktura bcc rešetke gradi od tvrdih kuglica, tada se sfere poluprečnika 0,292 r mogu postaviti u tetraedarske šupljine, a sfere poluprečnika 0,292 r mogu se postaviti u oktaedarske šupljine, a 0,154 r u oktaedarske šupljine.

Tako se ispostavlja da je maksimalna veličina sfere koja se može postaviti u praznine gušće zbijene fcc rešetke veća nego u bcc rešetki.

Uvođenje drugih atoma u oktaedarske pore bcc rešetke uzrokuje pomicanje dva atoma u smjeru paralelnom rubu kocke, što uzrokuje širenje rešetke u tom smjeru. U strukturi martenzita, gdje su atomi ugljika ugrađeni u oktaedarske šupljine smještene samo na rubovima paralelnim sa C osi i u centrima lica okomitih na ovu os, to dovodi do tetragonalnog izobličenja a - Fe rešetke.

Najviše zbijene bcc ravni su 12 aviona iz (110) familije (slika 1.6.). b). U ovim ravnima postoje 2 smjera u kojima se krute lopte mogu dodirivati.

Heksagonalna zbijena rešetka A 3 (hcp) posjeduju metali kao što su Zn, b - Co, Cd, Mg, a - Ti, a - Zr.

Heksagonalno sito je izgrađeno od odvojenih slojeva, i to na način da je svaki atom bilo kojeg sloja okružen sa 6 susjeda koji se nalaze na jednakim udaljenostima koji pripadaju istom sloju, a osim toga ima tri najbliža susjeda u slojevima koji se nalaze iznad i ispod ovog sloja (slika 1.7).

Udaljenost između atoma u heksagonalnim slojevima je označena sa A, visina ćelije kroz c. Šest najbližih susjeda smještenih u susjednim slojevima također će biti na udaljenosti od datog atoma ako je aksijalni omjer s/aće biti, onda se takva struktura naziva idealno zbijeno zbijeno. Štaviše, koordinacijski broj u ovom slučaju, kao i u fcc rešetki, jednak je 12.

Većina metala sa heksagonalnom zbijenom rešetkom ima aksijalni omjer s/a= 1,56 - 1,63. Izuzeci su Zn i Cd (1,86; 1,89). To je zbog činjenice da elektronski oblaci atoma Zn i Cd nemaju sfernu simetriju i da su izduženi duž ose C. U heksagonalnoj zbijenoj rešetki, kao iu fcc rešetki, postoje 2 vrste praznina : oktaedarski i tetraedarski (slika 1.7, b).

Prečnici tvrdih sfera koji se mogu postaviti u ove šupljine, kao i za fcc, su 0,41 r i 0,225 r.

Pogledajte samo konstrukciju blisko zbijenih ravni fcc rešetke (111) (slika 1.8, A) pronaći potpunu analogiju u konstrukciji atoma u ove dvije rešetke. Razlika između ovih rešetki je izmjena slojeva. Ako u heksagonalnoj rešetki postoji izmjena slojeva ABAB, itd., onda u fcc rešetki: ABCABS (slika 1.8, b), tj. u ovom slučaju se koristi treća moguća pozicija usko zbijenog sloja.

Razlika u omjeru energije između ove dvije rešetke je beznačajna i, s tim u vezi, redoslijed izmjenjivanja slojeva se lako može poremetiti tokom plastične deformacije, kao i kao rezultat pojave defekata u kristalu tokom njegovog rasta, takozvane greške slaganja.

Dakle, očigledna razlika u konstrukciji hcp i fcc rešetki uopće nije velika (slika 1.8).

Ugljik u obliku dijamanta, silicijuma, germanijuma, a-kalaja (siva) imaju dvostruku kubiku dijamantska rešetka(Slika 1.9). Razlikuje se od fcc rešetke po prisutnosti dodatnih četiri atoma u četiri od osam tetraedarskih šupljina. Kao rezultat toga, struktura se ispostavlja labavijom.

Svaki atom dijamanta okružen je sa samo četiri najbliža susjeda, smještena na uglovima pravilnog tetraedra. Koordinacioni broj ove strukture je 4.

Kao što je gore prikazano, isti metali na različitim temperaturama mogu imati različite kristalne strukture, što je uzrokovano njihovom alotropijom.

Alotropska (polimorfna) transformacija je promjena u prostornoj rešetki kristalnog tijela.

Primjeri alotropskih transformacija uključuju transformaciju niskotemperaturnog alotropskog oblika a - Fe s kubičnom rešetkom usredsređenom na tijelo u visokotemperaturni oblik g - Fe s kubičnom rešetkom usmjerenom na lice, na temperaturi od 910 ° C i naknadna transformacija na temperaturi od 1392 °C g - Fe u d - Fe sa kubičnom rešetkom centriranom na tijelo sličnom a - Fe. Slične transformacije se mogu uočiti u titanijumu, cirkonijumu itd. U titanijumu i cirkonijumu, niskotemperaturni alotropni oblik je a - Ti, a - Zr sa heksagonalnom zbijenom rešetkom. Na temperaturama iznad 882 °C za titanijum i 862 °C za cirkonijum nastaju b - Ti i b - Zr, koji imaju telo centriranu rešetku.

Kao što ste vidjeli, alotropska transformacija je kada se atomska struktura kristalne čvrste tvari promijeni kada se zagrije i ohladi. Sam proces preuređenja kristalne rešetke odvija se izotermno na konstantnoj temperaturi; kriva hlađenja legure koja prolazi kroz alotropske transformacije slična je krivulji koja se opaža tokom skrućivanja tekućeg metala. Temperatura prijelaza naziva se kritična tačka transformacije. Na temperaturi (T 0) uočava se fazna ravnoteža dvije alotropne varijante.

Slično procesu kristalizacije, alotropska transformacija se dešava sa apsorpcijom toplote tokom zagrevanja i njenim oslobađanjem tokom hlađenja. Alotropska transformacija (također po analogiji sa procesom kristalizacije) nastaje stvaranjem jezgara i njihovim naknadnim rastom, te se stoga uvijek događa uz prisustvo prehlađenja (prilikom hlađenja) i pregrijavanja pri zagrijavanju.

Alotropska transformacija se dešava, baš kao i proces kristalizacije, u vezi sa željom sistema da smanji slobodnu energiju.

Jedan od najčešćih materijala s kojima su ljudi oduvijek radije radili bio je metal. U svakoj eri prednost je davana različitim vrstama ovih nevjerovatnih supstanci. Dakle, IV-III milenijum pre nove ere smatra se halkolitom, odnosno bakrenim dobom. Kasnije ga zamjenjuje bronza, a onda na snagu stupa ono koje je i danas aktuelno - željezo.

Danas je općenito teško zamisliti da se nekada moglo bez metalnih proizvoda, jer se gotovo sve, od predmeta za kućanstvo, medicinskih instrumenata do teške i lake opreme, sastoji od ovog materijala ili uključuje pojedine dijelove iz njega. Zašto su metali uspjeli steći toliku popularnost? Pokušajmo shvatiti koje su karakteristike i kako je to svojstveno njihovoj strukturi.

Opšti koncept metala

"Hemija. 9. razred" je udžbenik koji koriste školarci. Ovdje se detaljno proučavaju metali. Veliko poglavlje posvećeno je razmatranju njihovih fizičkih i hemijskih svojstava, jer je njihova raznolikost izuzetno velika.

Od ovog uzrasta preporučuje se djeci dati ideju o ovim atomima i njihovim svojstvima, jer tinejdžeri već mogu u potpunosti shvatiti značaj takvog znanja. Oni savršeno dobro vide da je raznolikost predmeta, mašina i drugih stvari oko njih zasnovana na metalnoj prirodi.

Šta je metal? Sa stanovišta hemije, ovi atomi se obično klasifikuju kao oni koji imaju:

  • mali na eksternom nivou;
  • pokazuju snažna regenerativna svojstva;
  • imaju veliki atomski radijus;
  • Kao jednostavne supstance, imaju niz specifičnih fizičkih svojstava.

Osnova znanja o ovim supstancama može se dobiti razmatranjem atomsko-kristalne strukture metala. To je ono što objašnjava sve karakteristike i svojstva ovih spojeva.

U periodnom sistemu najveći dio cjelokupnog sistema je raspoređen na metale, jer oni čine sve sekundarne podgrupe i glavne od prve do treće grupe. Stoga je njihova brojčana superiornost očigledna. Najčešći su:

  • kalcijum;
  • natrijum;
  • titanijum;
  • željezo;
  • magnezijum;
  • aluminijum;
  • kalijum.

Svi metali imaju niz svojstava koja im omogućavaju da se kombinuju u jednu veliku grupu supstanci. Zauzvrat, ova svojstva se objašnjavaju upravo kristalnom strukturom metala.

Svojstva metala

Specifična svojstva dotičnih supstanci uključuju sljedeće.

  1. Metalni sjaj. Imaju ga svi predstavnici jednostavnih supstanci, a većina je ista, a samo nekoliko (zlato, bakar, legure) se razlikuju.
  2. Savitljivost i plastičnost - sposobnost prilično lakog deformiranja i oporavka. Izražava se u različitom stepenu kod različitih predstavnika.
  3. Električna i toplinska provodljivost su jedno od glavnih svojstava koja određuju područja primjene metala i njegovih legura.

Kristalna struktura metala i legura objašnjava razloge za svako od navedenih svojstava i govori o njihovoj težini kod svakog pojedinog predstavnika. Ako poznajete karakteristike takve strukture, onda možete utjecati na svojstva uzorka i prilagoditi ga željenim parametrima, što ljudi rade već desetljećima.

Atomska kristalna struktura metala

Kakva je to struktura, čime se odlikuje? Sam naziv sugeriše da su svi metali kristali u čvrstom stanju, odnosno u normalnim uslovima (osim žive, koja je tečnost). Šta je kristal?

Ovo je konvencionalna grafička slika konstruisana presijecanjem zamišljenih linija kroz atome koji se poređaju po tijelu. Drugim riječima, svaki metal se sastoji od atoma. U njemu se nalaze ne haotično, već vrlo ispravno i dosljedno. Dakle, ako mentalno spojite sve ove čestice u jednu strukturu, dobit ćete prekrasnu sliku u obliku pravilnog geometrijskog tijela nekog oblika.

To je ono što se obično naziva kristalna rešetka metala. Vrlo je složena i prostorno obimna, stoga, radi jednostavnosti, nije prikazana sva, već samo dio, elementarna ćelija. Skup takvih ćelija, sakupljenih zajedno i reflektovanih u i formira kristalne rešetke. Hemija, fizika i metalurgija su nauke koje proučavaju strukturne karakteristike takvih struktura.

Sama po sebi je skup atoma koji se nalaze na određenoj udaljenosti jedan od drugog i koordiniraju strogo fiksni broj drugih čestica oko sebe. Karakterizira ga gustina pakiranja, udaljenost između sastavnih struktura i koordinacijski broj. Općenito, svi ovi parametri su karakteristike cijelog kristala, te stoga odražavaju svojstva koja pokazuje metal.

Postoji nekoliko varijanti.Svi imaju jednu zajedničku osobinu - čvorovi sadrže atome, a unutra se nalazi oblak elektronskog gasa koji nastaje slobodnim kretanjem elektrona unutar kristala.

Vrste kristalnih rešetki

Četrnaest opcija rešetkaste strukture obično se kombiniraju u tri glavna tipa. One su sljedeće:

  1. Tijelo centriran kubik.
  2. Heksagonalno zbijeno.
  3. Lice-centrirana kubika.

Kristalna struktura metala proučavana je tek kada je postalo moguće dobiti slike velikog povećanja. A klasifikaciju tipova rešetki prvi je dao francuski naučnik Bravais, po čijem se imenu ponekad nazivaju.

Rešetka usmjerena na tijelo

Struktura kristalne rešetke metala ovog tipa je sljedeća struktura. Ovo je kocka sa osam atoma u svojim čvorovima. Drugi se nalazi u centru slobodnog unutrašnjeg prostora ćelije, što objašnjava naziv “telesno centriran”.

Ovo je jedna od opcija za najjednostavniju strukturu jedinične ćelije, a time i cijele rešetke u cjelini. Sljedeći metali imaju ovu vrstu:

  • molibden;
  • vanadij;
  • hrom;
  • mangan;
  • alfa gvožđe;
  • beta gvožđe i drugi.

Glavna svojstva ovakvih predstavnika su visoki stupanj savitljivosti i duktilnosti, tvrdoća i čvrstoća.

Rešetka usmjerena na lice

Kristalna struktura metala koji imaju kubičnu rešetku usmjerenu na lice je sljedeća struktura. Ovo je kocka koja uključuje četrnaest atoma. Osam od njih formira čvorove rešetke, a još šest se nalazi, po jedan na svakoj strani.

Imaju sličnu strukturu:

  • aluminijum;
  • nikal;
  • olovo;
  • gama gvožđe;
  • bakar.

Glavna karakteristična svojstva su sjaj različitih boja, lakoća, čvrstoća, savitljivost, povećana otpornost na koroziju.

Heksagonalna rešetka

Kristalna struktura metala sa rešetkama je sljedeća. Jedinična ćelija je zasnovana na heksagonalnoj prizmi. U njegovim čvorovima ima 12 atoma, još dva u bazama, a tri atoma slobodno leže unutar prostora u centru strukture. Ukupno ima sedamnaest atoma.

Metali kao što su:

  • alfa titanijum;
  • magnezijum;
  • alfa kobalt;
  • cink.

Glavna svojstva su visok stepen čvrstoće, jak srebrni sjaj.

Defekti u kristalnoj strukturi metala

Međutim, sve vrste ćelija koje se razmatraju mogu imati i prirodne nedostatke, ili takozvane defekte. To može biti zbog različitih razloga: stranih atoma i nečistoća u metalima, vanjskih utjecaja i tako dalje.

Stoga postoji klasifikacija koja odražava defekte koje kristalne rešetke mogu imati. Hemija kao nauka proučava svaki od njih kako bi se utvrdio uzrok i način eliminacije kako se svojstva materijala ne bi promijenila. Dakle, nedostaci su sljedeći.

  1. Tacka. Dolaze u tri glavne vrste: slobodna mjesta, nečistoće ili dislocirani atomi. Oni dovode do pogoršanja magnetnih svojstava metala, njegove električne i toplotne provodljivosti.
  2. Linearni ili dislokacijski. Postoje ivični i vijčani. Oni pogoršavaju snagu i kvalitetu materijala.
  3. Površinski defekti. Utiče na izgled i strukturu metala.

Trenutno su razvijene metode za uklanjanje nedostataka i dobivanje čistih kristala. Međutim, nije ih moguće potpuno iskorijeniti; idealna kristalna rešetka ne postoji.

Važnost znanja o kristalnoj strukturi metala

Iz navedenog materijala vidljivo je da znanje o finoj strukturi i strukturi omogućava predviđanje svojstava materijala i utjecaj na njih. A nauka o hemiji vam to omogućava. 9. razred opšteobrazovne škole stavlja akcenat u procesu učenja na razvijanje kod učenika jasnog razumevanja značaja osnovnog logičkog lanca: sastav – struktura – svojstva – primena.

Informacije o kristalnoj strukturi metala su vrlo jasno ilustrovane i omogućavaju nastavniku da jasno objasni i pokaže djeci koliko je važno poznavati finu strukturu kako bi pravilno i kompetentno koristili sva svojstva.