Gęstość pakowania jest ułamkiem objętości sieci krystalicznej zajmowanym przez atomy.

Najkrótsza odległość między środkami dwóch kul w komórce elementarnej jest równa dwóm promieniom kuli - 2r. Objętość kuli wynosi V = 4/3r 3, objętość kul zawartych w komórce elementarnej wynosi V n = 4/3nr 3, gdzie n jest wielokrotnością komórki elementarnej. Jeżeli objętość komórki elementarnej wynosi V 0, wówczas gęstość upakowania jest równa P = (V n /V 0)·100%.

Jeżeli okres sieci jest równy a, to V 0 = a 3, rozwiązanie problemu sprowadza się do wyrażenia promienia atomowego w przeliczeniu na okres sieci; dla konkretnej konstrukcji należy wyznaczyć najkrótszą odległość międzyatomową, np. , w diamencie 2r = a /4 (najkrótsza odległość równa dwóm promieniom atomowym to jedna czwarta przestrzennej przekątnej sześcianu).

W tabeli 2.3 pokazuje wyniki obliczeń gęstości upakowania dla różnych konstrukcji.

Tabela 2.3

Gęstość upakowania dla różnych struktur

Typkraty

K. godz.

Promień atomowyR

Wielość komórekN

Sześcienny prymityw

Wraz ze wzrostem liczby koordynacyjnej wzrasta gęstość upakowania.

Wypełnianie szczelin w siatce fcc, co odpowiada wzrostowi krotności komórek elementarnych, prowadzi do mniej gęstego upakowania.

2.8. Zależność pomiędzy typem konstrukcji, numerem koordynacyjnym i właściwościami elektrycznymi

Najgęstsze i najgęstsze wypełnienia (P = 68 – 74%) z c.ch. Typowe dla metali są 8/8 i 12/12 (struktury bcc, fcc, hcp).

Najmniej gęste pakiety (P = 34% i podobne) o c.ch. Typowe dla półprzewodników są struktury 4/4 (diament, sfaleryt, wurcyt), 4/2 (kupryt), 2/2 (selen).

Struktury o wartościach pośrednich c.n. 6/6 i gęstość P 67%, na przykład typu NaCl, może mieć właściwości przewodnika (TiO, TiN, VN, TiC itp.), właściwości półprzewodnika (PbS, PbSe, PbTe) i właściwości dielektryczne (NaCl, MgO, CaO, BaO).

Substancje metaliczne mogą również krystalizować w struktury o niskim stopniu czystości, na przykład w graficie. równa się 4, jak w przypadku diamentu.

Najważniejsze półprzewodniki tworzą następujące struktury:

diament: Si, Ge, α-Sn;

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

kupryt: Cu 2 O, Ag 2 O;

fluoryt: Mg 2 Si, Mg 2 Ge;

wurcyt: ZnS, ZnO, CdS, CdSe;

chlorek sodu: PbS, PbSe, PbTe;

Arsenek niklu: VS, VSe, FeS, FeSe.

2.9. Struktury wyspowe, łańcuchowe i warstwowe

Oprócz struktur koordynacyjnych, w których odległości międzyatomowe pomiędzy wszystkimi jednostkami strukturalnymi są takie same (jeden rodzaj wiązania), w strukturach wyspowych, łańcuchowych i warstwowych (ryc. 2.15) można wyróżnić grupy atomów tworzących „wyspy” (cząsteczki ), rozciągające się w sposób ciągły w jednym kierunku (łańcuchy) lub nieskończone w dwóch (warstwy) lub trzech (ramki) wymiarach. Struktury takie mają charakter molekularny.

Na ryc. Rysunek 2.15a przedstawia struktury wyspowe: 1 – liniowe, 2 – dwuwymiarowe (kwadrat), 3 – trójwymiarowe (czworościan). Na ryc. Rysunek 2.15 b przedstawia struktury łańcuchowe: 4 – liniowe, 5 – zygzakowate, 6 i 7 – jednostki ośmiościanów i czworościanów.

Ryc.2.15. Struktury wyspowe i łańcuchowe

Pytania kontrolne

    Która sieć nazywa się prostą czy złożoną?

    Czym różni się polikryształ od monokryształu?

    Co oznacza zapis: (hkl), (hkl),< hkl>, ?

    Jakie wartości mogą przyjmować indeksy Millera?

    Zapisz wskaźniki Millera płaszczyzn prostopadłych do krawędzi sześcianu.

    Zapisz wskaźniki Millera płaszczyzn prostopadłych do przekątnych ścian sześcianu.

    Zapisz wskaźniki Millera płaszczyzn równoległych do ścian sześcianu.

    Zapisz wskaźniki Millera kierunków prostopadłych do ścian sześcianu.

    Jaka jest różnica między (110), (110),< 110>, ?

    Jakie zjawisko nazywa się polimorfizmem?

    Co to jest izomorfizm?

    Czym różni się budowa szkieł od struktury kryształów?

    Jakie są cechy strukturalne ciał amorficznych?

    Jakie struktury zaliczamy do gęstych wypełnień? Jak ułożone są w nich atomy?

    Jaka jest różnica między GPU a GCC?

    Jakie są liczby koordynacyjne w zamkniętych opakowaniach?

    Gdzie w siatce fcc znajdują się szczeliny czworościenne?

    Gdzie znajdują się szczeliny oktaedryczne w siatce fcc?

    Co nazywa się politypizmem?

    Jaka jest krotność komórek elementarnych?

    Jakie są różnice między różnymi typami struktur sześciennych?

    Narysuj ogniwa elementarne miedzi, krzemu, NaCl, CsCl i sfalerytu.

    Wyjaśnij rozmieszczenie atomów w siatce wurcytu.

    Na jakiej podstawie gęstego upakowania zbudowana jest siatka wurcytu?

    Z jakiego gęstego upakowania zbudowana jest sieć sfalerytu?

    Ile atomów znajduje się w komórce elementarnej wurcytu?

    Jak oblicza się gęstość upakowania struktur krystalicznych?

    Które sieci krystaliczne mają maksymalną gęstość upakowania?

    Które sieci krystaliczne mają minimalną gęstość upakowania?

    Jak gęstość upakowania jest powiązana z numerem koordynacyjnym?

    Czy struktury łańcuchowe można zaliczyć do struktur koordynacyjnych? Dlaczego?

    Jaka jest różnica między porządkiem dalekiego i krótkiego zasięgu w ciałach stałych?

Wszystkie metale w stanie stałym mają strukturę krystaliczną. Atomy w stałym metalu są uporządkowane i tworzą sieci krystaliczne (ryc. 1).

Ryż. 1. Schematy sieci krystalicznych: a – sześcienna skupiona na ciele; b – twarzocentryczny; c – sześciokątny zwarty

Komórka kryształowa reprezentuje najmniejszą objętość kryształu, która daje pełny obraz struktury atomowej metalu i nazywa się komórką elementarną.

Metale charakteryzują się trzema typami sieci krystalicznych: sześcienną skupioną na ciele (bcc), w której atomy znajdują się na wierzchołkach komórki elementarnej i jeden w jej środku; sześcienny centrowany na twarzy (fcc), w którym atomy znajdują się w wierzchołkach komórki elementarnej i w środkach jej ścian; sześciokątny ciasno upakowany (hcp), czyli sześciokątny pryzmat, w którym atomy są ułożone w trzech warstwach.

Właściwości materiału zależą od rodzaju sieci krystalicznej i charakteryzujących ją parametrów:

1) odległość międzyatomowa, mierzone w angstremach 1A°=10 -8 cm

2) gęstość upakowania ( podstawa kraty– liczba cząstek w komórce elementarnej). Prosty sześcienny - B1, bcc - B2, fcc - B4, hcp - B6.

3) numer koordynacyjny(CN) – maksymalna liczba atomów znajdujących się w jednakowej odległości od atomu przyjętego za punkt odniesienia. Kubiczny prosty – CN=6, BCC – CN=8, FCC – CN=12, GPU – CN=12.

Właściwości materiału określone w kierunku płaszczyzny przedniej i płaszczyzny ukośnej są różne – zjawisko to nazywa się anizotropia, tj. nierówne właściwości w różnych kierunkach. Wszystkie materiały metalowe mają tę właściwość. Ciała amorficzne mają tę właściwość izotropia, tj. mają te same właściwości we wszystkich kierunkach.

Sieci krystaliczne mogą posiadać różne niedoskonałości strukturalne, które znacząco zmieniają właściwości materiału. Prawdziwy monokryształ zawsze ma wolną (zewnętrzną) powierzchnię, na której siatka ulega zniekształceniu pod wpływem napięcia powierzchniowego.

Wady struktury wewnętrznej dzielą się na punktowe, liniowe i planarne.

Do defektów punktowych zalicza się wakaty (kiedy poszczególne miejsca sieci krystalicznej nie są zajęte przez atomy); atomy przemieszczone (jeśli poszczególne atomy znajdą się w szczelinach) lub atomy zanieczyszczeń, których liczba nawet w czystych metalach jest bardzo duża. W pobliżu takich defektów sieć będzie odkształcona elastycznie w odległości jednego lub dwóch okresów (ryc. 2, a).

Ryż. 2. Wady sieci krystalicznej: punkt; b - liniowy; w - płaski

Wady liniowe są małe w dwóch wymiarach i dość duże w trzecim. Do takich defektów zaliczają się przemieszczenia płaszczyzn atomowych lub dyslokacje i łańcuchy wakatów (rys. 2b). Najważniejszymi właściwościami takich defektów jest ich ruchliwość w krysztale oraz aktywne oddziaływanie między sobą i innymi defektami.

Zmiana sieci krystalicznej materiału możliwa jest pod wpływem czynników zewnętrznych, czyli temperatury i ciśnienia. Niektóre metale w stanie stałym uzyskują w różnych zakresach temperatur różne sieci krystaliczne, co zawsze prowadzi do zmiany ich właściwości fizykochemicznych.

Nazywa się występowaniem tego samego metalu w kilku postaciach krystalicznych wielopostaciowość. Temperaturę, w której następuje zmiana w sieci krystalicznej, nazywa się temperaturą przemiany polimorficznej. Wszystkie procesy obróbki cieplnej opierają się na tym zjawisku. Modyfikacje polimorficzne są oznaczone greckimi literami (a, b, g i inne, które są dodawane do symbolu elementu jako indeks).

Większość ciał stałych ma struktura krystaliczna, w którym cząstki, z których jest „zbudowany”, są ułożone w określonej kolejności, tworząc w ten sposób sieci krystalicznej. Zbudowany jest z powtarzających się identycznych jednostek konstrukcyjnych - komórki elementarne, który komunikuje się z sąsiednimi komórkami, tworząc dodatkowe węzły. W rezultacie istnieje 14 różnych sieci krystalicznych.

Rodzaje sieci krystalicznych.

W zależności od cząstek stojących w węzłach sieci wyróżnia się:

  • metalowa sieć krystaliczna;
  • jonowa sieć krystaliczna;
  • molekularna sieć krystaliczna;
  • wielkocząsteczkowa (atomowa) sieć krystaliczna.

Wiązanie metaliczne w sieciach krystalicznych.

Kryształy jonowe mają zwiększoną kruchość, ponieważ przesunięcie w sieci krystalicznej (nawet niewielkie) powoduje, że podobnie naładowane jony zaczynają się odpychać, a wiązania pękają, tworzą się pęknięcia i rozszczepienia.

Wiązania molekularne sieci krystalicznych.

Główną cechą wiązania międzycząsteczkowego jest jego „słabość” (van der Waalsa, wodór).

Taka jest struktura lodu. Każda cząsteczka wody jest połączona wiązaniami wodorowymi z 4 otaczającymi ją cząsteczkami, tworząc strukturę czworościenną.

Wiązanie wodorowe wyjaśnia wysoką temperaturę wrzenia, temperaturę topnienia i niską gęstość;

Makrocząste połączenie sieci krystalicznych.

W węzłach sieci krystalicznej znajdują się atomy. Kryształy te dzielą się na 3 typy:

  • rama;
  • łańcuch;
  • struktury warstwowe.

Struktura ramy diament jest jedną z najtwardszych substancji występujących w przyrodzie. Atom węgla tworzy 4 identyczne wiązania kowalencyjne, co wskazuje na kształt foremnego czworościanu ( sp 3 - hybrydyzacja). Każdy atom ma samotną parę elektronów, które mogą również wiązać się z sąsiednimi atomami. W rezultacie powstaje trójwymiarowa sieć, w której węzłach znajdują się tylko atomy węgla.

Zniszczenie takiej struktury wymaga dużej ilości energii, temperatura topnienia takich związków jest wysoka (dla diamentu wynosi 3500°C).

Struktury warstwowe mówić o obecności wiązań kowalencyjnych w obrębie każdej warstwy i słabych wiązań van der Waalsa pomiędzy warstwami.

Spójrzmy na przykład: grafit. Każdy atom węgla jest w środku sp 2 - hybrydyzacja. Czwarty niesparowany elektron tworzy wiązanie van der Waalsa pomiędzy warstwami. Dlatego czwarta warstwa jest bardzo mobilna:

Wiązania są słabe, więc łatwo je zerwać, co można zaobserwować w ołówku – „właściwość pisarska” – na papierze pozostaje 4. warstwa.

Grafit jest doskonałym przewodnikiem prądu elektrycznego (elektrony potrafią poruszać się po płaszczyźnie warstwy).

Struktury łańcuchowe zawierają tlenki (np. WIĘC 3 ), który krystalizuje w postaci błyszczących igieł, polimerów, niektórych substancji amorficznych, krzemianów (azbestu).

Z badania metali według okresowego układu pierwiastków Mendelejewa wynika, że ​​z wyjątkiem Mn i Hg, pierwiastki podgrupy A, obejmujące metale przejściowe i większość pierwiastków ziem rzadkich, a także metale podgrup IB i IIB oraz niektóre pierwiastki grupy IIIB, w tym Al, tworzą jedną z następujących typowych konstrukcji metalowych:

A 1 - siatka sześcienna centrowana na ścianie (FCC)

Siatka sześcienna skupiona na twarzy Mają go następujące metale: g - Fe, Al, Cu, Ni, a - Co, Pb, Ag, Au, Pt itp.

W sześciennej siatce centrowanej na ścianie atomy znajdują się w wierzchołkach komórki elementarnej i w środkach jej ścian (ryc. 1.5).

Każdy atom w tej sieci jest otoczony przez 12 najbliższych sąsiadów, znajdujących się w równych odległościach równych = 0,707×a, Gdzie A- krawędź komórki elementarnej. Liczba najbliższych sąsiadów równa 12 nazywana jest liczbą koordynacyjną sieci krystalicznej. Oprócz tych najbliższych atomów w sieci krystalicznej znajduje się 6 atomów, rozmieszczonych w znacznie większych odległościach, równych A.

W rozpatrywanej sieci krystalicznej występują dwa rodzaje pustek (przestrzeni międzywęzłowych, w których mogą znajdować się mniejsze atomy innych pierwiastków w stopach) tworzących śródmiąższowe roztwory stałe.

Największe szczeliny lub puste przestrzenie znajdują się w środku sześcianu i pośrodku jego krawędzi. Każda z tych pustych przestrzeni jest otoczona przez sześć atomów sieci fcc, zajmujących miejsca w wierzchołkach ośmiościanu foremnego. W związku z tym nazywane są one pustkami oktaedrycznymi (ryc. 1.5, B). Te pozycje różnych pierwiastków w siatce sześciennej skupionej na ścianie są zajmowane przez atomy Na i Cl w siatce NaCl. Te same pozycje zajmuje węgiel w sieci g - Fe.

Oprócz tych pustek sieć fcc ma mniejsze puste przestrzenie, zwane czworościennymi, ze względu na fakt, że są otoczone przez 4 atomy. W sumie w sieci fcc znajduje się 8 czworościennych pustek (rysunek 1.5, V).

Rozmiar pustek czworościennych i oktaedrycznych można wyczuć, jeśli założymy, że sieć zbudowana jest ze sztywnych kul o promieniu r stykających się ze sobą; w tym przypadku w istniejących szczelinach można umieścić kule o promieniach odpowiednio 0,41 r i 0,225 r dla pustek oktaedrycznych i czworościennych.

Najgęściej upakowanymi płaszczyznami w strukturze sześcianu o środku ścianki są płaszczyzny pokazane na rysunku. Ich symbol to (111) (Rysunek 1.5., G).


Siatka sześcienna skupiona na ciele Metale A 2 (bcc) zawierają a - Fe, chrom, wolfram, molibden, wanad, sód, lit i inne. Struktura A 2 jest mniej gęsto upakowana.

Atomy sieci bcc znajdują się w wierzchołkach i w środku komórki elementarnej (rysunek 1.6).

Każdy atom w tej komórce ma 8 najbliższych sąsiadów znajdujących się w odległości gdzie: A- długość krawędzi sześcianu. Dlatego liczba koordynacyjna sieci wynosi 8. Czasami jest to oznaczane (8 + 6), ponieważ kolejne najbardziej odległe atomy znajdują się w odległości a, ich liczba wynosi 6.

W strukturze bcc występują również 2 rodzaje pustek. Duże zajmują pozycje na ścianach sześcianu (rysunek 1.6, V). Są otoczone przez 4 atomy znajdujące się na wierzchołkach czworościanu, których krawędzie są równe parami. Mniejsze puste przestrzenie, otoczone 6 atomami zajmującymi miejsca na wierzchołkach nieregularnego ośmiościanu, znajdują się pośrodku krawędzi i ścian komórki (Rysunek 1.6, G). Jeżeli konstrukcja sieci bcc zbudowana jest z twardych kulek, wówczas w pustkach czworościennych można umieścić kule o promieniu 0,292 r, w pustki oktaedryczne kule o promieniu 0,292 r, a w pustki oktaedryczne 0,154 r.

Zatem maksymalny rozmiar kuli, którą można umieścić w pustych przestrzeniach gęsto upakowanej sieci fcc, okazuje się większy niż w siatce bcc.

Wprowadzenie innych atomów do oktaedrycznego poru sieci bcc powoduje przemieszczenie dwóch atomów w kierunku równoległym do krawędzi sześcianu, co powoduje rozszerzanie się sieci w tym kierunku. W strukturze martenzytu, gdzie atomy węgla osadzone są w oktaedrycznych pustkach zlokalizowanych jedynie na krawędziach równoległych do osi C oraz w środkach ścian prostopadłych do tej osi, prowadzi to do tetragonalnego zniekształcenia sieci a-Fe.

Najbardziej upakowane płaszczyzny bcc to 12 płaszczyzn z rodziny (110) (rysunek 1.6. B). W tych płaszczyznach istnieją 2 kierunki, w których mogą stykać się sztywne kulki.

Sześciokątna siatka o gęstym upakowaniu A 3 (hcp) posiadają metale takie jak Zn, b - Co, Cd, Mg, a - Ti, a - Zr.

Sito sześciokątne zbudowane jest z oddzielnych warstw i to w taki sposób, że każdy atom dowolnej warstwy jest otoczony przez 6 sąsiadów znajdujących się w równych odległościach należących do tej samej warstwy, a dodatkowo ma trzech najbliższych sąsiadów w warstwach znajdujących się powyżej i poniżej tej warstwy (rysunek 1.7).

Odległość między atomami w warstwach sześciokątnych jest oznaczona przez A, wysokość komórki do c. Sześciu najbliższych sąsiadów znajdujących się w sąsiednich warstwach również będzie oddalonych od danego atomu, jeśli stosunek osiowy s/a będzie, wówczas taką strukturę nazywa się idealną zwartą. Co więcej, liczba koordynacyjna w tym przypadku, a także w siatce fcc, jest równa 12.

Większość metali o sześciokątnej, gęstej siatce ma stosunek osiowy s/a= 1,56 - 1,63. Wyjątkiem są Zn i Cd (1,86; 1,89). Wynika to z faktu, że chmury elektronów atomów Zn i Cd nie mają symetrii sferycznej i są wydłużone wzdłuż osi C. W sześciokątnej siatce gęsto upakowanej, a także w siatce fcc występują 2 rodzaje pustych przestrzeni : oktaedryczny i czworościenny (rysunek 1.7, B).

Średnice twardych kulek, które można umieścić w tych pustkach, a także fcc, wynoszą 0,41 r i 0,225 r.

Wystarczy spojrzeć na konstrukcję gęsto upakowanych płaszczyzn siatki fcc (111) (rysunek 1.8, A), aby znaleźć pełną analogię w budowie atomów w tych dwóch sieciach. Różnica między tymi sieciami polega na naprzemienności warstw. Jeśli w siatce sześciokątnej występuje naprzemienność warstw ABAB itp., to w siatce fcc: ABCABS (Rysunek 1.8, B), tj. w tym przypadku stosuje się trzecią możliwą pozycję warstwy gęsto upakowanej.

Różnica w stosunkach energetycznych pomiędzy tymi dwiema sieciami jest niewielka i w związku z tym kolejność naprzemienności warstw może łatwo zostać zakłócona podczas odkształcenia plastycznego, a także w wyniku pojawienia się defektów w krysztale podczas jego wzrostu, tak zwane błędy układania.

Zatem widoczna różnica w budowie sieci hcp i fcc nie jest wcale duża (rysunek 1.8).

Węgiel w postaci diamentu, krzemu, germanu, cyny (szary) ma podwójną sześcienność krata typu diamentowego(Rysunek 1.9). Różni się od sieci fcc obecnością dodatkowych czterech atomów w czterech z ośmiu czworościennych pustek. W rezultacie konstrukcja okazuje się luźniejsza.

Każdy atom diamentu otoczony jest tylko czterema najbliższymi sąsiadami, znajdującymi się w rogach foremnego czworościanu. Numer koordynacyjny tej struktury to 4.

Jak pokazano powyżej, te same metale w różnych temperaturach mogą mieć różne struktury krystaliczne, co jest spowodowane ich alotropią.

Transformacja alotropowa (polimorficzna) to zmiana sieci przestrzennej ciała krystalicznego.

Przykładami przekształceń alotropowych jest przekształcenie niskotemperaturowej formy alotropowej a - Fe z sześcienną siatką skupioną na ciele w wysokotemperaturową postać g - Fe z sześcienną siatką skupioną na ścianie, w temperaturze 910°C i późniejsza przemiana w temperaturze 1392 ° C g - Fe w d - Fe z sześcienną siatką skupioną na ciele podobną do a - Fe. Podobne przemiany można zaobserwować w tytanie, cyrkonie itp. W przypadku tytanu i cyrkonu niskotemperaturową formą alotropową jest a - Ti, a - Zr z sześciokątną, gęsto upakowaną siatką. W temperaturach powyżej 882°C dla tytanu i 862°C dla cyrkonu tworzą się b – Ti i b – Zr, które mają siatkę skupioną wokół ciała.

Jak widzieliście, transformacja alotropowa ma miejsce, gdy struktura atomowa krystalicznego ciała stałego zmienia się pod wpływem ogrzewania i chłodzenia. Sam proces przegrupowania sieci krystalicznej zachodzi izotermicznie w stałej temperaturze, a krzywa stygnięcia stopu poddawanego przemianom alotropowym jest podobna do krzywej obserwowanej podczas krzepnięcia ciekłego metalu. Temperatura przejścia nazywana jest krytycznym punktem przemiany. W temperaturze (T 0) obserwuje się równowagę fazową dwóch odmian alotropowych.

Podobnie jak w procesie krystalizacji, przemiana alotropowa zachodzi podczas absorpcji ciepła podczas ogrzewania i jego uwalniania podczas chłodzenia. Transformacja alotropowa (również przez analogię do procesu krystalizacji) zachodzi poprzez tworzenie się jąder i ich późniejszy wzrost, dlatego zawsze zachodzi przy obecności przechłodzenia (podczas chłodzenia) i przegrzania podczas ogrzewania.

Transformacja alotropowa zachodzi, podobnie jak proces krystalizacji, w związku z dążeniem układu do redukcji energii swobodnej.

Jednym z najpowszechniejszych materiałów, z którymi ludzie zawsze woleli pracować, był metal. W każdej epoce preferowano różne rodzaje tych niesamowitych substancji. Zatem IV-III tysiąclecie p.n.e. uważane jest za epokę chalkolitu, czyli epoki miedzi. Później zastępuje go brąz, a wtedy wchodzi w życie ten, który jest nadal aktualny – żelazo.

Dziś na ogół trudno sobie wyobrazić, że kiedyś można było obejść się bez wyrobów metalowych, ponieważ prawie wszystko, od artykułów gospodarstwa domowego, instrumentów medycznych po ciężki i lekki sprzęt, składa się z tego materiału lub zawiera jego poszczególne części. Dlaczego metale zyskały taką popularność? Spróbujmy dowiedzieć się, jakie są te cechy i jak jest to nieodłącznie związane z ich strukturą.

Ogólna koncepcja metali

„Chemia. Klasa 9” to podręcznik, z którego korzystają uczniowie. To tutaj szczegółowo bada się metale. Obszerny rozdział poświęcono rozważeniu ich właściwości fizycznych i chemicznych, gdyż ich różnorodność jest niezwykle duża.

Już od tego wieku zaleca się dawanie dzieciom pojęcia o tych atomach i ich właściwościach, gdyż nastolatki mogą już w pełni docenić znaczenie takiej wiedzy. Doskonale widzą, że różnorodność otaczających ich przedmiotów, maszyn i innych rzeczy opiera się na metalicznej naturze.

Co to jest metal? Z chemicznego punktu widzenia atomy te klasyfikuje się zazwyczaj jako takie, które posiadają:

  • mały na poziomie zewnętrznym;
  • wykazują silne właściwości regenerujące;
  • mają duży promień atomowy;
  • Jako substancje proste mają szereg specyficznych właściwości fizycznych.

Podstawę wiedzy o tych substancjach można uzyskać rozważając strukturę atomowo-krystaliczną metali. To wyjaśnia wszystkie cechy i właściwości tych związków.

W układzie okresowym większość całego układu jest przypisana metalom, ponieważ tworzą one wszystkie podgrupy drugorzędne i główne od pierwszej do trzeciej grupy. Dlatego ich przewaga liczebna jest oczywista. Najczęstsze to:

  • wapń;
  • sód;
  • tytan;
  • żelazo;
  • magnez;
  • aluminium;
  • potas.

Wszystkie metale mają szereg właściwości, które pozwalają połączyć je w jedną dużą grupę substancji. Z kolei właściwości te tłumaczy się właśnie krystaliczną strukturą metali.

Właściwości metali

Specyficzne właściwości przedmiotowych substancji są następujące.

  1. Metaliczny połysk. Mają go wszyscy przedstawiciele prostych substancji i większość jest taka sama, tylko nieliczni (złoto, miedź, stopy) są inni.
  2. Plastyczność i plastyczność - zdolność do łatwego odkształcania się i odzyskiwania. Wyraża się w różnym stopniu u różnych przedstawicieli.
  3. Przewodność elektryczna i cieplna to jedne z głównych właściwości decydujących o obszarach zastosowań metalu i jego stopów.

Krystaliczna struktura metali i stopów wyjaśnia przyczynę każdej ze wskazanych właściwości i mówi o ich dotkliwości u każdego konkretnego przedstawiciela. Znając cechy takiej konstrukcji, można wpływać na właściwości próbki i dostosowywać ją do pożądanych parametrów, co ludzie robią od wielu dziesięcioleci.

Atomowa struktura krystaliczna metali

Czym jest ta struktura, czym się charakteryzuje? Sama nazwa sugeruje, że wszystkie metale są kryształami w stanie stałym, czyli w normalnych warunkach (z wyjątkiem rtęci, która jest cieczą). Co to jest kryształ?

Jest to konwencjonalny obraz graficzny skonstruowany poprzez przecięcie wyimaginowanych linii przez atomy ułożone w linii ciała. Innymi słowy, każdy metal składa się z atomów. Umieszczone są w nim nie chaotycznie, ale bardzo poprawnie i konsekwentnie. Jeśli więc mentalnie połączysz wszystkie te cząstki w jedną strukturę, otrzymasz piękny obraz w postaci regularnego geometrycznego ciała o pewnym kształcie.

Jest to tak zwana sieć krystaliczna metalu. Jest bardzo złożony i obszerny przestrzennie, dlatego dla uproszczenia nie pokazano go w całości, a jedynie część, komórkę elementarną. Zbiór takich komórek zebranych razem i odbitych w sieciach krystalicznych oraz tworzących je. Chemia, fizyka i metalurgia to nauki badające cechy strukturalne takich konstrukcji.

Sam w sobie jest zbiorem atomów, które znajdują się w pewnej odległości od siebie i koordynują wokół siebie ściśle ustaloną liczbę innych cząstek. Charakteryzuje się gęstością upakowania, odległością między strukturami składowymi i liczbą koordynacyjną. Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie te parametry są charakterystyczne dla całego kryształu i dlatego odzwierciedlają właściwości metalu.

Istnieje kilka odmian, wszystkie mają jedną wspólną cechę - węzły zawierają atomy, a wewnątrz znajduje się chmura gazu elektronowego, która powstaje w wyniku swobodnego ruchu elektronów wewnątrz kryształu.

Rodzaje sieci krystalicznych

Czternaście opcji struktury kratowej jest zwykle łączonych w trzy główne typy. Są one następujące:

  1. Sześcienny skupiony na ciele.
  2. Sześciokątne, zwarte.
  3. Sześcienny skupiony na twarzy.

Strukturę krystaliczną metali badano dopiero wtedy, gdy stało się możliwe uzyskanie obrazów w dużym powiększeniu. Klasyfikację typów sieci po raz pierwszy podał francuski naukowiec Bravais, od którego nazwiska czasami się je nazywa.

Siatka skupiona na ciele

Struktura sieci krystalicznej metali tego typu jest następująca. To sześcian z ośmioma atomami w węzłach. Kolejny znajduje się w centrum wolnej przestrzeni wewnętrznej komórki, co wyjaśnia nazwę „skoncentrowany na ciele”.

Jest to jedna z opcji najprostszej struktury komórki elementarnej, a zatem całej sieci jako całości. Następujące metale mają ten typ:

  • molibden;
  • wanad;
  • chrom;
  • mangan;
  • żelazo alfa;
  • żelazo beta i inne.

Głównymi właściwościami takich przedstawicieli są wysoki stopień plastyczności i ciągliwości, twardość i wytrzymałość.

Krata skupiona na twarzy

Struktura krystaliczna metali mających sześcienną siatkę skupioną na powierzchni jest następującą strukturą. To sześcian zawierający czternaście atomów. Osiem z nich tworzy węzły sieciowe, a kolejnych sześć znajduje się, po jednym na każdej ścianie.

Mają podobną strukturę:

  • aluminium;
  • nikiel;
  • Ołów;
  • żelazo gamma;
  • miedź.

Głównymi charakterystycznymi właściwościami są połysk różnych kolorów, lekkość, wytrzymałość, plastyczność, zwiększona odporność na korozję.

Siatka sześciokątna

Struktura krystaliczna metali z siatkami jest następująca. Komórka elementarna oparta jest na sześciokątnym pryzmacie. W jego węzłach znajduje się 12 atomów, dwa kolejne u podstaw, a trzy atomy leżą swobodnie w przestrzeni w środku struktury. W sumie jest siedemnaście atomów.

Metale takie jak:

  • alfa tytan;
  • magnez;
  • alfa kobalt;
  • cynk.

Główne właściwości to wysoki stopień wytrzymałości, mocny srebrny połysk.

Wady struktury krystalicznej metali

Jednakże wszystkie rozpatrywane typy ogniw mogą mieć również naturalne wady, czyli tzw. defekty. Może to wynikać z różnych przyczyn: obcych atomów i zanieczyszczeń w metalach, wpływów zewnętrznych i tak dalej.

Dlatego istnieje klasyfikacja odzwierciedlająca defekty, jakie mogą posiadać sieci krystaliczne. Chemia jako nauka bada każdy z nich w celu ustalenia przyczyny i sposobu eliminacji, tak aby właściwości materiału nie uległy zmianie. Zatem wady są następujące.

  1. Miejsce. Występują w trzech głównych typach: wakaty, zanieczyszczenia lub przemieszczone atomy. Prowadzą do pogorszenia właściwości magnetycznych metalu, jego przewodności elektrycznej i cieplnej.
  2. Liniowy lub dyslokacyjny. Są krawędziowe i śrubowe. Pogarszają wytrzymałość i jakość materiału.
  3. Wady powierzchni. Wpływa na wygląd i strukturę metali.

Obecnie opracowano metody eliminacji defektów i uzyskania czystych kryształów. Nie da się ich jednak całkowicie wyeliminować, idealna sieć krystaliczna nie istnieje.

Znaczenie wiedzy o strukturze krystalicznej metali

Z powyższego materiału oczywiste jest, że wiedza o drobnej strukturze i strukturze umożliwia przewidywanie właściwości materiału i wpływanie na nie. A nauka chemii pozwala to zrobić. Klasa 9 szkoły ogólnokształcącej kładzie nacisk w procesie uczenia się na rozwinięcie u uczniów jasnego zrozumienia znaczenia podstawowego łańcucha logicznego: skład – struktura – właściwości – zastosowanie.

Informacje o strukturze krystalicznej metali są bardzo przejrzyście zilustrowane i pozwalają nauczycielowi jasno wyjaśnić i pokazać dzieciom, jak ważna jest znajomość drobnej struktury, aby prawidłowo i kompetentnie wykorzystać wszystkie właściwości.