Виды кристаллических решеток металлов

Кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка металлов

Определение кристаллической решетки

Как мы знаем, все материальные вещества могут пребывать в трех базовых состояниях: жидком, твердом, и газообразном. Правда есть еще состояние плазмы, которое ученые считают ни много ни мало четвертым состоянием вещества, но наша статья не о плазме. Твердое состояние вещества потому твердое, так как имеет особую кристаллическую структуру, частицы которой находятся в определенном и четко заданном порядке, создавая, таким образом, кристаллическую решетку. Строение кристаллической решетки состоит из повторяющихся одинаковых элементарных ячеек: атомов, молекул, ионов, других элементарных частиц, связанных между собой различными узлами.

Общие сведения

Твердые тела по своим свойствам и структуре обычно классифицируются на кристаллические и аморфные. Это разделение обусловлено разным положением в них ионов, атомов или молекул. Частицы аморфных тел распределяются хаотично. Такое строение придает им изотропность и делает невозможным иметь фиксированную температуру плавления. К аморфным материалам относятся воск, полимеры и пластики, затвердевшие смолы.

В кристаллическом веществе частицы выстраиваются в строго определенном порядке и образуют структуры, периодически повторяющиеся по всему его объему. Это придает материалу анизотропическое соответствие. Пространственное отображение такого строения — кристаллическая решетка. Она не является статичной, ее молекулы или атомы постоянно колеблются около положений равновесия. Состоит из узлов, в которых находятся частицы вещества, и соединяющих их воображаемых линий. Узлы образуются молекулами, атомами или ионами. Линии обозначают химические связи между этими частицами.

Существование решеток обусловлено тем, что только при условии периодичности в трехмерном пространстве достигается минимальное значение потенциальной энергии системы путем уравновешивания сил отталкивания и притяжения между атомами. Они бывают ионными, металлическими, ковалентными полярными и неполярными.

Наименьший фрагмент решетки считается элементарной ячейкой. Построить полную структуру материала можно так — перенести параллельно элементарную ячейку в любом направлении. Компактность и заполненность такой ячейки — важная характеристика, которая определяет химические и физические свойства вещества. Описывается такими показателями: число атомов в ней, плотность упаковки и параметр, т. е. расстоянием между ближайшими частицами. Параметр измеряется в нанометрах и вычисляется при помощи рентгеноструктурного анализа.

Простейшая элементарная ячейка состоит из восьми частиц, расположенных в вершинах куба. Другие возможные геометрические построения структур описывают модели Браве.

Виды кристаллических решеток

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

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

    Металлическаякристаллическая решетка.
    Далее более подробно опишем все типы кристаллической решетки.

    Дефекты кристаллического строения металлов

    Однако все рассмотренные типы ячеек могут иметь и естественные недостатки, или так называемые дефекты. Это может быть связано с разными причинами: посторонними атомами и примесями в металлах, внешними воздействиями и прочим.

    Поэтому существует классификация, отражающая дефекты, которые могут иметь кристаллические решетки. Химия как наука изучает каждый из них с целью выявления причины и способа устранения, чтобы свойства материала не были изменены. Итак, дефекты следующие.

    1. Точечные. Они бывают трех основных видов: вакансии, примеси или дислоцированные атомы. Приводят к ухудшению магнитных свойств металла, электро- и теплопроводности его.
    2. Линейные, или дислокационные. Выделяют краевые и винтовые. Ухудшают прочность и качество материала.
    3. Поверхностные дефекты. Влияют на внешний вид и структуру металлов.

    В настоящее время разработаны методики устранения дефектов и получения чистых кристаллов. Однако совсем искоренить их не удается, идеальной кристаллической решетки не существует.

    Атомная кристаллическая решетка

    Вещества с атомной кристаллической решеткой, как правило, имеют в своих узлах, состоящих собственно из атомов сильные ковалентные связи. Ковалентная связь происходит, когда два одинаковых атома делятся друг с другом по-братски электронами, образуя, таким образом, общую пару электронов для соседних атомов. Из-за этого ковалентные связи сильно и равномерно связывают атомы в строгом порядке – пожалуй, это самая характерная черта строения атомной кристаллической решетки. Химические элементы с подобными связями могут похвастаться своей твердостью, высокой температурой плавления. Атомную кристаллическую решетку имеют такие химические элементы как алмаз, кремний, германий, бор.

    Металлы и металлосодержащие вещества

    Химическое строение таких твердых тел определяется типом связи между его частицами, которые бывают металлическими или ионными. Структура, состоящая из положительно заряженных ионов единственного химического элемента, между которыми находятся электроны внешнего энергетического уровня, легко теряющие связь с ядром и свободно перемещающиеся по всему металлическому телу (электронный газ), называется металлической кристаллической решеткой. В узлах располагаются ионы и атомы. Такая решетка состоит из элементарных ячеек, которые бывают следующих видов:

    • Объемноцентрированный куб. Включает два атома. Ионы металла, имеющие положительный знак заряда, размещаются в узлах куба, а еще один атом — в его центре. Такую решетку имеют очень твердые и тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, хром, ванадий.
    • Гранецентрированный куб. Содержит четыре атома, положительные ионы находятся не только в узлах, но и в центре каждой грани куба. Эта решетка характерна для свинца, меди, никеля, железа, алюминия и многих других металлов.
    • Гексагональная плотно упакованная. Состоит из шести атомов и представляет собой шестигранную призму. Ионы располагаются в узлах, по центру оснований и в середине призмы. Такое строение имеют все элементы II группы таблицы Менделеева — бериллий, кальций, магний, стронций, барий, радий.

    Металлический тип строения определяет наличие свойств, типичных для металлов и их сплавов — блеск, пластичность и ковкость, высокую электро- и теплопроводность.

    Если в состав кристалла входят химические элементы, состоящие из атомов с разной электроотрицательностью (способностью атома притягивать к себе общую электронную пару), то электроны от одних атомов могут полностью переходить к другим. В результате получаются положительно и отрицательно заряженные ионы, называемые соответственно катионами и анионами. Связь между ними носит название ионной, а структура, в узлах которой находятся разнозаряженные ионы, называется ионной кристаллической решеткой.

    Геометрические виды элементарных ячеек ионных структур такие же, как и у металлических, только в узлах располагаются ионы не одного, а разных химических элементов, причем одинаково заряженные находятся как можно дальше друг от друга, а разнозаряженные — как можно ближе.

    Такое строение обычно бывает у соединений, образованных типичным металлом и неметаллом, при этом металл должен быть менее активным, чем неметалл. Ионной структуре соответствуют оксиды, гидроксиды, щелочи и соли, а их составляющие бывают простыми или сложными. Так, кристалл поваренной соли (хлорида натрия) образуется из простых ионов: катион калия K и анион хлора Cl, а в состав сернокислого калия входят простой катион калия K и сложный отрицательный сульфат-ион SO4.

    Связи между ионами в структурах очень устойчивые, поэтому вещества с таким строением обладают прочностью, твердостью и тугоплавкостью и имеют небольшую летучесть.

    В то же время они отличаются хрупкостью — ионные слои легко смещаются. Проводят электрический ток и тепло только в растворах или расплавах.

    Металлическая кристаллическая решетка

    Тип связи металлической кристаллической решетки гибче и пластичнее ионной, хотя внешне они весьма похожи. Отличительной особенностью ее является наличие положительно заряженных катионов (ионов метала) в узлах решетки. Между узлами живут электроны, участвующие в создании электрического поля, эти электроны еще называются электрическим газом. Наличие такой структуры металлической кристаллической решетки объясняет ее свойства: механическую прочность, тепло и электропроводность, плавкость.

    Общее понятие о металлах

    «Химия. 9 класс» – это учебник, по которому проходят обучение школьники. Именно в нем подробно изучаются металлы. Рассмотрению их физических и химических свойств отведена большая глава, ведь разнообразие их чрезвычайно велико.

    Читать также: Вездеход из бензопилы своими руками

    Именно с этого возраста рекомендуют давать детям представление о данных атомах и их свойствах, ведь подростки уже вполне могут оценить значение подобных знаний. Они прекрасно видят, что окружающее их разнообразие предметов, машин и прочих вещей имеет в своей основе как раз металлическую природу.

    Что же такое металл? С точки зрения химии, к данным атомам принято относить те, что имеют:

    • малое число электронов на внешнем уровне;
    • проявляют сильные восстановительные свойства;
    • имеют большой атомный радиус;
    • как простые вещества обладают рядом специфических физических свойств.

    Основу знаний об этих веществах можно получить, если рассмотреть атомно-кристаллическое строение металлов. Именно оно объясняет все особенности и свойства данных соединений.

    В периодической системе для металлов отводится большая часть всей таблицы, ведь они образуют все побочные подгруппы и главные с первой по третью группу. Поэтому их численное превосходство очевидно. Самыми распространенными являются:

    Все металлы имеют ряд свойств, которые позволяют объединять их в одну большую группу веществ. В свою очередь, эти свойства объясняет именно кристаллическое строение металлов.

    Кристаллические решетки, видео

    И в завершение подробное видео пояснения о свойствах кристаллических решеток.

    Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

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

    Страница про автора

    Эта статья доступна на английском – Crystal Lattice in Chemistry.

    Свойства металлов

    К специфическим свойствам рассматриваемых веществ относят следующие.

    1. Металлический блеск. Все представители простых веществ им обладают, причем большинство одинаковым серебристо-белым цветом. Лишь некоторые (золото, медь, сплавы) отличаются.
    2. Ковкость и пластичность – способность деформироваться и восстанавливаться достаточно легко. У разных представителей выражена в неодинаковой мере.
    3. Электропроводность и теплопроводность – одно из основных свойств, которое определяет области применения металла и его сплавов.
    Читайте также  Влияние легирующих элементов на свариваемость стали

    Кристаллическое строение металлов и сплавов объясняет причину каждого из обозначенных свойств и говорит о выраженности их у каждого конкретного представителя. Если знать особенности такого строения, то можно влиять на свойства образца и подстраивать его под нужные параметры, что и делают люди уже многие десятилетия.

    Типы кристаллических решеток металлов

    Все металлы являются кристаллическими телами, имеющими определенный тип кристаллической решетки, состоящей из малоподвижных положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны (так называемый электронный газ). Такой тип структуры называется металлической связью.

    Тип решетки определяется формой элементарного геометрического тела, многократное повторение которого по трем пространственным осям образует решетку данного кристаллического тела.

    Металлы имеют относительно сложные типы кубических решеток — объемно центрированная (ОЦК) и гранецентрированная (ГЦК) кубические решетки.

    Кубическая (1 атом на ячейку), а)

    Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (2 атома на ячейку), б)

    Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (4 атома на ячейку), в)

    Гексагональная плотноупакованная (ГП) (6 атомов на ячейку), г)

    Рис. 2. Основные типы кристаллических решеток металлов

    Основу ОЦК-решетки составляет элементарная кубическая ячейка (рис. 2, б), в которой положительно заряженные ионы металла находятся в вершинах куба, и еще один атом в центре его объема, т. е. на пересечении его диагоналей. Такой тип решетки в определенных диапазонах температур имеют железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. металлы.

    У ГЦК-решетки (рис. 2, в) элементарной ячейкой служит куб с центрированными гранями. Подобную решетку имеют железо, алюминий, медь, никель, свинец и др. металлы.

    Третьей распространенной разновидностью плотноупакованных решеток является гексагональная плотноупакованная (ГПУ, рис. 2, г). ГПУ-ячейка состоит из отстоящих друг от друга на параметр с параллельных центрированных гексагональных оснований. Три иона (атома) находятся на средней плоскости между основаниями.

    У гексагональных решеток отношение параметра с/а всегда больше единицы. Такую решетку имеют магний, цинк, кадмий, берилий, титан и др.

    Компактность кристаллической решетки или степень заполненности ее объема атомами является важной характеристикой. Она определяется такими показателями как параметр решетки, число атомов в каждой элементарной ячейке, координационное число и плотность упаковки.

    Параметр решетки — это расстояние между атомами по ребру элементарной ячейки. Параметры решетки измеряется в нанометрах (1 нм = 10 -9 м =10 A). Параметры кубических решеток характеризуются длиной ребра куба и обозначаются буквой а.

    Для характеристики гексагональной решетки принимают два параметра — сторону шестигранника а и высоту призмы с. Когда отношение с/а =1,633, то атомы упакованы наиболее плотно, и решетка называется гексагональной плотноупакованной (рис. 1, г). Некоторые металлы имеют гексагональную решетку с менее плотной упаковкой атомов (с/а > 1,633). Например, для цинка с/а = 1,86, для кадмия с/а = 1,88.

    Параметры а кубических решеток металлов находятся в пределах от 0,286 до 0,607 нм. Для металлов с гексагональной решеткой а лежит в пределах 0,228-0,398 нм, а с в пределах 0,357-0,652 нм.

    Параметры кристаллических решеток металлов могут быть измерены с помощью рентгеноструктурного анализа.

    При подсчете числа атомов в каждой элементарной ячейке следует иметь в виду, что каждый атом входит одновременно в несколько ячеек. Например, для ГЦК-решетки, каждый атом, находящийся в вершине куба, принадлежит 8 ячейкам, а атом, центрирующий грань, двум. И лишь атом, находящийся в центре куба, полностью принадлежит данной ячейке.

    Рис. 3. Координационное число в различных кристаллических решетках для атома А: а) — объемноцентрированная кубическая (К 8); б) — гранецентрированная кубическая (К 12); в) — гексагональная плотноупакованная (Г 12)

    Таким образом, ОЦК- и ГЦК-ячейки содержат соответственно 2 и 4 атома.

    Под координационным числом понимается количество ближайших соседей данного атома.

    В ОЦК решетке (рис. 3, а) атом А (в центре) находится на наиболее близком равном расстоянии от восьми атомов, расположенных в вершинах куба, т. е. координационное число этой решетки равно 8 (К 8).

    В ГЦК решетке (рис. 3, б) атом А (на грани куба) находится на наиболее близком равном расстоянии от четырех атомов 1, 2, 3, 4, расположенных в вершинах куба, от четырех атомов 5, 6, 7, 8, расположенных на гранях куба, и, кроме того, от четырех атомов 9, 10, 11, 12, принадлежащих расположенной рядом кристаллической ячейке. Атомы 9, 10, 11, 12 симметричны атомам 5, 6, 7, 8. Таким образом, ГЦК решетки координационное число равно 12 (К 12).

    В ГПУ решетке при с/а = 1,633 (рис. 3, в) атом А в центре шестигранного основания призмы находится на наиболее близком равном расстоянии от шести атомов 1, 2, 3, 4, 5, 6, размещенных в вершинах шестигранника, и от трех атомов 7, 8, 9, расположенных в средней плоскости призмы. Кроме того, атом А оказывается на таком же расстоянии еще от трех атомов 10, 11, 12, принадлежащих кристаллической ячейке, лежащей ниже основания. Атомы 10, 11, 12 симметричны атомам 7, 8, 9.

    Следовательно, для ГПУ решетки координационное число равно 12 (Г 12).

    Плотность упаковки представляет собой отношение суммарного объема, занимаемого собственно атомами в кристаллической решетке, к ее полному объему. Различные типы кристаллических решеток имеют разную плотность упаковки атомов. В ГЦК решетке атомы занимают 74 % всего объема кристаллической решетки, а межатомные промежутки («поры») 26 %. В ОЦК решетке атомы занимают 68 % всего объема, а «поры» 32 %. Компактность решетки зависит от особенностей электронной структуры металлов и характера связи между их атомами.

    От типа кристаллической решетки сильно зависят свойства металла.

    У некоторых металлов кристаллическая решетка может изменяться при изменении температуры. Это явление называется полиморфизмом или аллотропией. Полиморфизм может вызывать изменение свойств.

    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.

    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.
    Читайте также  Сварка разнородных сталей нержавеющей и обычной

    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.

    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.

    Виды кристаллических решеток металлов

    Взаимосвязь типа химической связи с видом кристаллической решетки

    Вещества и кристаллические решетки

    Твердые вещества бывают аморфные или кристаллические (чаще всего имеют кристаллическое строение).

    Кристаллическое строение характеризуется правильным расположением частиц в определенных точках пространства. При соединении этих точек воображаемыми прямыми линиями образуется так называемая кристаллическая решетка. Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки.

    В узлах кристаллической решетки могут находиться ионы, атомы или молекулы.

    В зависимости от вида частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток:

    Ионная решетка

    Эту решетку образуют все вещества с ионным типом связи — соли, щелочи, бинарные соединения активных металлов с активными неметаллами (оксиды, галогениды, сульфиды), алкоголяты, феноляты, соли аммония и аминов. В узлах решетки — ионы, между которыми существует электростатическое притяжение. Ионная связь очень прочная.

    Свойства ионных кристаллов :

    · твердые, но хрупкие;

    · отличаются высокими температурами плавления;

    · нелетучи, не имеют запаха;

    · расплавы ионных кристаллов обладают электропроводностью;

    · многие растворимы в воде; при растворении в воде диссоциируют на катионы и анионы, и образующиеся растворы проводят электрический ток.

    Металлическая решетка

    Характерна для веществ с металлической связью. Реализуется в простых веществах — металлах и их сплавах. В узлах решетки — атомы и катионы металла, при этом электроны металла обобществляются и образуют так называемый электронный газ, который движется между узлами решетки, обеспечивая ее устойчивость. Именно свободно перемещающимися электронами и обусловлены свойства веществ с металлической решеткой:

    · тепло- и электропроводность;

    · обладают металлическим блеском;

    · высокие температуры плавления.

    Атомная решетка

    В узлах решетки — атомы, связанные ковалентными связями. Химическая связь — ковалентная полярная или неполярная. Атомная кристаллическая решетка характерна для углерода (алмаз, графит), бора, кремния, германия, оксида кремния SiO2(кремнезем, кварц, речной песок), карбида кремния SiC (карборунд), нитрида бора BN.

    Свойства веществ с атомной решеткой :

    · высокие температуры плавления;

    Молекулярная решетка

    В узлах — молекулы веществ, которые удерживаются в решетке с помощью слабых межмолекулярных сил.

    Молекулярное строение имеют:

    o все органические вещества (кроме солей);

    o вещества — газы и жидкости;

    o легкоплавкие и летучие твердые вещества, в молекулах которых ковалентные связи (полярные и неполярные).

    Подобные вещества часто имеют запах.

    Кристаллические решетки, вид связи и свойства веществ

    Т ип решетки

    Виды частиц в узлах решетки

    Вид связи между частицами

    Примеры веществ

    Физические свойства веществ

    Ионная связь — прочная

    Соли, галогениды (IA,IIA), оксиды и гидроксиды щелочных и щел.-зем. металлов

    Твердые, прочные, нелетучие, хрупкие, тугоплавкие, многие растворимы в воде, расплавы проводят электрический ток

    1. Ковалентная неполярная — очень прочная

    2. Ковалентная полярная связь — очень прочная

    Простые вещества: алмаз (C), графит (C), бор (B), кремний (Si)

    Сложные вещества: оксид алюминия (Al2O3), оксид кремния (IV) SiO2

    Очень твердые, очень тугоплавкие, прочные, нелетучие, нерастворимы в воде

    Между молекулами — слабые силы межмолекулярного притяжения, внутри молекул — прочная ковалентная связь

    При обычных условиях — газы, жидкости или летучие твердые вещества:

    Непрочные, летучие, легкоплавкие, способны к возгонке, имеют небольшую твердость

    Металлическая связь — разной прочности

    Металлы и сплавы

    Ковкие, обладают блеском, пластичностью, тепло- и электропроводны

    Основные типы кристаллических решёток металлов

    Виды кристаллических решёток

    В действительности чёткую структуру имеют все вещества, пребывающие в твёрдом состоянии. Атомы и молекулы движутся, но силы притяжения и отталкивания между частицами сбалансированы, поэтому атомы и молекулы располагаются в определённой точке пространства (но продолжают совершать небольшие колебания, зависящие от температуры). Такие структуры называются кристаллическими решётками. Места, в которых находятся сами молекулы, ионы или атомы, называют узлами. А расстояния между узлами получили название – периоды идентичности. В зависимости от положения частиц в пространстве, различают несколько типов:

    1. атомная;
    2. ионная;
    3. молекулярная;
    4. металлическая.
    Читайте также  Стальное литье по выплавляемым моделям

    В жидком и газообразном состоянии вещества не имеют чёткой решётки, их молекулы движутся хаотично, именно поэтому они не имеют формы. Например, кислород, находясь в газообразном состоянии, представляет собой бесцветный газ без запаха, в жидком (при -194 градусов) – раствор голубоватого цвета. Когда температура опускается до -219 градусов, кислород переходит в твёрдое состояние и приобретает кр. решётку, при этом он превращается в снегообразную массу синего цвета.

    Интересно, что у аморфных веществ нет чёткой структуры, поэтому у них и нет строгой температуры плавления и кипения. Смола и пластилин при нагревании постепенно размягчаются и становятся жидкими, у них нет чёткой фазы перехода.

    Дефекты кристаллического строения металлов

    Однако все рассмотренные типы ячеек могут иметь и естественные недостатки, или так называемые дефекты. Это может быть связано с разными причинами: посторонними атомами и примесями в металлах, внешними воздействиями и прочим.

    Поэтому существует классификация, отражающая дефекты, которые могут иметь кристаллические решетки. Химия как наука изучает каждый из них с целью выявления причины и способа устранения, чтобы свойства материала не были изменены. Итак, дефекты следующие.

    1. Точечные. Они бывают трех основных видов: вакансии, примеси или дислоцированные атомы. Приводят к ухудшению магнитных свойств металла, электро- и теплопроводности его.
    2. Линейные, или дислокационные. Выделяют краевые и винтовые. Ухудшают прочность и качество материала.
    3. Поверхностные дефекты. Влияют на внешний вид и структуру металлов.

    В настоящее время разработаны методики устранения дефектов и получения чистых кристаллов. Однако совсем искоренить их не удается, идеальной кристаллической решетки не существует.

    Атомная кристаллическая решётка

    В узлах находятся атомы, о чём и говорит название. Эти вещества очень крепкие и прочные, так как между частицами образуется ковалентная связь. Соседние атомы образуют между собой общую пару электронов (а, точнее, их электронные облака наслаиваются друг на друга), и поэтому они очень хорошо связаны друг с другом. Самый наглядные пример – алмаз, который по шкале Мооса обладит наибольшей твёрдостью. Интересно, что алмаз, как и графит, состоит из углевода. Графит является очень хрупким веществом (твёрдость по шкале Мооса – 1), что является наглядным примером того, как много зависит от вида.

    Атомная кр. решётка плохо распространена в природе, к ней относятся: кварц, бор, песок, кремний, оксид кремния (IV), германий, горный хрусталь. Для этих веществ характерна высокая температура плавления, прочность, а также эти соединения очень твёрдые и нерастворимые в воде. Из-за очень сильной связи между атомами, эти химические соединения почти не взаимодействуют с другими и очень плохо проводят ток.

    Общее понятие о металлах

    «Химия. 9 класс» – это учебник, по которому проходят обучение школьники. Именно в нем подробно изучаются металлы. Рассмотрению их физических и химических свойств отведена большая глава, ведь разнообразие их чрезвычайно велико.

    Читать также: Портативный компрессор воздушный электрический 220в

    Именно с этого возраста рекомендуют давать детям представление о данных атомах и их свойствах, ведь подростки уже вполне могут оценить значение подобных знаний. Они прекрасно видят, что окружающее их разнообразие предметов, машин и прочих вещей имеет в своей основе как раз металлическую природу.

    Что же такое металл? С точки зрения химии, к данным атомам принято относить те, что имеют:

    • малое число электронов на внешнем уровне;
    • проявляют сильные восстановительные свойства;
    • имеют большой атомный радиус;
    • как простые вещества обладают рядом специфических физических свойств.

    Основу знаний об этих веществах можно получить, если рассмотреть атомно-кристаллическое строение металлов. Именно оно объясняет все особенности и свойства данных соединений.

    В периодической системе для металлов отводится большая часть всей таблицы, ведь они образуют все побочные подгруппы и главные с первой по третью группу. Поэтому их численное превосходство очевидно. Самыми распространенными являются:

    Все металлы имеют ряд свойств, которые позволяют объединять их в одну большую группу веществ. В свою очередь, эти свойства объясняет именно кристаллическое строение металлов.

    Ионная кристаллическая решётка

    В этом типе ионы располагаются в каждом узле. Соответственно, этот вид характерен для веществ с ионной связью, например: хлорид калия, сульфат кальция, хлорид меди, фосфат серебра, гидроксид меди и так далее. К веществам с такой схемой соединения частиц относятся;

    • соли;
    • гидроксиды металлов;
    • оксиды металлов.

    Хлорид натрия имеет чередование положительных (Na +) и отрицательных (Cl -) ионов. Один ион хлора, находящийся в узле, притягивает к себе два иона натрия (благодаря электромагнитному полю), которые находятся в соседних узлах. Таким образом, образуется куб, в котором частицы связаны между собой.

    Для ионной решётки характерна прочность, тугоплавкость, устойчивость, твёрдость и нелетучесть. Некоторые вещества могут проводить электрический ток.

    Кристаллическая структура меди

    Рис. 1. Крист. структура меди.
    1.

    Из равенства осевых единиц
    a=b=c
    и осевых углов α=β=γ=90° следует, что сингония является кубической.

    2. Определим число атомов меди в элементарной ячейке 1/8*8+1/2*6=4. 1/8 – доля каждого атома меди, находящегося в вершине в элементарной ячейке данной структуры. 8 – число таких атгмов.1/2 – доля каждого атома находящегося в грани элементарной ячейки меди.

    3. Атомы меди образуют сложную кубическую гранецентрированную ячейку Бравэ.

    4. Поскольку ячейки атомов меди гранецентрированные, в базисе указываются координаты 4-х атомов. [[000;1/2 1/2 0; 1/2 0 1/2;0 1/2 1/2]]. Записывая базис, мы указываем координаты тех атомов, трансляцией которых можно получить всю пространственную решетку.

    5. Основные трансляции для атомов меди – . Перемещая любой из атомов меди (например, расположенный в начале координат) на величины, мы получим все другие атомы меди в пространственной решетке, расположенные в вершинах ячеек.

    6. В структуре меди любой атом, расположенный в вершине ячейки имеет двенадцать ближайших соседей, которыми является атомы, находящиеся в центрах граней. Поэтому КЧ=12.

    Молекулярная кристаллическая решётка

    В узлах этой структуры находятся молекулы, которые плотно упакованы между собой. Для таких веществ характерна ковалентная полярная и неполярная связь. Интересно, что независимо от ковалентной связи, между частицами образуете очень слабое притяжение (из-за слабых ван-дер-вальсовых сил). Именно поэтому такие вещества очень хрупкие, обладают низкой температурой кипения и плавления, а также они летучие. К таким веществам относятся: вода, органические вещества (сахар, нафталин), оксид углерода (IV), сероводород, благородные газы, двух– (водород, кислород, хлор, азот, йод), трёх- (озон), четырёх- (фосфор), восьмиатомные (сера) вещества и так далее.

    Одна из отличительных черт — это то, что структурная и пространственная модель сохраняется во всех фазах (как в твёрдых, так в жидких и газообразных).

    Значение знаний о кристаллическом строении металлов

    Из вышеизложенного материала очевидно, что знания о тонкой структуре и строении позволяют спрогнозировать свойства материала и повлиять на них. И это позволяет делать наука химия. 9 класс общеобразовательной школы делает в процессе обучения упор на то, чтобы сформировать у учащихся четкое понятие о важном значении основополагающей логической цепочки: состав – строение – свойства – применение.

    Читать также: Гайковерт декстер 18 вольт

    Сведения о кристаллическом строении металлов очень четко иллюстрирует эту зависимость и позволяет учителю наглядно объяснить и показать детям, насколько важно знать тонкую структуру, чтобы правильно и грамотно использовать все свойства.

    Содержание:

    Металлическая кристаллическая решётка

    Из-за наличия в узлах ионов, может показаться, что металлическая решетка похожа на ионную. На самом деле, это две совершенно разные модели, с разными свойствами.

    Металлическая гораздо гибче и пластичнее ионной, для неё характерна прочность, высокая электро- и теплопроводность, эти вещества хорошо плавятся и отлично проводят электрический ток. Это объясняется тем, что в узлах находятся положительно заряженные ионы металлов (катионы), которые могут перемещаться по всей структуре, тем самым обеспечивают течение электронов. Частицы хаотично движутся около своего узла (они не имеют достаточной энергии, чтобы выйти за пределы), но как только появляется электрическое поле, электроны образуют поток и устремляются из положительной в отрицательную область.

    Металлическая кристаллическая решётка характерна для металлов, например: свинец, натрий, калий, кальций, серебро, железо, цинк, платина и так далее. Помимо прочего, она подразделяется ещё на несколько типов упаковок: гексагональная, объёмно центрированная (наименее плотная) и гранецентрированная. Первая упаковка характерна для цинка, кобальта, магния, вторая для бария, железа, натрия, третья для меди, алюминия и кальция.

    Таким образом, от типа решётки зависят многие свойства, а также строение вещества. Зная тип, можно предсказать, к примеру, какой будет тугоплавкость или прочность объекта.

    Типы кристаллических решеток

    Четырнадцать вариантов строения решетки принято объединять в три основных типа. Они следующие:

    1. Объемно-центрированная кубическая.
    2. Гексагональная плотноупакованная.
    3. Гранецентрированная кубическая.

    Кристаллическое строение металлов было изучено только благодаря электронной микроскопии, когда стало возможным получать большие увеличения изображений. А классификацию типов решеток впервые привел французский ученый Браве, по фамилии которого их иногда называют.

    Кристаллическая структура меди

    Самородная медь размером около 4 см

    — минерал из класса самородных элементов. В природном минерале обнаруживаются Fe, Ag, Au, As и другие элементы в виде примеси или образующие с Cu твёрдые растворы. Простое вещество медь — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). Один из первых металлов, широко освоенных человеком из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой температуры плавления. Он входит в семёрку металлов, известных человеку с очень древних времён. Медь является необходимым элементом для всех высших растений и животных.