Кристалічна будова металів. Кристалічна решітка металів

Одним з найпоширеніших матеріалів, з яким завжди вважали за краще працювати люди, був метал. У кожну епоху перевага віддавалася різним видам цих дивовижних речовин. Так, IV-III тисячоліття до нашої ери вважаються століттям хальколіта, або мідним. Пізніше його змінює бронзовий, а потім в силу вступає той, що і до цього дня є актуальним - залізний.

Відео: Кристалічні решітки

Сьогодні взагалі складно уявити, що колись можна було обходитися без металевих виробів, адже практично всі, починаючи від предметів побуту, медичних інструментів і закінчуючи важкою і легкою технікою, складається з цього матеріалу чи включає до свого складу окремі частини з нього. Чому ж метали зуміли завоювати таку популярність? У чому виявляються особливості і як це закладено в їх будові, спробуємо розібратися далі.

Відео: Кристалічні решітки

Загальне поняття про металах

"Хімія. 9 клас" - Це підручник, за яким проходять навчання школярі. Саме в ньому докладно вивчаються метали. Розгляду їх фізичних і хімічних властивостей відведена велика глава, адже різноманітність їх надзвичайно велике.

Саме з цього віку рекомендують давати дітям уявлення про дані атомах і їх властивості, адже підлітки вже цілком можуть оцінити значення подібних знань. Вони прекрасно бачать, що оточує їх різноманітність предметів, машин і інших речей має в своїй основі саме металеву природу.

Що ж таке метал? З точки зору хімії, до даних атомам прийнято відносити ті, що мають:

• мале число електронів на зовнішньому рівні;
• виявляють сильні відновні властивості;
• мають великий атомний радіус;
• як прості речовини мають ряд специфічних фізичних властивостей.

Основу знань про ці речовини можна отримати, якщо розглянути атомно-кристалічна будова металів. Саме воно пояснює всі особливості і властивості даних сполук.

У періодичної системі для металів відводиться більша частина всієї таблиці, адже вони утворюють всі побічні підгрупи і головні з першої по третю групу. Тому їх чисельну перевагу очевидно. Найпоширенішими є:

• кальцій;
• натрій;
• титан;
• залізо;
• магній;
• алюміній;
• калій.

Всі метали мають ряд властивостей, які дозволяють об`єднувати їх в одну велику групу речовин. У свою чергу, ці властивості пояснює саме кристалічна будова металів.

властивості металів

До специфічних властивостей розглянутих речовин відносять такі.

1. Металевий блиск. Всі представники простих речовин ім володіють, причому більшість однаковим сріблясто-білим кольором. Лише деякі (золото, мідь, сплави) відрізняються.
2. Гнучкість і пластичність - здатність деформуватися і відновлюватися досить легко. У різних представників виражена в неоднаковою мірою.
3. Електропровідність і теплопровідність - одне з основних властивостей, яке визначає області застосування металу і його сплавів.

Кристалічна будова металів і сплавів пояснює причину кожного з позначених властивостей і говорить про вираженості їх у кожного конкретного представника. Якщо знати особливості такого будови, то можна впливати на властивості зразка і підлаштовувати його під потрібні параметри, що і роблять люди вже багато десятиліть.

Атомно-кристалічна будова металів

У чому ж полягає така будова, чим характеризується? Сама назва говорить про те, що всі метали являють собою кристали в твердому стані, тобто при звичайних умовах (крім ртуті, яка є рідиною). А що таке кристал?

Це умовне графічне зображення, побудоване шляхом перетину уявних ліній через атоми, які вибудовують тіло. Іншими словами, кожен метал складається з атомів. Вони розташовуються в ньому не хаотично, а дуже правильно і послідовно. Так ось, якщо подумки з`єднати всі ці частинки в одну структуру, то вийде гарне зображення у вигляді правильного геометричного тіла будь-якої форми.

Це і прийнято називати кристалічною решіткою металу. Вона дуже складна і просторово об`ємна, тому для спрощення показують не всю її, а лише частину, елементарну комірку. Сукупність таких осередків, зібрана разом і відображена в тривимірному просторі, і утворює кристалічні решітки. Хімія, фізика та металознавство - це науки, які займаються вивченням особливостей будови таких структур.

Сама елементарна осередок - це набір атомів, які розташовуються на певній відстані один від одного і координують навколо себе строго фіксоване число інших частинок. Вона характеризується щільністю упаковки, відстанню між складовими структурами, координаційним числом. В цілому всі ці параметри є характеристикою і всього кристала, а значить, відображають і притаманні металом властивості.

Існує кілька різновидів кристалічних решіток. Об`єднує їх все одна особливість - у вузлах знаходяться атоми, а всередині розташовується хмара електронного газу, яке формується шляхом вільного пересування електронів усередині кристала.

Типи кристалічних решіток

Чотирнадцять варіантів будови решітки прийнято об`єднувати в три основні типи. Вони такі:

1. Об`ємно-центрована кубічна.
2. Гексагональна щільноупакована.
3. Гранецентрована кубічна.

Кристалічна будова металів було вивчено тільки завдяки електронної мікроскопії, коли стало можливим отримувати великі збільшення зображень. А класифікацію типів решіток вперше привів французький вчений Браві, на прізвище якого їх іноді називають.

Відео: металознавство

Об`ємно-центрована решітка

Будова кристалічної решітки металів даного типу являє собою наступну структуру. Це куб, в вузлах якого знаходиться вісім атомів. Ще один розташовується в центрі вільного внутрішнього простору осередку, що і пояснює назву "об`ємно-центрована".

Це один з варіантів найбільш простого будови елементарної комірки, а значить, і всієї решітки в цілому. Такий тип мають такі метали:

• молібден;
• ванадій;
• хром;
• марганець;
• альфа-залізо;
• бета-залізо та інші.

Основні властивості таких представників - високий ступінь ковкості і пластичності, твердість і міцність.

гранецентрована решітка

Кристалічна будова металів, що мають гранецентрированную кубічну решітку, являє собою наступну структуру. Це куб, який включає до свого складу чотирнадцять атомів. Вісім з них формують вузли решітки, а ще шість розташовані по одному на кожній грані.

Відео: Кристалічні ґрати металу. 18.04.16

Подібну структуру мають:

• алюміній;
• нікель;
• свинець;
• гамма-залізо;
• мідь.

Основні відмінні властивості - блиск різного кольору, легкість, міцність, гнучкість, підвищена стійкість до корозії.

гексагональна решітка

Кристалічна будова металів, що володіють даним типом решітки, наступне. В основі елементарної комірки лежить шестигранна призма. В її вузлах розташовується 12 атомів, ще два з підстав і три атома вільно лежать всередині простору в центрі структури. Всього сімнадцять атомів.

Подібну складну конфігурацію мають такі метали, як:

• альфа-титан;
• магній;
• альфа-кобальт;
• цинк.

Основні властивості - високий ступінь міцності, сильний сріблястий блиск.

Дефекти кристалічної будови металів

Однак всі розглянуті типи осередків можуть мати і природні недоліки, або так звані дефекти. Це може бути пов`язано з різними причинами: сторонніми атомами і домішками в металах, зовнішніми впливами і іншим.

Тому існує класифікація, яка відображає дефекти, які можуть мати кристалічні решітки. Хімія як наука вивчає кожен з них з метою виявлення причини і способи усунення, щоб властивості матеріалу не були змінені. Отже, дефекти наступні.

1. Точкові. Вони бувають трьох основних видів: вакансії, домішки або дислоковані атоми. Призводять до погіршення магнітних властивостей металу, електро- і теплопровідності його.
2. Лінійні, або дислокаційні. Виділяють крайові і гвинтові. Погіршують міцність і якість матеріалу.
3. Поверхневі дефекти. Впливають на зовнішній вигляд і структуру металів.

В даний час розроблені методики усунення дефектів і отримання чистих кристалів. Однак зовсім викорінити їх не вдається, ідеальної кристалічної решітки не існує.

Значення знань про кристалічному будові металів

З вищевикладеного матеріалу очевидно, що знання про тонку структуру і будову дозволяють спрогнозувати властивості матеріалу і вплинути на них. І це дозволяє робити наука хімія. 9 клас загальноосвітньої школи робить в процесі навчання упор на те, щоб сформувати в учнів чітке поняття про важливе значення основоположною логічного ланцюжка: склад - будова - властивості - застосування.

Відомості про кристалічному будові металів дуже чітко ілюструє цю залежність і дозволяє вчителю наочно пояснити і показати дітям, наскільки важливо знати тонку структуру, щоб правильно і грамотно використовувати всі властивості.