При осуществлении многих физических и химических реакций вещество переходит в твердое агрегатное состояние. При этом молекулы и атомы стремятся расположиться в таком пространственном порядке, при котором силы взаимодействия между частицами вещества были бы максимально сбалансированы.
Этим и достигается прочность твердого вещества. Атомы, однажды заняв определенное положение, совершают небольшие колебательные движения, амплитуда которых зависит от температуры, но положение их в пространстве остается фиксированным.
Силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга на определенном расстоянии.
Современные представления о строении вещества
Современная наука утверждает, что атом состоит из заряженного ядра, несущего положительный заряд, и электронов, несущих заряды отрицательные. Со скоростью несколько тысяч триллионов оборотов в секунду электроны вращаются по своим орбитам, создавая вокруг ядра электронное облако. Положительный заряд ядра численно равен отрицательному заряду электронов.
Таким образом, атом вещества остается электрически нейтральным. Возможные взаимодействия с другими атомами происходят тогда, когда электроны отсоединяются от родного атома, тем самым нарушая электрический баланс. В одном случае атомы выстраиваются в определенном порядке, который и называется кристаллической решеткой.
В другом – за счет сложного взаимодействия ядер и электронов соединяются в молекулы различного вида и сложности.
В совокупности различные типы кристаллических решеток веществ представляют собой сетки с различной пространственной ориентацией, в узлах которых располагаются ионы, молекулы или атомы. Это стабильное геометрическое пространственное положение и называется кристаллической решеткой вещества.
Расстояние между узлами одной кристаллической ячейки называется периодом идентичности. Пространственные углы, под которыми расположены узлы ячейки, называются параметрами. По способу построения связей кристаллические решетки могу быть простыми, базоцентрированными, гранецентрированными и объемно-центрированными.
Если частицы вещества расположены лишь в углах параллелепипеда, такая решетка называется простой. Пример такой решетки показан ниже:
Если, кроме узлов, частицы вещества расположены и в середине пространственных диагоналей, то такое построение частиц в веществе имеет название объемно-центрированной кристаллической решетки. На рисунке этот тип показан наглядно.
Если кроме узлов в вершинах решетки имеется узел и в месте, где пересекаются воображаемые диагонали параллелепипеда, то перед вами — гранецентрированный тип решетки.
Виды кристаллических решеток
Различные микрочастицы, из которых состоит вещество, определяют различные типы кристаллических решеток. Они могут определять принцип построения связи между микрочастицами внутри кристалла.
Физические типы кристаллических решеток — ионные, атомные и молекулярные. Сюда же относятся различные типы кристаллических решеток металлов. Изучением принципов внутреннего строения элементов занимается химия.
Типы кристаллических решеток подробнее представлены ниже.
Ионные кристаллические решетки
Данные типы кристаллических решеток присутствуют в соединениях с ионным типом связи. В этом случае узлы решетки содержат ионы, обладающие противоположным электрическим зарядом.
Благодаря электромагнитному полю, силы межионного взаимодействия оказываются достаточно сильными, и это обуславливает физические свойства вещества. Обычными характеристиками являются тугоплавкость, плотность, твердость и возможность проводить электрический ток.
Ионные типы кристаллических решеток имеются у таких веществ, как поваренная соль, нитрат калия и прочие.
Атомные кристаллические решетки
Этот тип строения вещества присущ элементам, структуру которых определяет ковалентная химическая связь. Типы кристаллических решеток подобного рода содержат в узлах отдельные атомы, связанные между собой крепкими ковалентными связями. Подобный тип связи возникает тогда, когда два одинаковых атома «делятся» электронами, тем самым образуют общую пару электронов для соседних атомов.
Благодаря такому взаимодействию ковалентные связи равномерно и сильно связывают атомы в определенном порядке. Химические элементы, которые содержат атомные типы кристаллических решеток, обладают твердостью, высокой температурой плавления, плохо проводят электрический ток и химически неактивны.
Классическими примерами элементов с подобным внутренним строением можно назвать алмаз, кремний, германий, бор.
Молекулярные кристаллические решетки
Вещества, имеющие молекулярный тип кристаллической решетки, представляют собой систему устойчивых, взаимодействующих, плотноупакованных между собой молекул, которые расположены в узлах кристаллической решетки.
В подобных соединениях молекулы сохраняют свое пространственное положение в газообразной, жидкой и твердой фазе.
В узлах кристалла молекулы удерживаются слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, которые в десятки раз слабее сил ионного взаимодействия.
Образующие кристалл молекулы могут быть как полярными, так и неполярными.
Из-за спонтанного движения электронов и колебания ядер в молекулах электрическое равновесие может смещаться – так возникает мгновенный электрический момент диполя.
Соответствующим образом ориентированные диполи создают силы притяжения в решетке. Двуокись углерода и парафин являются типичными примерами элементов с молекуляной кристаллической решеткой.
Металлические кристаллические решетки
Металлическая связь гибче и пластичней ионной, хотя может показаться, что обе они базируются на одном и том же принципе. Типы кристаллических решеток металлов объясняют их типичные свойства – такие, например, как механическая прочность, тепло- и электропроводность, плавкость.
Отличительной особенностью металлической кристаллической решетки является наличие положительно заряженных ионов металла (катионов) в узлах этой решетки. Между узлами находятся электроны, которые непосредственно участвуют в создании электрического поля вокруг решетки. Количество электронов, перемещающихся внутри этой кристаллической решетки, называется электронным газом.
При отсутствии электрического поля свободные электроны совершают хаотическое движение, беспорядочно взаимодействуя с ионами решетки. Каждое такое взаимодействие меняет импульс и направление движения отрицательно заряженной частицы. Своим электрическим полем электроны притягивают к себе катионы, уравновешивая их взаимное отталкивание. Хотя электроны считаются свободными, их энергии не хватает для того, чтобы покинуть кристаллическую решетку, поэтому эти заряженные частицы постоянно находятся в ее пределах.
Присутствие электрического поля придает электронному газу дополнительную энергию. Соединение с ионами в кристаллической решетке металлов не является прочным, поэтому электроны легко покидают ее пределы. Электроны двигаются по силовым линиям, оставляя позади положительно заряженные ионы.
Выводы
Огромное значение изучению внутреннего строения вещества уделяет химия. Типы кристаллических решеток различных элементов определяют практически весь спектр их свойств.
Воздействуя на кристаллы и меняя их внутренне строение, можно добиться усиления нужных свойств вещества и удалить нежелательные, преобразовывать химические элементы.
Таким образом, изучение внутренней структуры окружающего мира может помочь познать суть и принципы устройства мироздания.
Кристаллическое строение металлов, схема и примеры
Металлы можно охарактеризовать при помощи нескольких свойств, которые будут общими для всех элементов. К таким характеристикам следует отнести высокую электрическую проводимость и теплопроводность, пластичность, благодаря которой металлы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке или вытягиванию в проволоку, металлический блеск и непрозрачность.
В зависимости от температуры кипения все металлы подразделяют на тугоплавкие (Tкип> 1000oС) и легкоплавкие (Tкип< 1000oС). Примером тугоплавких металлов может быть – Au, Cu, Ni, W, легкоплавких – Hg, K, Al, Zn.
Кристаллическое строение металлов
Кристаллическое строение металлов на практике изучают различными физико-химическими методами, которые условно можно поделить на две группы:
- методы изучения внутреннего строения металлов;
- методы изучения внешних форм металлов.
В первом случае для достижения поставленной цели чаще всего используют рентгеноструктурный анализ, с помощью которого можно установить тип и параметры кристаллических решеток металлов.
Кристаллические решетки бывают нескольких типов. Для большинства металлов характерны следующие типы кристаллических решеток:
- объемноцентрированная кубическая (Li, Na, K, V, Cr, Fe, Pb, W и т.д.);
- гранецентрированная кубическая (Al, Ca, Ni, Cu, Ag, Au и др.);
- гексагональная (Be, Mg, Cd, Ti, Co, Zn).
Элементарные ячейки решеток этих типов представлены на рис. 1.
Рис. 1. Виды кристаллических решеток металлов: а) объемноцентрированная кубическая; б) гранецентрированная кубическая; в) гексагональная.
Размеры, форму и взаимное расположение кристаллов в металлах изучают металлографическими методами, из которых наиболее полную оценку дает микроскопический анализ шлифа металла.
Кристаллы металлов чаще всего имеют небольшие размеры, следствием чего является тот факт, что металлы состоят из большого числа кристаллов (поликристаллическая структура). Когда металл кристаллизуется из расплава, то нередко возникает такая ситуация, когда кристаллы мешают друг другу принять кристаллическую форму, и чтобы отличить их от ограненных кристаллов их принято называть зернами.
Примеры решения задач
| Понравился сайт? Расскажи друзьям! |
Кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка металлов. Металлы в периодической системе Менделеева :: SYL.ru
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
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.
Медь Олово Цинк Свинец Чистый никель
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.
- Золото и платина
- Серебро
- 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.
- Иттрий
- Сканидий
- Лантан
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.
Щелочные металлы
Черные и цветные металлы
Выше была приведена классификация рассматриваемых элементов в соответствии с их электронным строением и положением в периодической системе. Помимо нее, существует еще одно разделение, которое не связано с атомным строением — это понятие о черных и цветных металлах.
Черным является железо и все сплавы с его участием. Примеры цветных металлов — это алюминий, золото, серебро, медь и другие, а также сплавы, которые не содержат железа.
Причина такого разделения проста, черные металлы являются дешевыми и недолговечными (разрушаются в результате коррозии, ржавеют).
Наоборот, цветные металлы характеризуются способностью образовывать пленки оксидные, которые предотвращают основную массу материала от дальнейшего химического разрушения.
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.
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.
Виды решёток
Элементарные кристаллические ячейки могут иметь различную конфигурацию. В связи с этим выделяют три типа кристаллических решёток:
- объемно-центрированная (ОЦК) кубическая – состоит из 9 ионов;
- гранецентрированная (ГЦК) кубическая – включает 14 ионов;
- гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – состоит из 17 ионов.
ОЦК представляет собой куб, в узлах которого находится по атому. В центре куба, на пересечении диагоналей располагается девятый ион. Этот тип характерен для железа, молибдена, хрома, вольфрама, ванадия.
Элементарной кристаллической ячейкой типа ГЦК является куб с ионами в узлах и в середине каждой грани – на пересечении диагоналей. Такое строение имеют медь, серебро, алюминий, свинец, никель.
Третий тип имеет вид гексагональной призмы, в узлах которой находится по шесть ионов с каждой стороны. Посередине между шестью узлами располагается по одному иону. В середине призмы между шестиугольными гранями находится равносторонний треугольник, который составляют три иона.
Рис. 2. Типы решёток.
Металл может содержать большое количество дефектов атомного строения. Дефекты влияют на свойства металла.
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.
Что такое металл и чем он отличается от неметалла?
Иными словами, как можно понять, что перед нами находится металлический материал? Ответы на все эти вопросы можно получить, если рассмотреть уникальные свойства металлов. К ним относятся следующие основные:
- Наличие металлического блеска при полировке поверхности. Все металлы блестят, в своем большинстве они имеют серый цвет, однако, некоторые металлы обладают специфической окраской, например, висмут розовый, медь красноватая, а золото желтое.
- Высокая теплопроводность и электропроводность. При комнатной температуре наиболее высокие показатели для этих физических свойств характерны для меди и серебра.
- При комнатной температуре практически все металлы находятся в твердом агрегатном состоянии материи. Исключение составляет ртуть, которая плавится уже при -39 oC.
- Будучи в твердом состоянии, металлы кристаллическим строением характеризуются. Если расплав рассматриваемого материала слишком быстро охлаждать, то он приобретает аморфную структуру, в которой все же сохраняется ближний порядок.
- Температуры плавления и плотности металлов варьируются в широких пределах. Так, элемент вольфрам является самым тугоплавким (3410 oC). Самым же тяжелым считается осмий (в 22,6 раза плотнее воды), а самым легким — литий (почти в 2 раза менее плотный, чем вода).
- Все металлы химически активны. Поскольку они обладают низкой электроотрицательностью, то в химических реакциях их атомы отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы (катионы).
Выше в списке были перечислены основные свойства металлов, которые их отличают от неметаллических материалов. Примерами последних являются кислород, азот, благородные газы, сера, кремний, углерод и некоторые другие. Заметим, что все живые организмы состоят в основном из неметаллов.
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.
Периодическая таблица и металлы
ГОСТ 14918-80 — область применения и основные положения
В XIX веке благодаря своему блестящему уму и многим годам труда Дмитрий Иванович Менделеев составил таблицу, собрав в нее все известные на то время химические элементы. Каждому из них в таблице отведено определенное положение в соответствии с числом протонов в атомном ядре.
Вся таблица делится на 7 периодов (горизонтальные строки) и 8 групп (вертикальные строки). Чем больше период, тем больше радиус атома соответствующего элемента, и тем на более высоких орбиталях расположены его валентные электроны.
Наоборот, чем старше группа (движение по таблице слева направо), тем больше валентных электронов находится на последней орбитали и тем меньше радиус атома.
Любой элемент таблицы можно условно отнести либо к металлам, либо к неметаллам. Металлы расположены по левую сторону от диагонали бор (B) — полоний (Po). Если взглянуть на таблицу, то можно сразу понять, что количество металлов в несколько раз превышает число неметаллов.
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.
Строение сплавов
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.
Реальный кристалл металла
Какой бы химический металлический элемент не рассматривался, в действительности он представляет собой твердое вещество, в котором маленькие монокристаллы (зерна) соединены друг с другом в различных ориентациях. Такая структура образует поликристалл.
В нем, помимо границ зерен, присутствуют дефекты всех четырех типов, включая примеси таких неметаллов, как кислород, азот и водород.
Последний из-за своих размеров легко проникает в любую кристаллическую решетку, образует с ее ионами твердые фазы, которые приводят к охрупчиванию металла, что является одной из актуальных проблем металловедения.
Кристаллическое строение металлов
Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.
Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не рядом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях.
В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками.
В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки.
Величина их в металлах порядка 0,1–0,7 нм, размеры элементарных ячеек — 0,2–0,3 нм.
Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической решетки необходимо знание величин параметров a, b, c и углов между ними.
В 1848 г. Французский ученый Бравэ показал, что изученные трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов кристаллических решеток.
Для характеристики кристаллических решеток вводят понятия координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом I называется число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома.
Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и ГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГП.
В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГП их 12.
Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. Е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.
Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки: где R — радиус атома (иона); n — базис, или число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку; V — объем элементарной ячейки.
Для простой кубической решетки n = (1/8) ? 8 = 1; V = a3 = (2R)3, коэффициент компактности Q = 52 %.
На решетку ОЦК приходится два атома: один центральный и один как сумма от вершин куба, так как ячейке принадлежит 1/8 атома от каждого угла.
Для ОЦК решетки n = (1/8) ? 8 + 1 = 2. Учитывая, что атомы соприкасаются по диагонали куба, длина которой равна 4 атомным радиусам, параметр решетки а коэффициент компактности QОЦК = 68 %.
Проведя аналогичные вычисления, найдем QГЦК = 74 %, QГП = 74 %.
Таким образом, решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.
Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом a (a-Fe), при более высокой индексом b, затем y и т.д (где а – альфа, b – бетта и y – гамма).
- Известны полиморфные превращения железа:
- Fea
Кристаллические решетки: просто и понятно об их значении в химии
Твердое вещество является одним из четырех фундаментальных состояний вещества. Оно характеризуется структурной жесткостью и сопротивлением к изменениям формы или объему.
В твердых телах молекулы плотно упакованы и упорядочены в структуры определенного типа.
Атомы, молекулы или ионы, которые составляют твердые вещества, могут быть расположены упорядоченным повторяющимся рисунком или нерегулярно.
Материалы, составные части которых расположены в регулярном порядке, называются кристаллы.
Кристалл или кристаллическое твердое тело представляет собой твердый материал, компоненты которого — атомы, молекулы или ионы — расположены в высокоупорядоченной микроскопической структуре, образуя кристаллическую решетку, которая простирается во всех направлениях.
Кристаллической решеткой вещества называется трехмерная система размещения структурных частиц твердого вещества.
В зависимости от типа частиц, находящихся в их узлах, различают два основных вида кристаллических решеток — ионные и ковалентные.
Определение
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.
Распайка выводов разъема СКАРТ (SCART)
Что такое металлическая кристаллическая решетка: обобщенная терминология и свойства
Если ранее описанные КР имели по узлам только один компонент, то металлическая кристаллическая решетка состоит из структур множественного повторения, в точках соединения которых имеется 2 типа ячеек.
Первые – ионы с положительным зарядом, а вторые – нейтральные атомы. Между узлами КР свободно передвигаются относительно свободные электроны. Со схемой металлической решетки можете ознакомиться на рисунке выше.
1) Особенности строения и классификация металлической кристаллической решетки
В зависимости от межатомного расстояния, кристаллические соединения в сплавах и чистых структурах металлов могут разбиваться на 2 подвида – изотропные и анизотропные. В первом случае расстояние между ионами и атомами в узлах структуры равно.
Колебания могут составлять от 0.1% до 3%, не более. Если расстояние между узлами кристаллической решетки вдоль и вверх различается, получаемый кристалл относят к анизотропному.
Четкое представление об параметрах таких КР можно получить только после изучения направления.
Важно: на практике практически нереально встретить металлы либо их сплавы, которые будут располагать четкой однородной структурой. В 95%+ случаев, металлический элемент из множества кристаллов имеет разнобойной кристаллической решетке. По данной причине была создана еще одна категория в кристаллическом строении, именуемая квазиизотропная.
Второй параметр в металлических кристаллических решетках, который дал толчок к вводу еще одной классификации, – это межатомное расстояние близлежащих элементов. Здесь используется обособленная единица измерения — ангстрем. Среднее значение для различных металлов в чистом виде составляет порядка 3-7 ангстрем.
Классификация КР по типу:
- Куб. Решетка имеет правильную форму с объемным центрированием. Число содержащихся узлов соединения – 9. Пример металла с кубической кристаллической решеткой является железо.
- Куб с центрированными гранями. Здесь уже число узлов соединения увеличено до четырнадцати. Гранецентрированная КР имеется у золота, свинца и прочих цветных + драгоценных металлах.
- Гексагональ. Кристаллическая решетка содержит уже целых 17 узлов с крайне плотным размещением друг к другу. Актуальна такая геометрия цинку, магнию и так далее.
Особенно поражает железо, ведь при нагревании выше температуры в 920 градусов по Цельсию, его кристаллическая решетка преобразуется из обычной кубической в кубическую с центрированными гранями.
2) Свойства металлической кристаллической решетки
Свойства металлов напрямую зависят от кристаллической структуры, а это значит, что большинство характеристик элементов равны параметрам КР. Как и в других направлениях, свойства металлической кристаллической решетки квалифицируются на 2 категории – физические и химические. К общим физическим свойствам металлов я отнесу:
- ковкость;
- пластичность;
- тягучесть;
- характерный металлический отблеск;
- теплопроводимость;
- электропроводимость.
Отмечу, что физические свойства для различных чистых элементов в металлах могут иметь большую разницу. К примеру, ряд «Ag Cu Au Al Mg Zn Fe РЬ Hg» имеет меньшее значение проводимости тепла и тока.
Сюда же отнесу разделение на цветные и черные металлы, а также классификацию в зависимости от плотности (легкие и тяжелые), твердости (мягкие и твердые) и температуры плавления (легкоплавкие и тугоплавкие).
12 физ. и хим. характеристик металла, что плавится в руках
К общим химических свойствам металлов отнесу:
- являются восстановителями;
- взаимодействие с кислородом и образование в результате оксидов;
- взаимодействие с галогенами;
- активные металлы могут вступать в реакцию с водородом;
- получение сульфидов при химических реакциях с серой;
- часть элементов среди металлов могут сотрудничать с азотом, выделяя нитриды;
- получение карбидов при контакте с углеродом;
- фосфиды – результат связей с фосфором;
- получение интерметаллических соединений за счет взаимодействия между металлическими компонентами.
Особенно интересным химическим взаимодействием я считаю соитие металлов при воздействии температур. В процессе нагрева элементы растворяются друг в друге, и, как результат, мы получаем металлический сплав. О них я далее также скажу пару слов.
3) Металлическая кристаллическая решетка в сплавах
Сплавом считается соединение сразу нескольких химических элементов. В большинстве случаев – это металлы, но нельзя сбрасывать со счетов и соединения, в которых имеются вкрапления неметаллов. Простейший пример сплава металла и неметалла, — это углерод.
Обратите внимание: если вкрапливаемый элемент в сплав приносит ему практическую пользу (например, улучшает коррозийную стойкость), такую присадку называют легирующей, в обратном случае получаем вредную примесь.
В металлургии имеется такое понятие как механическая смесь – это разновидность сплава, у которого кристаллические решетки компонентов не способны взаимно раствориться. Получаемое соединение мало используется в металлургии, но как явление все же существует.
6 шагов, как отличить медь от латуни в домашних условиях
Качественная взаимосвязь компонентов характерна для:
- твердых растворов. Когда атомы элемента-помощника внедряются внутрь кристаллической решетки базового компонента соединения;
- химические сплавы. Наиболее качественные метод соединения металлов. Результатом становится новая кристаллическая решетка, образованная из молекул обоих компонентов в более-менее равной мере.
В зависимости от долевого вкрапления легирующих добавок, физика и химия поведения сплавов может значительно отличаться друг от друга. Особенно чувствительны в этом плане компоновки из металлов и неметаллов.
Конечный этап процесса химического соединения металлических элементов называют первичной кристаллизацией.
После нагрева элемента до нужной температуры (температура плавления), наступает этап смешивания и последующее остывание.
На последней стадии происходит образование центральных элементов кристаллизации, вокруг которых и собирается полноценная кристаллическая решетка сплава из повторяющихся ячеек центра.
Центральными элементами могут быть:
- ячейки вдоль каемки литейного оборудования, где остывание происходит быстрее всего;
- неметаллические элементы, попавшие в сплав;
- легирующие элементы с высоким запасом тугоплавкости.
Рост кристаллов в 90% случаев протекает вдоль температурного градиента. Наткнувшись на препятствие, структура приобретает древовидный вид. При стыке двух таких элементов, происходит образование зерен, из которых и образуется тело поликристаллического типа.
Отдельные кристаллы, которые встретили препятствие на поздних стадиях своего роста, могут вырастать до 8 000 – 11 000 микрон. Их пространственное положение не имеет четкого направления, а подается вразброс.
Вся совокупность мелких + крупных зерен и составляет новое образование, именуемое сплавом.
7 областей применения самого легкоплавкого металла
Разбор терминологии и свойств по металлической кристаллической решетке:
Виды решеток
В зависимости от частиц кристаллической решетки существует четырнадцать типов оной, приведем наиболее популярные из них:
Металлическаякристаллическая решетка. Далее более подробно опишем все типы кристаллической решетки.
Атомная 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.
Семь типов кристаллических решеток
Есть семь разных кристаллических систем. Они были обнаружены в 1781 году отцом Рене Джаст Хауи. Он случайно заметил, что некоторые камни имеют идеальную форму. После многих лет исследований он разработал свою теорию о структуре кристаллов. В 1848 году Огюст Браве показывает, что может быть только семь типов элементарной кристаллической сетки.
Системы характеризуют различные геометрические формы, которые может иметь кристаллическая сетка.
Каждая из этих систем определяется своими осями: три размерных параметра (длина осей) и три угловых параметра (углы, образованные двумя осями). Условно мы называем abc длинами осей и α β и γ углами, образованными осями. Они размещены в пространстве следующим образом:
Каждая ячейка, представляющая систему, также имеет определенное количество симметрий. Эти симметрии бывают трех типов:
- центральный (отмечен С): точка является центром симметрии сетки;
- плоскости (отмечено P): плоскость является плоскостью симметрии сетки;
- осевой (О): поворот на определенный угол вокруг оси симметрии возвращает сетку в положение, идентичное исходному.
Эти симметрии имеют четыре порядка:
- двоичные ( обозначено L 2 ): вращение на 180 ° (π рад)
- троичное (обозначено L 3 ): вращение на 120 ° (2π/3 рад)
- четвертичное (отмечено L 4 ): Вращение на 90 ° (π/2 рад.)
- гексагональное (отмечено L 6 ): вращение на 60 ° (π/3 рад.)
Кубическая (или изометрическая) решетка
| a = b = c: три оси имеют одинаковую длину α = β = γ= 90 °: три угла равны и прямые Симметрии: C, 3 L 4 , 4 L 3, 6L 2, 9 P Базовый элемент — это куб. |
Квадратичная (или тетрагональная) решетка
| a = b ≠ c: две оси имеют одинаковую длину, а третья ось различается. α = β = γ= 90 °: три угла равны и прямые Симметрии: C, L 4 , 4L2, 5 P Основным элементом является правая призма с квадратным основанием. |
Орторомбическая кристаллическая решетка
| a ≠ b ≠ c: три оси имеют разную длину α = β = γ= 90 °: три угла равны и прямые Симметрии: C, 3 L 2, 3 P Основной элемент — прямоугольный параллелепипед. |
Моноклинная решетка
| a≠b≠c : три оси имеют неравную длину. β = γ= 90 °≠α: два угла равны и прямые. Симметрии: C, L 2 , P Основным элементом является наклонная призма, в основании которой ромб. |
Триклинная решетка
| a≠b≠c: три оси имеют неравную длину. α≠β ≠ γ≠ 90 °: три угла разные. Симметрии: C, L 2 , P Основной элемент — это параллелепипед с основанием ромб. |
Ромбоэдрическая решетка
| a = b = c: три оси имеют одинаковую длину α = β = γ≠ 90 °: три угла равны и прямые Симметрии: C, L 3 , 3 L 2 , P Основным элементом является параллелепипед все плоскости которого — ромбы. |
Металлическая 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.
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).
Видео
И в завершение подробное видео пояснения о свойствах кристаллических решеток.
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.
Физические свойства металлической связи
Физические характеристики металлических кристаллов обусловлены способностью обобществленных электронов свободно перемещаться внутри кристалла.
Характеристики, отличающие подобные вещества:
- хорошая электропроводность, благодаря наличию условно свободного электронного облака;
- высокая проводимость тепла;
- низкая реакционная способность или инертность;
- пластичность— большинство металлов можно гнуть и ковать.
Высокий уровень организации вещества обусловливает металлический блеск. Следует иметь в виду, что повышение прочности при пластической деформации и легировании приводит к образованию частично ковалентной связи.
При деформации могут возникать области повышенной прочности и низкими пластическими свойствами, похожие на вещества с ковалентной связью (например, алмаз).
Загрузка...
