Кристаллическая решетка характерная для металлов и сплавов

Обновлено: 21.09.2024

Металлы – это группа элементов периодической таблицы Менделеева, которые являются восстановителями с положительной степенью окисления, обладают твердостью, пластичностью и упругостью, обусловленными их кристаллическим строением.

Кристаллические решетки металлов представляют собой атомы, упорядоченные определенным образом. В состав каждого атома входят несколько отрицательно заряженных электронов и положительно заряженное ядро. Атомы металлов мало электронов, поэтому они являются ионами. Единица кристаллической решетки представляет собой элементарную кристаллическую ячейку, в гранях и узлах которой находятся ионы. Вместе их удерживают металлические связи, которые возникают в результате беспорядочного движения отделившихся от атомов электронов. Отрицательно заряженные электроны держат на равном расстоянии положительно заряженные электроны.

Подавляющему большинству металлов свойственно образование высокосимметричных кристаллических решеток с плотной упаковкой атомов. Самыми распространенными типами кристаллических решеток атомов являются:

Объемно-центрированная кубическая кристаллическая решетка, которая представляет собой куб с дополнительными атомами, которые находятся в центре. Такая решетка имеется у железа, хрома, вольфрама, молибдена и ванадия.
Гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка, которая представляет собой куб с дополнительными атомами, находящиеся центре каждой грани. Такая решетка имеется у железа, алюминия, меди, никеля, а также золота.
Гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка с шестиугольниками в нижнем и верхнем основаниях, которые образованы расположенными там атомами, а также одним атомом в центре каждого шестиугольника. Внутри каждой фигуры находится три атома. Такая решетка имеется у кадмия, цинка, магния и других металлов.
Тетрагональная кристаллическая решетка получается в результате растягивания куба вдоль одной оси. Данный тип решетки может быть гранецентрированным и объемноцентрированным. Такую решетку имеют радий и индий.

Готовые работы на аналогичную тему

У некоторых видов металлов кристаллическая решетка изменяется в результате изменения температуры. Данное явления называется аллотропией или полиморфизм. Такое явления может быть причиной изменения свойств металла, а характерно оно для цинка, железа, олова и циркония.

Кристаллическое строение сплавов

Сплав – это вещество, которое получается в результате сплавления двух и более элементов.

Составляющими сплава могут быть неметаллы и металлы. Кроме основных элементов в сплаве могут присутствовать примеси. Примеси могут улучшать и ухудшать свойства сплава. Кристаллическое строение сплава значительно сложнее нежели, чем у металла. Его кристаллическое строение напрямую зависит от взаимодействия компонентов сплава, которые образуют в процессе кристаллизации однородные объемы, которые разграничены поверхностями раздела. Компоненты в сплаве могут образовывать:

Химическое соединение. В данном случае компоненты сплава химически взаимодействуют, в результате чего образуется новая кристаллическая решетка, которая отличается от решеток компонентов. В большинстве случаев, химические соединения образуются из тех компонентов, которые имеют существенные различия в электронном строении атомов и в типах кристаллических решеток.
Твердый раствор. В данном случае компоненты сплава взаимнорастворимы. Один из компонентов твердого раствора сохраняет свою кристаллическую решетку, а второй компонент в виде отдельных атомов распределяется внутри кристаллической решетки первого, при этом форма решетки первого компоненты не изменяется, а размеры изменяются незначительно. Атомы растворяющегося элемента либо замещают в кристаллической решетке часть атомов растворителя, либо размещаются между атомами металла растворителя. Твердые растворы внедрения могут образовываться в том случае, когда диаметры атомов растворенного компонента значительно меньше диаметра атома металла растворителя, а также имеют близкое строение валентной оболочки.
Механическая смесь. В данном случае составляющие сплава обладают полной взаимной нерастворимостью и имеют различные кристаллические решетки. Таким образом сплав будет состоять из смеси кристаллов составляющих его компонентов. У механической смеси постоянная температура плавления. Механическая смесь, которая образовалась в результате одновременной кристаллизации из расплава называется эвтектикой, а та, которая образовалась в процессе превращения в твердом состоянии, - эвтектоид. Примером эвтектики в белых чугунах является ледебурит, а примером эвтектоида - перлит в чугунах и сталях.

Для кристаллических решеток характерны разнообразные структурные несовершенства, которые могут значительно изменять свойства. У реального единичного кристалла всегда есть наружная (свободная) поверхность, на которой из-за поверхностного натяжения кристаллическая решетка искажена. Данное искажение может распространиться на зону, которая прилегает к свободной поверхности. Дефекты внутреннего строения делятся на линейные (цепочки вакансий, смещение атомных дислокаций и плоскостей) плоскостные и точечные (дислоцированные атомы, вакансии, примесные атомы и т.п.). Дефекты кристаллической решетки оказывают существенное влияние на протекание таких процессов, как самодиффузия и диффузия, которыми определяются скорости химических реакций и ионная проводимость кристаллов.

1. Типы кристаллических решёток

Большинство твёрдых веществ имеет кристаллическое строение, которое характеризуется строго определённым расположением частиц.

Если соединить частицы условными линиями, то получится пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой .

Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки. В узлах воображаемой решётки могут находиться атомы, ионы или молекулы.

В зависимости от природы частиц, расположенных в узлах, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решёток: ионную , металлическую , атомную и молекулярную .

Их образуют вещества с ионной связью. В узлах такой решётки располагаются положительные и отрицательные ионы, связанные между собой электростатическим взаимодействием.

Ионы могут быть простые или сложные. Например, в узлах кристаллической решётки хлорида натрия находятся простые ионы натрия Na + и хлора Cl − , а в узлах решётки сульфата калия чередуются простые ионы калия K + и сложные сульфат-ионы S O 4 2 − .

Связи между ионами в таких кристаллах прочные. Поэтому ионные вещества твёрдые , тугоплавкие , нелетучие . Такие вещества хорошо растворяются в воде .

Металлическими называют решётки, которые состоят из положительных ионов и атомов металла и свободных электронов.

Их образуют вещества с металлической связью. В узлах металлической решётки находятся атомы и ионы (то атомы, то ионы, в которые легко превращаются атомы, отдавая свои внешние электроны в общее пользование).

Температуры плавления металлов могут быть разными (от \(–37\) °С у ртути до двух-трёх тысяч градусов). Но все металлы имеют характерный металлический блеск , ковкость , пластичность , хорошо проводят электрический ток и тепло .

Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы, соединённые ковалентными связями.

Такой тип решётки имеет алмаз — одно из аллотропных видоизменений углерода. К веществам с атомной кристаллической решёткой относятся графит , кремний , бор и германий , а также сложные вещества, например, карборунд SiC и кремнезём , кварц , горный хрусталь , песок , в состав которых входит оксид кремния(\(IV\)) Si O 2 .

Таким веществам характерны высокая прочность и твёрдость . Так, алмаз является самым твёрдым природным веществом.

У веществ с атомной кристаллической решёткой очень высокие температуры плавления и кипения . Например, температура плавления кремнезёма — \(1728\) °С, а у графита она выше — \(4000\) °С.

Молекулярными называют решётки, в узлах которых находятся молекулы, связанные слабым межмолекулярным взаимодействием.

Несмотря на то, что внутри молекул атомы соединены очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую прочность и твёрдость , низкие температуры плавления и кипения .

Такие вещества летучи . Например, кристаллические иод и твёрдый оксид углерода(\(IV\)) («сухой лёд») испаряются, не переходя в жидкое состояние.

Такой тип решётки имеют простые вещества в твёрдом агрегатном состоянии: благородные газы с одноатомными молекулами ( He , Ne , Ar , Kr , Xe , Rn ), а также неметаллы с двух- и многоатомными молекулами ( H 2 , O 2 , N 2 , Cl 2 , I 2 , O 3 , P 4 , S 8 ).

Молекулярную кристаллическую решётку имеют также вещества с ковалентными полярными связями: вода — лёд , иод , твёрдые аммиак , кислоты , оксиды большинства неметаллов . Большинство органических соединений тоже представляют собой молекулярные кристаллы ( нафталин , сахар , глюкоза ).

Попробуем определить, каковы примерно температуры плавления у фторида натрия , фтороводорода и фтора .

У фторида натрия — ионная кристаллическая решётка. Значит, его температура плавления будет высокой. Фтороводород и фтор имеют молекулярные кристаллические решётки. Поэтому их температуры плавления будут невысокими. Молекулы фтороводорода полярные, а фтора — неполярные. Значит, межмолекулярное взаимодействие у фтороводорода будет сильнее, и его температура плавления будет выше по сравнению со фтором.

Экспериментальные данные подтверждают эти предположения: температуры плавления NaF , HF и F 2 составляют соответственно \(995\) °С, \(–83\) °С, \(–220\) °С.

Кристаллическое строение металлов

Металлы – особая группа элементов в периодической таблице Менделеева. В отличие от неметаллов элементы этой группы являются исключительно восстановителями с положительной степенью окисления, а также обладают пластичностью, твёрдостью, упругостью, что обусловлено кристаллическим строением металлов.

Общее строение

Металлы – твёрдые вещества, имеющие кристаллическое строение. Исключение составляет ртуть – жидкий металл. Кристаллические решётки представляют собой упорядоченные определённым образом атомы металла. Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и нескольких отрицательно заряженных электронов. В атомах металлов недостаточно электронов, поэтому они являются ионами.

Единица кристаллической решётки – элементарная кристаллическая ячейка, в условных узлах и на гранях которой находятся положительно заряженные ионы. Их удерживают вместе металлические связи, возникающие за счёт беспорядочного движения отделившихся от атомов электронов (благодаря чему атомы превратились в ионы).

Отрицательно заряженные электроны держат на равном расстоянии положительно заряженные электроны, предавая кристаллической решётке правильную геометрическую форму.

Рис. 1. Схема металлической связи.

Свободное движение электронов обусловливает электро- и теплопроводность металлов.

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.

Характеристика решётки

Кристаллические решётки характеризуются компактностью или степенью наполненности. Компактность определяют показатели:

параметр решётки – расстояние между атомами;
число атомов;
координационное число – количество соседних ячеек;
плотность упаковки – отношение объёма, занимаемого атомами, к полному объёму решётки.

При подсчёте количества атомов следует помнить, что атомы в узлах и на гранях входят в состав соседних ячеек.

Рис. 3. Кристаллические ячейки составляют решётку.

Что мы узнали?

Узнали кратко об атомно-кристаллическом строении металлов. Металлы – твёрдые кристаллические вещества. Единицей решётки является элементарная кристаллическая ячейка. Благодаря металлическим связям ионы в узлах ячеек удерживаются на одинаковом расстоянии. Различают три типа кристаллических решёток – ОЦК, ГЦК и ГПУ, отличающихся количеством атомов и геометрической формой.

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.

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.

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.

Физические свойства металлов

Физические свойства определяются внутренним строением металлов.

Главное отличие металлов от других элементов — это их электропроводность и магнитные свойства.

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.

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.

Читайте также: