Атомно-кристаллическое строение металлов

Вещества в твердом состоянии имеют кристаллическое или аморфное строение.

Кристаллическое строение имеют большинство минералов, а так же всеметаллы и сплавы.

Свойства кристаллических тел (металлов и сплавов):

1) атомы металлов располагаются в строго определенном порядке;

2) имеют определенную температуру плавления;

3) монокристаллы металлов анизотропы (их свойства зависят от направления); поликристаллы изотропны (их свойства не зависят от направления).

Аморфное строение имеют: смола, кварцевое стекло, битум, янтарь.

Свойства аморфных тел:

1) атомы располагаются хаотически (беспорядочно);

2) не имеют определенной температуры плавления; при нагревании аморфные вещества размягчаются и переходят в жидкое состояние в широком диапазоне температур;

3) аморфные тела анизотропны (их свойства зависят от направления).

 

Атомы (ионы) в металле располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов.

Кристаллическая решетка изображается с помощью элементарной кристаллической ячейки.

Элементарная кристаллическая ячейка - это минимальное число атомов, при многократном повторении которого воспроизводится вся решетка металла в целом.

Элементарная кристаллическая ячейка - это наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре всего металла.

 

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. Чаще всего встречаются кристаллические решетки трех типов:

 

 

1. Объемно-центрированная кубическая (ОЦК)

Такую решетку имеют: альфа-железо (α-Fe), хром Cr, бетта-титан (β-Ti), вольфрам W, ванадий Va, молибден Mo.

2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК)

Такую решетку имеют: гамма-железо (ϒ-Fe), медь Cu, алюминий Al, золото Au, серебро Ag, никель Ni.

3. Гексогональная плотноупакованная (ГПУ)

Такую решетку имеют: магний Mg, альфа-титан (α-Ti), цинк Zn, кобальт Co, кадмий Cd.

 

Точечное расположение атомов в кристаллической решетке является условным, так как в действительности атомы имеют определенный размер и могут соприкасаться друг с другом.

Характеристики кристаллических решеток

 

Расстояния между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называются периодами решетки или параметрами. (обозначаются малыми буквами – а, в, с…)

Периоды решетки измеряются в ангстремах (1А=10 см, 1нм=10 см)

Параметры решетки металлов находятся в пределах 0,2…0,7нм, и определяются методом рентгено-структурного анализа.

Плотность кристаллической решетки, то есть объем, занятый атомами, характеризуется координационным числом.

Координационное число – это число атомов, находящихся на равном наименьшим расстоянии от данного атома. Чем больше координационное число, тем больше плотность упаковки атома.

ОЦК - координационное число К8;

ГЦК - координационное число К12;

ГПУ - координационное число Г12.

 

Металлическая связь

Металл представляет собой совокупность закономерно расположенных в кристалле положительно заряженных ионов, окруженных отрицательно заряженными частицами-электронами, слабо связанными с ядром. Эти коллективизированные (общие) электроны непрерывно перемещаются внутри металла, при этом образуя «электронный газ». Между ионами и коллективизированными электронами проводимости возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы, компенсируя силу отталкивания. Такая связь называется металлической связью.

Хотя в узлах кристаллической решетки располагаются ионы, между которыми движутся электроны, но обычно говорят не ионы, а атомы.

 

Анизотропия

Вследствие того, что расстояние между атомами в кристаллической решетке в разных направлениях различно, многие свойства (химические, физические, механические и др.) кристалла зависят от направления.

Подобная неодинаковость свойств монокристалла в различных кристаллографических направлениях называется анизотропией.

Технические металлы являются поликристаллами и состоят из большого количества анизотропных кристаллов. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что свойства поликристалла во всех направлениях более или менее одинаковы.

Поэтому поликристаллическое тело можно считать изотропным.