Наиболее часто металлы имеют кристаллические решетки следующих типов: Кубическая объемно-центрированная или сокращенно ОЦК (свинец, вольфрам) 9 атомов; Кубическая гранецентрированная (ГЦК) (серебро, золото) 14 атомов; гексагональная плотно-упакованная (ГПУ) (магний, цинк). Решетки ГЦК и ГПУ более компактны, чем ОЦК.
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.
Основу ОЦК-решетки составляет элементарная кубическая ячейка (рис. 1.2,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. 1.2, 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. 1.2, 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.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения:
Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет.
8588 – | 7405 – или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock! и обновите страницу (F5)
очень нужно
Одним из самых распространенных материалов, с которым всегда предпочитали работать люди, был металл. В каждую эпоху предпочтение отдавалось разным видам этих удивительных веществ. Так, IV-III тысячелетия до нашей эры считаются веком хальколита, или медным. Позже его сменяет бронзовый, а затем в силу вступает тот, что и по сей день является актуальным – железный.
Сегодня вообще сложно представить, что когда-то можно было обходиться без металлических изделий, ведь практически все, начиная от предметов быта, медицинских инструментов и заканчивая тяжелой и легкой техникой, состоит из этого материала или включает в свой состав отдельные части из него. Почему же металлы сумели завоевать такую популярность? В чем проявляются особенности и как это заложено в их строении, попробуем разобраться далее.
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: Капролон или полиуретан что лучше
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.
Физические свойства меди:
| 204 | Радиус атома (вычисленный) | 145 пм |
| 205 | Эмпирический радиус атома* | 135 пм |
| 206 | Ковалентный радиус* | 132 пм |
| 207 | Радиус иона (кристаллический) | Cu + (в скобках указано координационное число – характеристика, которая определяет число ближайших частиц (ионов или атомов) в молекуле или кристалле) |
| 208 | Радиус Ван-дер-Ваальса | 140 пм |
| 209 | Электроны, Протоны, Нейтроны | 29 электронов, 29 протонов, 35 нейтронов |
| 210 | Семейство (блок) | элемент d-семейства |
| 211 | Период в периодической таблице | 4 |
| 212 | Группа в периодической таблице | 11-ая группа (по старой классификации – побочная подгруппа 1-ой группы) |
| 213 | Эмиссионный спектр излучения | |
| 306 | Энергия сродства атома к электрону | 119,235(4) кДж/моль (1,23578(4) эВ) |
| 400 | Физические свойства | |
| 401 | Плотность* | 8,96 г/см 3 (при 20 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – твердое тело), |
8,02 г/см 3 (при температуре плавления 1084,62 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – жидкость),
7,962 г/см 3 (при 1127 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – жидкость), 7,881 г/см 3 (при 1227 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – жидкость), 7,799 г/см 3 (при 1327 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – жидкость), 7,471 г/см 3 (при 1727 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – жидкость), 7,307 г/см 3 (при 1927 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – жидкость),
7,225 г/см 3 (при 2027 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – жидкость), 7,102 г/см 3 (при 2177 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – жидкость)
Свойства металлов
К специфическим свойствам рассматриваемых веществ относят следующие.
- Металлический блеск. Все представители простых веществ им обладают, причем большинство одинаковым серебристо-белым цветом. Лишь некоторые (золото, медь, сплавы) отличаются.
- Ковкость и пластичность – способность деформироваться и восстанавливаться достаточно легко. У разных представителей выражена в неодинаковой мере.
- Электропроводность и теплопроводность – одно из основных свойств, которое определяет области применения металла и его сплавов.
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.
1.5. Аллотропия металлов
Некоторые металлы, например, железо, титан, олово и др. способны по достижении определенных температур изменять кристаллическое строение, т. е. изменять тип элементарной ячейки своей кристаллической решетки. Это явление получило название аллотропии
или
полиморфизма
, а сами переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными.
На рис. 1.7 показано изменение свободной энергии
F
от температуры
t
для двух вариантов кристаллического строения железа: ОЦК (кривая
1
) и ГЦК (кривая
2).
В интервале температур 911-1392 о C железо имеет решетку ГЦК, так как при этом его свободная энергия меньше. При t 1392°С, у него должна быть решетка ОЦК, обладающая меньшей свободной энергией.
Атомно-кристаллическое строение металлов
В чем же заключается такое строение, чем характеризуется? Само название говорит о том, что все металлы представляют собой кристаллы в твердом состоянии, то есть при обычных условиях (кроме ртути, которая является жидкостью). А что такое кристалл?
Это условное графическое изображение, построенное путем пересечения воображаемых линий через атомы, которые выстраивают тело. Другими словами, каждый металл состоит из атомов. Они располагаются в нем не хаотично, а очень правильно и последовательно. Так вот, если мысленно соединить все эти частицы в одну структуру, то получится красивое изображение в виде правильного геометрического тела какой-либо формы.
Это и принято называть кристаллической решеткой металла. Она очень сложная и пространственно объемная, поэтому для упрощения показывают не всю ее, а лишь часть, элементарную ячейку. Совокупность таких ячеек, собранная вместе и отраженная в трехмерном пространстве, и образует кристаллические решетки. Химия, физика и металловедение – это науки, которые занимаются изучением особенностей строения таких структур.
Сама элементарная ячейка – это набор атомов, которые располагаются на определенном расстоянии друг от друга и координируют вокруг себя строго фиксированное число других частиц. Она характеризуется плотностью упаковки, расстоянием между составными структурами, координационным числом. В целом все эти параметры являются характеристикой и всего кристалла, а значит, отражают и проявляемые металлом свойства.
Читать также: Как открыть мебельный степлер
Существует несколько разновидностей кристаллических решеток. Объединяет их все одна особенность – в узлах находятся атомы, а внутри располагается облако электронного газа, которое формируется путем свободного передвижения электронов внутри кристалла.
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).
Рис. 1. Схема металлической связи.
Свободное движение электронов обусловливает электро- и теплопроводность металлов.
Типы кристаллических решеток
Четырнадцать вариантов строения решетки принято объединять в три основных типа. Они следующие:
- Объемно-центрированная кубическая.
- Гексагональная плотноупакованная.
- 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.
Объемно-центрированная решетка
Строение кристаллической решетки металлов данного типа представляет собой следующую структуру. Это куб, в узлах которого находится восемь атомов. Еще один располагается в центре свободного внутреннего пространства ячейки, что и объясняет название «объемно-центрированная».
Это один из вариантов наиболее простого строения элементарной ячейки, а значит, и всей решетки в целом. Такой тип имеют следующие металлы:
- молибден;
- ванадий;
- хром;
- марганец;
- альфа-железо;
- бетта-железо и другие.
Основные свойства таких представителей – высокая степень ковкости и пластичности, твердость и прочность.
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.
Гранецентрированная решетка
Кристаллическое строение металлов, имеющих гранецентрированную кубическую решетку, представляет собой следующую структуру. Это куб, который включает в свой состав четырнадцать атомов. Восемь из них формируют узлы решетки, а еще шесть расположены по одному на каждой грани.
Подобную структуру имеют:
Основные отличительные свойства – блеск разного цвета, легкость, прочность, ковкость, повышенная устойчивость к коррозии.
Кристаллическая решётка меди:
500
| Кристаллическая решётка | ||
| 511 | Кристаллическая решётка #1 | |
| 512 | Структура решётки | Кубическая гранецентрированная |
| 900 | Дополнительные сведения | |
| 901 | Номер CAS | 7440-50-8 |
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.
- Точечные. Они бывают трех основных видов: вакансии, примеси или дислоцированные атомы. Приводят к ухудшению магнитных свойств металла, электро- и теплопроводности его.
- Линейные, или дислокационные. Выделяют краевые и винтовые. Ухудшают прочность и качество материала.
- 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.
1.4. Анизотропия в кристаллах
Под анизотропией
понимается неодинаковость механических и других свойств в кристаллических телах вдоль различных кристаллографических направлений. Она является естественным следствием кристаллического строения, так как на различных кристаллографических плоскостях и вдоль различных направлений плотность атомов различна.
Например, в кубических решетках (см. рис. 1.2, б, в) по направлениям вдоль ребер насчитывается меньше атомов, чем вдоль диагоналей куба в ОЦК-решетке или диагоналей граней в ГЦК-решетке. На плоскостях, проходящих через грани ОЦК- и ГЦК-решеток, находится меньше атомов, чем на диагональных плоскостях.
Поскольку механические, физические и химические свойства вдоль различных направлений зависят от плотности находящихся на них атомов, то перечисленные свойства вдоль различных направлений в кристаллических телах должны быть неодинаковыми.
Анизотропия проявляется только в пределах одного монокристалла или зерна-кристаллита. В поликристаллических телах она не наблюдается из-за усреднения свойств по каждому направлению для огромного количества произвольно ориентированных друг относительно друга зерен. Поэтому реальные металлы являются квазиизотропными телами, т. е. псевдоизотропными.
Рис. 1.5. Элементарная ячейка решетки ОЦК
Сдвиг в кристалле происходит наиболее легко вдоль атомных плоскостей с наиболее плотной упаковкой атомов. Рассмотрим объемно-центрическую кубическую решетку (ОЦК) (рис. 1.5):
Рис. 1.6. Плоскости решетки ОЦК
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: Как приделать пылесос к болгарке
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:
1.3. Кристаллографические направления и плоскости
Упорядоченность кристаллического строения в пространственной решетке позволяет выделить отдельные кристаллографические направления и плоскости.
Кристаллографическими плоскостями являются, например, плоскости граней кубов (рис. 1.4, б), а также их различные диагональные плоскости вместе с находящимися на них атомами (рис. 1.4, в, г). Для ГПУ-решеток кристаллографическими плоскостями могут быть плоскости оснований (рис. 1.2, г).
Для определения индекса какого-либо направления необходимо найти индекс ближайшего к данной точке отсчета атома, находящегося на данном направлении. Например, индекс ближайшего атома вдоль оси ОХ
обозначается цифрами 100 (рис. 1.4,а). Эт и цифры представляют собой координаты упомянутого атома относительно точки О, выраженные через количество параметров вдоль осей OX,
OY
и
OZ
соответственно.
Индексы направления ОХ и параллельных ему направлений обозначаются [100]. Соответственно направления OY
и
OZ
обозначаются [010] и [001]. Кристаллографические направления вдоль диагоналей граней
XOZ, XOY
и
YOZ
обозначают [101], [110] и [011]. Пользуясь указанной методикой, можно определить индекс любого направления. Например, индекс направления вдоль диагонали куба выразится так: [111].
Индексами плоскостей, параллельных плоскостям XOZ
и
YOZ,
окажутся выражения (010) и (100) (рис. 1.4, б). Индекс вертикальной диагональной плоскости куба выразится через (110), (рис. 1.2, в), а индекс наклонной плоскости, пересекающейся со всеми тремя осями координат на удалении одного параметра, примет вид (111) (см. рис. 1.4, г).
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.
Примечание:
205* Эмпирический радиус атома меди согласно [1] и [3] составляет 128 пм.
206* Ковалентный радиус меди согласно [1] и [3] составляет 132±4 пм и 117 пм соответственно.
401* Плотность меди согласно [3] составляет 8,92 г/см 3 (при 0 °C и при нормальных условиях, состояние вещества – твердое тело).
402* Температура плавления меди согласно [3] и [4] составляет 1083,4 °С (1356,55 K, 1982,12 °F) и 1083 °С (1356,15 K, 1981,4 °F) соответственно.
403* Температура кипения меди согласно [3] и [4] составляет 2567 °С (2840,15 K, 4652,6 °F) и 2543 °C (2816,15 К, 4609,4 °F) соответственно.
407* Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл) меди согласно [3] и [4] составляет 13,01 кДж/моль и 13 кДж/моль соответственно.
408* Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип) меди согласно [3] и [4] составляет 304,6 кДж/моль и 302 кДж/моль соответственно.
Источник
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.
- Металлическая кристаллическая решетка.
Далее более подробно опишем все типы кристаллической решетки.
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.
Дополнительные сведения:
| 402 | Температура плавления* | 1084,62 °C (1357,77 K, 1984,32 °F) |
| 403 | Температура кипения* | 2562 °C (2835 K, 4643 °F) |
| 404 | Температура сублимации | |
| 405 | Температура разложения | |
| 406 | Температура самовоспламенения смеси газа с воздухом | |
| 407 | Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл)* | 13,26 кДж/моль |
| 408 | Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип)* | 300,4 кДж/моль |
| 409 | Удельная теплоемкость при постоянном давлении | 0,384 Дж/г·K (при 20 °C) |
| 410 | Молярная теплоёмкость | 24,44 Дж/(K·моль) |
| 411 | Молярный объём | 7,1 см³/моль |
| 412 | Теплопроводность | 401 Вт/(м·К) (при стандартных условиях), 401 Вт/(м·К) (при 300 K) |
| 413 | Коэффициент теплового расширения | 16,5 мкм/(М·К) (при 25 °С) |
| 414 | Коэффициент температуропроводности | |
| 415 | Критическая температура | |
| 416 | Критическое давление | |
| 417 | Критическая плотность | |
| 418 | Тройная точка | |
| 419 | Давление паров (мм.рт.ст.) | 0,000000001 мм.рт.ст. (при 672°C), 0,00000001 мм.рт.ст. (при 727°C), 0,0000001 мм.рт.ст. (при 787°C), 0,000001 мм.рт.ст. (при 857°C), 0,00001 мм.рт.ст. (при 934°C), 0,0001 мм.рт.ст. (при 1025°C), 0,001 мм.рт.ст. (при 1133°C), 0,01 мм.рт.ст. (при 1264°C), 0,1 мм.рт.ст. (при 1419°C), 1 мм.рт.ст. (при 1617°C), 10 мм.рт.ст. (при 1910°C), 100 мм.рт.ст. (при 2312°C) |
| 420 | Давление паров (Па) | 1 Па (при 1509 K), 100 кПа (при 2834 K) |
| 421 | Стандартная энтальпия образования ΔH | 0 кДж/моль (при 298 К, для состояния вещества – твердое тело), 338 кДж/моль (при 298 К, для состояния вещества – газ) |
| 422 | Стандартная энергия Гиббса образования ΔG | 0 кДж/моль (при 298 К, для состояния вещества – твердое тело) |
| 423 | Стандартная энтропия вещества S | 33,15 Дж/(моль·K) (при 298 К, для состояния вещества – твердое тело), 166,3 Дж/(моль·K) (при 298 К, для состояния вещества – газ) |
| 424 | Стандартная мольная теплоемкость Cp | 24,4 Дж/(моль·K) (при 298 К, для состояния вещества – твердое тело), |
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.
1.1. Аморфные и кристаллические тела
В твердых телах атомы могут размещаться в пространстве двумя способами:
Аморфные вещества обладают формальными признаками твердых тел, т.е. они способны сохранять постоянный объем и форму. Однако они не имеют определенной температуры плавления или кристаллизации.
Внешние электронные орбиты атомов соприкасаются, так что плотность упаковки
атомов в кристаллической решетке весьма велика.
В кристаллитах соблюдаются ближний и дальний порядки. Это означает наличие упорядоченного расположения и стабильности как окружающих данный атом ближайших его соседей (ближний порядок
), так и атомов, находящихся от него на значительных расстояниях вплоть до границ зерен (
дальний порядок
).
Рис. 1.1. Расположение атомов в кристаллическом (а) и аморфном (б) веществе
Вследствие диффузии
отдельные атомы могут покидать свои места в узлах кристаллической решетки, однако при этом упорядоченность кристаллического строения в целом не нарушается.
