Будова атомів металів

«Будова атомів металів»

Серед безлічі матеріалів, здавна відомих людині і широко використовуваних нею у своєму житті й діяльності, метали завжди посідали особливе місце: і в назвах епох (золотого, срібного, бронзового, залізного віку), на які греки поділяли історію людства; і в археологічних знахідках металевих виробів (куті мідні прикраси, сільськогосподарські знаряддя); і в повсюдному використанні металів і сплавів у сучасній техніці.

Метали - найпоширеніші в природі елементи. Причина цього - в особливих властивостях металів, що вигідно відрізняють їх від інших матеріалів і роблять у багатьох випадках незамінними. Вони складають один із класів конструкційних матеріалів, що характеризується визначеним набором властивостей:

«металевий блиск» (гарна відбивна здатність);

пластичність;

висока теплопровідність;

висока електропровідність.

З позиції хімії метали (їх близько 80) - це елементи, атоми яких складаються з позитивно зарядженого ядра, навколо якого на різній відстані обертаються негативно заряджені електрони, утворюючи певні електронні оболонки. Зовнішня електронна оболонка металів містить невелику кількість електронів (1...2). Сила притягування ядра атома щодо зовнішніх (валентних) електронів значною мірою компенсується електронами внутрішніх оболонок. Тому атоми металів досить легко втрачають зовнішні електрони і перетворюються на позитивно заряджені іони. Вільні електрони легко пересуваються в усіх напрямках між утвореними позитивно зарядженими іонами, нагадуючи рух частинок газу («електронний газ»). Існування водночас нейтральних та іонізованих атомів і вільних електронів є підставою для уявлень щодо особливого типу міжатомного зв'язку, притаманного тільки металам, - металевого. У металі постійно відбувається обмін електронами між нейтральними й іонізованими атомами, завжди є певна кількість електронів, що на даний момент не належать якомусь з атомів. Якщо створити у металі різницю потенціалів, рух електронів набуде певного напрямку і виникне електричний струм. Наявністю вільних (колективізованих) електронів пояснюють існування спільних для всіх металів властивостей (пластичність, непрозорість, блиск, високі електро- і теплопровідність), а їх кількість визначає різний ступінь «металевості» окремих металів.

Метал як хімічний елемент може бути компонентом, тобто речовиною, яка утворює систему і входить до складу сплавів з двох або кількох елементів.

Кожний метал (речовина) може перебувати у трьох агрегатних станах: газоподібному, рідкому і твердому.

У газоподібному металі відстань між атомами (частинками) велика, сили взаємодії є малими й атоми хаотично пересуваються у просторі й відштовхуються один від одного. У газоподібному стані атоми мають більшу кінетичну енергію.

У рідкому стані атоми (частинки) зберігають лише так званий близький порядок, тобто в об'ємі закономірно розташована невелика кількість атомів, а не атоми всього об'єму. Близький порядок є нестійким.

Будова рідких металів і сплавів певною мірою впливає на формування деяких особливостей їх будови в твердому стані, що має експериментальні підтвердження за допомогою сучасних методів досліджень і використовується при розробленні технології виплавки і твердіння сплавів.

Рідкі метали, як і кристалічні, характеризуються близькими значеннями густини, тому їх об'єднують під назвою конденсованих фаз. Вони суттєво відрізняються від металевого газу. Кристалічний метал характеризується далеким порядком розташування атомів, тобто повністю закономірне розміщення атомів у просторі спостерігається на великих відстанях від окремо взятого (даного атома). В рідкому металі впорядковане розташування спостерігається тільки в найближчому оточенні певного атома, тому будова рідкого металу характеризується наявністю близького порядку.

Властивості металів зумовлює їх атомна будова і кристалічна структура. Залежно від будови і властивостей метали об'єднують у різні групи. За загальною і найпоширенішою класифікацією метали поділяють на дві групи: чорні й кольорові (рис. 1.1). До чорних металів належать залізо та його сплави (сталь, чавун), а до кольорових - решта металів.

Рис. 1.1 Загальна класифікація металів

За класифікацією О. П. Гуляєва чорні метали мають темно-сірий колір, вищі температури плавлення, значну твердість і густину, здатні до поліморфних перетворень (окрім Ni). Серед них розрізняють:

залізні - Fe, Co, Ni, Mn;

тугоплавкі - температура плавлення яких вища за температуру плавлення заліза (понад 1539 °С) - W, Mo, Re, Nb, Ti, V, Cr;

уранові - актиніди;

рідкісноземельні (РЗМ) - La, Ce, Nd, Pr та інші.

У техніці використовується понад 90 % чорних металів.

До кольорових належить решта металів. Характерним для них є забарвлення (червоне, жовте, біле), висока пластичність, низька твердість, відносно низька температура плавлення, відсутність поліморфізму. Типовим представником групи кольорових металів є мідь і сплави на її основі (бронза, латунь). Серед кольорових металів розрізняють:

легкі (Мg, Ве, Аl, Ті), які мають малу густину;

легкоплавкі (Zn, Cd, Hg, Sn, Pb, Bi, Tl, Sb) з температурою плавлення, нижчою від заліза;

тугоплавкі (W, Мо, Nb, Та) з температурою плавлення вищою, ніж у заліза;

благородні (Аg, Аu, Рt) з високою стійкістю проти корозії;

уранові (актиніди), які використовуються в атомній техніці;

рідкісноземельні (РЗМ) - лантаноїди;

лужні (Na, К, Zn) - у вільному стані майже не застосовуються.

Кольорові метали додають до складу легованих сталей і сплавів для поліпшення їхньої структури та властивостей, а також використовують для виготовлення різноманітних виробів.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.      Назвіть характерні властивості металів.

2.      У яких агрегатних станах може перебувати кожний метал?

3.      Як класифікуються метали?

4.      Чи належать метали до конструкційних матеріалів?

5.      Скільки металів у періодичній системі Д. І. Менделєєва?

6.      Які характерні властивості чорних металів за класифікацією О. П. Гуляєва?

7.      Які характерні властивості кольорових металів за класифікацією О. П. Гуляєва?

8.      Назвіть типових представників групи кольорових металів.

9.      Назвіть благородні кольорові метали.

«Атомно-кристалічна будова металів»

Під атомно-кристалічною структурою розуміють взаємне розташування атомів (іонів) у реальному кристалі. Залежно від будови (розташування атомів) тверді тіла поділяють на аморфні та кристалічні.

Аморфні тіла характеризуються хаотичним розташуванням атомів, тому, зберігаючи постійну форму, вони не мають певних (критичних) температур плавлення та кристалізації. Залежно від зовнішніх умов їхні властивості змінюються поступово. Аморфний стан металів реалізується за умов інтенсивного охолодження під час кристалізації.

За звичайних умов тверднення метали у твердому стані мають кристалічну будову. Для кристалічного стану характерним є певне закономірне розташування у просторі. Кожен атом (іон) у кристалі оточений визначеною кількістю найближчих атомів (сусідів), розташованих на однаковій відстані від нього.

З погляду внутрішньої будови вони мають неоднаковий ступінь упорядкованості структурних частинок - іонів, атомів, молекул. В аморфних тілах (каніфоль, скло, смола) спостерігається близький порядок розміщення частинок, який поширюється лише в межах кількох міжатомних відстаней. У кристалічних тілах, до яких належать усі метали, упорядковане розміщення характерне для як завгодно віддалених частинок. Тому говорять, що там спостерігається далекий порядок. Таке правильне, регулярне розміщення частинок у твердому тілі, що характеризується періодичною повторюваністю у всіх трьох вимірах, утворює просторову (кристалічну) ґратку (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема кристалічної ґратки: a, b, c - періоди ґратки

До основних параметрів кристалічних ґраток належать:

елементарна комірка - це найменша кількість (комплекс) атомів, яка при багаторазовому повторі у просторі дозволяє побудувати просторові кристалічну ґратку певної системи;

відрізки, що дорівнюють відстаням до найближчих атомів (іонів) по координатних осях у тривимірному просторі, позначають літерами а, b, с;

кути між цими відрізками позначають α, β, γ співвідношення відрізків і кутів визначає форму комірки;

період або параметр ґратки дорівнює довжині ребра комірки у напрямку головних осей кристалічної ґратки. Параметри вимірюють у нанометрах (нм), ангстремах (Å);

координаційне число (К) характеризує щільність пакування ґратки, визначає кількість найближчих і рівновіддалених атомів у певній кристалічній ґратці. Координаційне число простої кристалічної ґратки позначають К6 (літера означає тип ґратки, цифра - кількість атомів), об'ємоцентричної кубічної - К8; гранецентричної кубічної - К12; гексагональної - Г6; гексагональної щільного пакування - Г12;

базис - це кількість атомів (іонів), які належать до однієї комірки;

атомний радіус - половина відстані між центрами найближчих атомів у кристалічній ґратці певної кристалічної системи;

коефіцієнт компактності - це відношення об'єму, який займають атоми (іони), до всього об'єму комірки цього типу.

Якщо якесь тіло становить один кристал, його називають монокристалом (від грецьк. - один, єдиний). Однак практично всі металеві вироби, що зустрічаються в машинобудуванні, складаються з величезної кількості кристалів (зерен різної форми і розмірів, дендритів), і тому їх називають полікристалами (від грецьк. - численний). Властивості полікристалічних матеріалів значною мірою залежать від форми і розмірів кристалів, проте їхня внутрішня будова є настільки ж закономірною, як у монокристалів.

Для характеристики атомно-кристалічної структури твердих тіл користуються поняттям елементарної комірки. Це найменший комплекс структурних частинок, багатократне пересування якого у просторі повністю відтворює будову кристалу.

Просторове розташування атомів у кристалічному тілі залежить від природи металу, характеру міжатомних зв'язків, температури, тиску. Прагнення атомів до найщільнішого розміщення приводить до значної кількості комбінацій їх взаємного розташування. Серед промислових металів найпоширенішими є утворення трьох основних типів кристалічних ґраток (рис. 1.3): об'ємоцентричної кубічної (ОЦК), гранецентричної кубічної (ГЦК) і гексагональної щільного пакування (ГЩП).

Рис. 1.3. Елементарні кристалічні ґратки: а - об'ємоцентричний куб; б гранецентричний куб; в - гексагональна щільного пакування

В об'ємоцентричній кубічній ґратці атоми розташовані у вершинах куба й один атом у центрі куба. Таку кристалічну ґратку мають P, K, Na, Li, Tiβ, Zrβ, Ta, W, V, Feα, Cr, Nb, Ba й інші метали. У гранецентричній кубічній ґратці атоми розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані. Кристалічну ґратку такого типу мають Саα, Се, Srα, Th, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Ir, Feγ, Cu й інші метали.

Гексагональну ґратку щільного пакування мають Mg, Tiα, Cd, Re, Os, Ru, Zn, Coβ, Be, Caβ й інші метали. Атоми у ГЩП-ґратці розташовані у вершинах і центрі шестигранних основ призми та три атоми - у середній площині призми.

Багато металів і деякі технічно важливі неметали кристалізуються у різних кристалічних ґратках залежно від таких зовнішніх умов, як температура і тиск, їх називають алотропними модифікаціями, а таке явище поліморфізмом. Низькотемпературну модифікацію позначають α, а високотемпературні - β, γ, δ тощо. Кожна модифікація має свій температурний інтервал існування. Внаслідок поліморфного перетворення утворюються нові кристалічні зерна іншої форми та розміру, тому таке перетворення називають перекристалізацією.

При поліморфних перетвореннях змінюється не лише тип кристалічної ґратки, але й властивості металу, при цьому властивості змінюються стрибкоподібно. Так, ОЦК-ґратка α-заліза при 911 °С перетворюється в ГЦК-ґратку γ-заліза, яка може розчинити значно більшу кількість вуглецю, ніж α-ґратка. Феромагнітні властивості має тільки α-залізо, але не в усій сфері свого існування, оскільки температура Кюрі становить 770 °С. Усе це має важливе значення для виробництва й обробки сталі. В інших елементах поліморфні перетворення супроводжуються змінами механічних, теплових, електричних, оптичних, хімічних властивостей.

Усі кристалічні тіла анізотропні, що передбачає різницю властивостей у різних напрямках. Анізотропія яскраво виражена лише в монокристалах. У полікристалічних матеріалах, наприклад зливках, з великою кількістю хаотично орієнтованих кристалів вона не має чітко вираженого характеру, оскільки властивості їх у різних напрямках усереднюються. Про такі матеріали говорять, що вони ізотропні. Аморфні тіла, які мають невпорядковану насиченість атомами, у різних напрямках також є ізотропними. Проте у структурі металу іноді може створюватися переважаюча орієнтація кристалів, тоді він стає анізотропним. Прикладом анізотропності може бути текстура листового металу, що з'являється під час його обробки тиском. Тоді його міцність, теплові, електричні, магнітні та інші властивості вздовж і поперек прокатки неоднакові і можуть значно різнитися. У багатьох випадках це небажано, але іноді створюється навмисно з метою поліпшення експлуатаційних характеристик. Таким чином, структура металів і сплавів визначає їх механічні й технологічні властивості, особливо під час термічної обробки, експлуатації виробів при високих і низьких температурах. Тому її вивчення має надзвичайно велике значення для практики. Матеріал для закріплення знань

Рис. 1.4. Ґратка об'ємоцентрична кубічна (Mo, W, V, Feα): r - найменша відстань до сусідніх атомів

Таблиця 1.1 Характеристики об'ємоцентричної кубічної ґратки

Рис. 1.5. Ґратка гранецентрична кубічна (Al, Cu, Au, Ag, Feγ): r - найменша відстань до сусідніх атомів

Таблиця 1.2 Характеристики гранецентричної кубічної ґратки

Рис. 1.6 Ґратка гексагональна щільного пакування (Mg, Coα, Zn, Tiα, Cd)

Таблиця 1.3 Характеристики гексагональної щільноупакованої ґратки

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

Страницы: 1, 2