Кристаллическое строение металлов

Виды кристаллических решеток.

Твердые вещества по взаимному расположению атомов делят на аморфные и кристаллические. Аморфными называют твердые веще­ства, атомы которых располагаются в пространстве хао­тично. К таким веществам относят стекло, смолу, ка­нифоль, клей и др.

Кристаллическими называют твердые вещества, в ко­торых атомы расположены в пространстве в строго опре­деленном порядке.

Все металлы являются кристалличес­кими веществами. Для описания кристаллической струк­туры металлов пользуются понятием кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка — это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой расположены атомы.

Наименьшая часть кристаллической решетки, определяющая структуру металла, называется элемен­тарной кристаллической ячейкой. Элементарная ячейка повторяется во всех трех измерениях и полностью харак­теризует структуру кристалла.

На рисунке изображены элементарные ячейки для наиболее распространенных кристаллических решеток:

· объемно-центрированной кубической,

· гранецентрированной кубической

· гексагональной плотноупакованной.

В элементарной ячейке кубической объемно-центрированной решетки девять ато­мов: восемь в вершинах решетки и один в центре.

Такую решетку имеют железо при температурах до 911 и свыше 1392 °С, хром, вольфрам, ванадий и др.

В элементарной ячейке кубической гранецентрированной решетки 14 ато­мов (8 в вершинах куба и по 1-му в центре каждой гра­ни). Такую решетку имеют железо температуре от 911 до 1392 °С, медь, никель, алюминий и др.

В элементарной ячейке гексагональной плотноупакованной решетки в виде шестигранной призмы 17 атомов (12 в вершинах при­змы, 2 в центре оснований и 3 внутри призмы). Такая ре­шетка у магния, цинка и др.

Атомы в кристаллической решетке находятся на опре­деленных расстояниях а, с и d1 друг от друга. Расстояние а и с между центрами атомов, находящихся в двух сосед­них узлах решетки называются параметрами или пери­одами решетки.

Параметры решетки очень малы и изме­ряются в нанометрах (1 нм = 10 ^-9 м). Для большинства металлов они находятся в диапазоне 0,2-0,7 нм.

Кубичес­кие решетки характеризуются только одним парамет­ром — длиной ребра куба а.

Гексагональные — двумя па­раметрами а и с, причем для гексагональной плотноупакованной отношение с/а = 1,633. (Золотое сечение связано с пространственным отношением природных объектов, человека, архитектурных сооружений, музыкальной гармонии, в геометрических фигурах, - их имеют многие цветы, морские звёзды, ежи, вирусы.

У человека золотое сечение – это отношение его роста к расстоянию от пупка до подошв ног: при рождении оно равно 2, к 21 годам – 1,625, у женщин – 1,6. Многие женщины интуитивно пытаются приблизить это отношение к золотой пропорции, надевая туфли на каблуках.

Атомы в кристаллической решетке можно условно рассматривать как соприкасающиеся между собой жест­кие шары. При этом очевидно, что в решетке кро­ме атомов существует свободное пространство.

Объем, который занимают атомы, т. е. плотность кристалличес­кой решетки, характеризуют координационное число и коэффициент компактности.

 

Особенности кристаллического строения металлов определяют их свойства. Электроны, которые находятся на внешних атомных оболочках, теряют связь со своими атомами. Поэтому происходит образование свободных

электронов, не принадлежащих отдельным атомам — элек­тронного газа, а в узлах кристаллической решетки нахо­дятся положительно заряженные ионы.

Между ионами и свободными электронами возникают силы притяжения, которые стягивают ионы. Такую связь называют метал­лической.

Наличие металлической связи и объясняет характерные свойства металлов.

В металлах расстояние между атомами значительно меньше, чем в неметаллах, поэтому металлы имеют большую плотность.

Благодаря свободным электронам при пластической деформации связь между ионами не нарушается и разрушения не про­исходит, что объясняет высокую пластичность металлов.

Наличие свободных электронов обусловливает высокую электро- и теплопроводность металлов.

С понижением температуры ослабляются тепловые колебания ионов, что повышает электропроводность и в ряде случаев при­водит к явлению сверхпроводимости при температурах, близких к абсолютному нулю. И напротив, с повышени­ем температуры тепловые колебания ионов усиливают­ся и электропроводность снижается.

Характерный метал­лический блеск объясняется взаимодействием световых волн со свободными электронами.