Кристаллическое строение металлов

Кристаллическое строение металлов

Металлы можно охарактеризовать при помощи нескольких свойств, которые будут общими для всех элементов. К таким характеристикам следует отнести высокую электрическую проводимость и теплопроводность, пластичность, благодаря которой металлы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке или вытягиванию в проволоку, металлический блеск и непрозрачность.

В зависимости от температуры кипения все металлы подразделяют на тугоплавкие (Tкип> 1000 o С) и легкоплавкие (Tкип o С). Примером тугоплавких металлов может быть – Au, Cu, Ni, W, легкоплавких – Hg, K, Al, Zn.

Кристаллические решетки

Кристаллической решеткой называют пространственное расположение атомов или ионов в кристалле. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки подразделяют на молекулярные, атомные, ионные и металлические.

Очень важно не перепутать вид химической связи и кристаллической решетки. Помните, что кристаллические решетки отражают пространственное расположение атомов.

Молекулярная кристаллическая решетка

В узлах молекулярной решетки расположены молекулы. При обычных условиях молекулярную решетку имеют большинство газов и жидкостей. Связи чаще всего ковалентные полярные или неполярные.

Классическим примером вещества с молекулярной решеткой является вода, так что ассоциируйте свойства этих веществ с водой. Вещества с молекулярной решеткой непрочные, имеют небольшую твердость, летучие, легкоплавкие, способны к возгонке, для них характерны небольшие температуры кипения.

Примеры: NH3, H2O, Cl2, CO2, N2, Br2, H2, I2. Особо хочется отметить красный и белый фосфор, ромбическую, пластическую и моноклинную серу, фуллерен. Эти аллотропные модификации мы подробно изучили в статье, посвященной классификации веществ.

Ионная кристаллическая решетка

В узлах ионной решетки находятся атомы, связанные ионной связью. Этот тип решетки характерен для веществ, обладающих ионной связь: соли, оксиды и гидроксиды металлов.

Ассоциируйте этот ряд веществ с поваренной солью — NaCl. Веществе с ионной решеткой имеют высокие температуры плавления и кипения, легко растворимы в воде, хрупкие, твердые, их растворы и расплавы проводят электрический ток.

Металлическая кристаллическая решетка

В узлах металлической решетки находятся атомы металла. Этот тип решетки характерен для веществ, образованных металлической связью.

Ассоциируйте свойства этих веществ с медью. Они обладают характерным металлическим блеском, ковкие и пластичные, хорошо проводят электрический ток и тепло, имеют высокие температуры плавления и кипения.

Примеры: Cu, Fe, Zn, Al, Cr, Mn.

Атомная кристаллическая решетка

В узлах атомной решетки находятся атомы, связанные ковалентной полярной или неполярной связью.

Ассоциируйте эти вещества с песком. Они очень твердые, очень тугоплавкие (высокая температура плавления), нелетучие, прочные, нерастворимы в воде.

Примеры: SiO2, B, Ge, SiC, Al2O3. Особенно хочется выделить: алмаз и графит (C), черный фосфор (P).

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Кристаллическая решетка металлов

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка. Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

  • размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов (в одном направлении выдерживаются строго определенными);
  • углы между осями (α, β, χ);
  • координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке;
  • базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки;
  • плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74).

Схема кристаллической решетки

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа:

  • примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;
  • базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
  • объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;
  • гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней.

Типы кристаллических решеток

Рис. 2: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Основными типами кристаллических решеток являются:

  1. Объемно — центрированная кубическая (ОЦК) (рисунок 2, позиция а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Feα)
  2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (рисунок 2, позиция б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au, Feγ)
  3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
      — простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
      — плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

Кристаллические решетки, видео

И в завершение подробное видео пояснения о свойствах кристаллических решеток.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском – Crystal Lattice in Chemistry.

Строение металлов

На рисунке 4 представлена схема образования зернистой структуры металла при его застывании.

Рис. 4. Схема роста кристаллов в застывающем расплаве:

а-образуются зародыши; б-растут кристаллы; в-кристаллы начинают теснить друг друга; г-отдельные зерна сращиваются.

Вещества, входящие в состав стали, имеют различную температуру плавления, а, следовательно, и затвердевания. Например, чистое железо становится твердым уже при температуре 1539° С, а в соединении с серой или другими элементами температура затвердевания более низкая. Поэтому слой металла, затвердевающий в первую очередь, состоит из наиболее тугоплавких элементов, например, железа и углерода. Такие примеси, как сера и фосфор, дают более легкоплавкие сплавы и затвердевают в последнюю очередь. Сера и фосфор — вредные примеси потому что их присутствие значительно уменьшает прочность сплава, делает его хрупким и малопригодным для изделий.

При затвердевании сплава более легкоплавкие соединения железа с серой и фосфором концентрируются в верхней части слитка и застывают в последнюю очередь, поэтому сплав железа с фосфором и серой собирается в верхней части слитка.

Читайте также  Золото температура плавления

В кристаллах атомы каждого металла распределяются в строго определенном порядке. Они образуют так называемую пространственную решетку, которую нельзя увидеть ни в один из существующих микроскопов. Однако с помощью рентгеновских установок и других современных приборов можно изучить расположение атомов в кристаллической решетке.

Типы кристаллических решеток металлов

Среди металлов чаще всего встречаются три типа решеток, к первым из них относятся кубические объемноцентрированные. Они характерны тем, что атомы в них находятся в вершинах и центре куба например у лития, хрома, ванадия и других металлов (рис. 5,а).

Рис.5. Типы кристаллических решеток металла:

в-гексагональная (плотная упаковка).

Ко второму типу относят решетку кубическую гранецентрированную (рис. 5,6), атомы в (которой расположены в вершинах куба и его гранях (например, у алюминия, меди, свинца, никеля, золота, серебра и платины).

Третий тип — это гексагональные, или шестиугольные, плотно упакованные решетки (рис.5,в). Они встречаются у магния, цинка, кадмия и бериллия.

Как видно из схемы, приведенной на рисунке 6, наиболее плотные упаковки атомов имеют гранецентрированные и гексагональные решетки.

Рис.6. Схема строения металла.

В узлах решетки положительно заряженные ионы. В промежутка находятся свободные электроны.

Интересно отметить, что некоторые металлы, в частности железо, цинк и никель, могут существовать в нескольких кристаллических формах, переходя из одной в другую. Этот переход совершается при различных температурах. Такие видоизменения, когда одно и то вещество может находиться в различных кристаллических формах, называются аллотропическими, а сами вещества аллотропными. Название «аллотропия» происходит от греческих слов «аллос»—другой, «тропос»—свойство.

Углерод может встречаться в природе в виде графита и алмаза, причем, как вы помните, графит является мягким веществом, оставляющим след на бумаге, в то время как алмаз один из наиболее твердых природных веществ. Температуры плавления алмаза и графита различны.

Известно аллотропическое видоизменение серы (ромбическая и призматическая). Ромбическая сера образуется при температуре ниже 96° С, выше этой температуры она переходит в призматическую. В зависимости от изменения кристаллического строения изменяются и свойства вещества.

Такие же аллотропические изменения наблюдают и у железа. Оно имеет решетку центрированного куба то температуры 910° С, а в интервале температур 910—1390° С совершается переход в гранецентрированную.

Аллотропические превращения металла легко наблюдать на примере олова. Обычное серебристо-белое олово имеет сложную кристаллическую решетку, которая устойчива при температуре выше 18° С, при более низкой температуре атомы олова в кристаллах начинают перестраиваться. Упаковка их (атомов) становится менее прочной, блестящее олово теряет блеск, ковкость и превращается в хрупкое серое олово, имеющее другую кристаллическую решетку.

Это явление было давно замечено и получило название «оловянной чумы», так как оловянные изделия — тарелки из олова, кубки, органы в церкви — иногда вдруг начинали разрушаться. «Оловянная чума» была большим бедствием. Как бороться с ней, не знали, потому что не знали причины ее происхождения. Сейчас нам ясно, что если нагревать изделие из олова, «заболевшее оловянной чумой», то кристаллы серого олова будут перестраиваться в кристаллы белого олова, и оно вновь приобретает ковкость и белый цвет.

Строение металлов

На схемах кристаллов (рис. 5) условно в кристаллической решетке проведены линии, соединяющие один атом металла с другим. В действительности никаких линий, соединяющих атомы, в узлах решетки нет. Они уложены плотно, соприкасаясь друг с другом. В узлах решетки находятся положительно заряженные ионы, окруженные электронами. Валентные электроны атомов металлов так же, как и сами атомы, находятся в беспрерывном колебании. Но внешне электроны (валентные) могут легче покинуть свой атом и перейти к соседнему. Следовательно, в кристаллической решетке имеются так называемые свободные электроны, или свободный электронный «газ», присущий всему комплексу атомов. Таким образом, возникает взаимодействие электронов внешних оболочек атомов металла. Благодаря этому внешнему взаимодействию электронов создается связь между атомами металла, возникают силы сцепления, прочно удерживающие атомы металла в кристаллической решетке (рис. 6). Ионы атомов металлов в кристаллической решетке, окруженные подвижными (незакрепленными) электронами, получили название ион-атомов, в отличие от обычных ионов.

То, что мы говорили о кристаллической решетке металлов, относится к чистым металлам, но мы знаем, что в практике применяют преимущественно сплавы.

1.3.3. Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решётки. Зависимость свойств веществ от их состава и строения.

Для большинства веществ характерна способность в зависимости от условий находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком или газообразном.

Например, вода при нормальном давлении в интервале температур 0-100 o C является жидкостью, при температуре выше 100 о С способна существовать только в газообразном состоянии, а при температуре менее 0 о С представляет собой твердое вещество.

Вещества в твердом состоянии различают аморфные и кристаллические.

Характерными признаками аморфных веществ является отсутствие четкой температуры плавления: их текучесть плавно увеличивается с ростом температуры. К аморфным веществам относятся такие соединения, как воск, парафин, большинство пластмасс, стекло и т.д.

Все же кристаллические вещества обладают конкретной температурой плавления, т.е. вещество с кристаллическим строением переходит из твердого состоянии в жидкое не постепенно, а резко, при достижении конкретной температуры. В качестве примера кристаллических веществ можно привести поваренную соль, сахар, лед.

Разница в физических свойствах аморфных и кристаллических твердых веществ обусловлена прежде всего особенностями строения таких веществ. В чем заключается разница между веществом в аморфном и кристаллическом состоянии, проще всего понять из следующей иллюстрации:

Как можно заметить, в аморфном веществе, в отличие от кристаллического, отсутствует какой-либо порядок в расположении частиц. Если же в кристаллическом веществе мысленно соединить прямой два близкорасположенных друг к другу атома, то можно обнаружить, что на этой линии на строго определенных промежутках будут лежать одни и те же частицы:

Таким образом, в случае кристаллических веществах можно говорить о таком понятии, как кристаллическая решетка.

Кристаллической решеткой называют пространственный каркас, соединяющий точки пространства, в которых находятся частицы, образующие кристалл.

Точки пространства, в которых находятся образующие кристалл частицы, называют узлами кристаллической решетки.

В зависимости от того, какие частицы находятся в узлах кристаллической решетки, различают: молекулярную, атомную, ионную и металлическую кристаллические решетки.

В узлах молекулярной кристаллической решетки

находятся молекулы, внутри которых атомы связаны прочными ковалентными связями, однако сами молекулы удерживаются друг возле друга слабыми межмолекулярными силами. Вследствие таких слабых межмолекулярных взаимодействий кристаллы с молекулярной решеткой являются непрочными. Такие вещества от веществ с иными типами строения отличаются существенно более низкими температурами плавления и кипения, не проводят электрический ток, могут как растворяться, так и не растворяться в различных растворителях. Растворы таких соединений могут как проводить, так и не проводить электрический ток в зависимости от класса соединения. К соединениям с молекулярной кристаллической решеткой относятся многие простые вещества — неметаллы (отвержденные H2, O2, Cl2, ромбическая сера S8, белый фосфор P4), а также многие сложные вещества – водородные соединения неметаллов, кислоты, оксиды неметаллов, большинство органических веществ. Следует отметить, что, если вещество находится в газообразном или жидком состоянии, говорить о молекулярной кристаллической решетке неуместно: корректнее использовать термин — молекулярный тип строения.

Читайте также  Цементация стали в домашних условиях

Кристаллическая решетка алмаза как пример атомной решетки

В узлах атомной кристаллической решетки

находятся атомы. При этом все узлы такой кристаллической решетки «сшиты» между собой посредством прочных ковалентных связей в единый кристалл. Фактически, такой кристалл является одной гигантской молекулой. Вследствие особенностей строения все вещества с атомной кристаллической решеткой являются твердыми, обладают высокими температурами плавления, химически мало активны, не растворимы ни в воде, ни в органических растворителях, а их расплавы не проводят электрический ток. Следует запомнить, что к веществам с атомным типом строения из простых веществ относятся бор B, углерод C (алмаз и графит), кремний Si, из сложных веществ — диоксид кремния SiO2 (кварц), карбид кремния SiC, нитрид бора BN.

У веществ с ионной кристаллической решеткой

в узлах решетки находятся ионы, связанные друг с другом посредством ионных связей.

Поскольку ионные связи достаточно прочны, вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью и тугоплавкостью. Чаще всего они растворимы в воде, а их растворы, как и расплавы проводят электрический ток.

К веществам с ионным типом кристаллической решетки относятся соли металлов и аммония (NH4 + ), основания, оксиды металлов. Верным признаком ионного строения вещества является наличие в его составе одновременно атомов типичного металла и неметалла.

Кристаллическая решетка хлорида натрия как пример ионной решетки

Однако следует отметить, что в веществах с ионным типом строения нередко можно обнаружить, помимо ионных, также ковалентные полярные связи. Это наблюдается в случае сложных ионов, т.е. состоящих из двух или более химических элементов (SO4 2- , NH4 + , PO4 3- и т.д.). Внутри таких сложных ионов атомы связаны друг с другом ковалентными связями.

Металлическая кристаллическая решетка

наблюдается в кристаллах свободных металлов, например, натрия Na, железа Fe, магния Mg и т.д. В случае металлической кристаллической решетки, в ее узлах находятся катионы и атомы металлов, между которыми движутся электроны. При этом движущиеся электроны периодически присоединяются к катионам, таким образом нейтрализуя их заряд, а отдельные нейтральные атомы металлов взамен «отпускают» часть своих электронов, превращаясь, в свою очередь, в катионы. Фактически, «свободные» электроны принадлежат не отдельным атомам, а всему кристаллу.

Металлическая кристаллическая решетка

Такие особенности строения приводят к тому, что металлы хорошо проводят тепло и электрический ток, часто обладают высокой пластичностью (ковкостью).
Разброс значений температур плавления металлов очень велик. Так, например, температура плавления ртути составляет примерно минус 39 о С (жидкая в обычных условиях), а вольфрама — 3422 °C. Следует отметить, что в обычных условиях все металлы, кроме ртути, являются твердыми веществами.

Строение кристаллических тел

Кристаллическими называют такие твёрдые тела, молекулы, атомы или ионы в которых располагаются в строго определённом геометрическом порядке, образуя в пространстве структуру, которая называется кристаллической решёткой. Этот порядок периодически повторяется по всем направлениям в трёхмерном пространстве. Он сохраняется на больших расстояниях и не ограничен в пространстве. Его называют дальним порядком.

Семь типов кристаллических решеток

Есть семь разных кристаллических систем. Они были обнаружены в 1781 году отцом Рене Джаст Хауи. Он случайно заметил, что некоторые камни имеют идеальную форму. После многих лет исследований он разработал свою теорию о структуре кристаллов. В 1848 году Огюст Браве показывает, что может быть только семь типов элементарной кристаллической сетки.

Системы характеризуют различные геометрические формы, которые может иметь кристаллическая сетка.

Каждая из этих систем определяется своими осями: три размерных параметра (длина осей) и три угловых параметра (углы, образованные двумя осями). Условно мы называем abc длинами осей и α β и γ углами, образованными осями. Они размещены в пространстве следующим образом:

Каждая ячейка, представляющая систему, также имеет определенное количество симметрий. Эти симметрии бывают трех типов:

  • центральный (отмечен С): точка является центром симметрии сетки;
  • плоскости (отмечено P): плоскость является плоскостью симметрии сетки;
  • осевой (О): поворот на определенный угол вокруг оси симметрии возвращает сетку в положение, идентичное исходному.

Эти симметрии имеют четыре порядка:

  • двоичные ( обозначено L 2 ): вращение на 180 ° (π рад)
  • троичное (обозначено L 3 ): вращение на 120 ° (2π/3 рад)
  • четвертичное (отмечено L 4 ): Вращение на 90 ° (π/2 рад.)
  • гексагональное (отмечено L 6 ): вращение на 60 ° (π/3 рад.)

Кубическая (или изометрическая) решетка

a = b = c: три оси имеют одинаковую длину
α = β = γ= 90 °: три угла равны и прямые
Симметрии: C, 3 L 4 , 4 L 3, 6L 2, 9 P
Базовый элемент — это куб.

Квадратичная (или тетрагональная) решетка

a = b ≠ c: две оси имеют одинаковую длину, а третья ось различается.
α = β = γ= 90 °: три угла равны и прямые
Симметрии: C, L 4 , 4L2, 5 P
Основным элементом является правая призма с квадратным основанием.

Орторомбическая кристаллическая решетка

a ≠ b ≠ c: три оси имеют разную длину
α = β = γ= 90 °: три угла равны и прямые
Симметрии: C, 3 L 2, 3 P
Основной элемент — прямоугольный параллелепипед.

Моноклинная решетка

a≠b≠c : три оси имеют неравную длину.
β = γ= 90 °≠α: два угла равны и прямые.
Симметрии: C, L 2 , P
Основным элементом является
наклонная призма, в основании которой ромб.

Триклинная решетка

a≠b≠c: три оси имеют неравную длину.
α≠β ≠ γ≠ 90 °: три угла разные.
Симметрии: C, L 2 , P
Основной элемент — это параллелепипед
с основанием ромб.

Ромбоэдрическая решетка

a = b = c: три оси имеют одинаковую длину
α = β = γ≠ 90 °: три угла равны и прямые
Симметрии: C, L 3 , 3 L 2 , P
Основным элементом является
параллелепипед все плоскости которого — ромбы.

Гексагональная кристаллическая решетка

a = b ≠ c: две оси имеют одинаковую длину,
не равную длине третьей оси
α = β = 90° и γ=120 0 : три угла равны и прямые
Симметрии: C, L 6 , 6 L 2 , 7 P
Базовым элементом является
призма с шестиугольным основанием.

Таким образом, мы с вами рассмотрели подробно понятие кристаллическая решетка и то, какими бывают основные кристаллические решетки.

ПРИМЕНЕНИЕ

Кольцо из железа

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.
Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.
Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.
Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих чёрно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.
Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.
Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.