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: Ключ разводной размеры по номерам
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.
Мир металлов глазами химика. 9 класс. Разработка урока
Урок 2 «Мир металлов глазами химика» является начальным звеном изучения темы «Металлы» (24 часа) по программе О.С. Габриеляна.
В классе есть несколько учащихся, интересующихся химией, предмет привлекателен для них практической направленностью, разнообразием смены деятельности, наглядностью при изучении материала.
Тип урока: изучение нового материала
Вид урока: урок-исследование
Цели урока: изучить положение металлов в П.С.Х.Э., раскрыть причины общих физических свойств металлов.
Виды познавательной деятельности: Постановка проблемы, наблюдение за экспериментом, умение выделять главное, сравнивать, обобщать, логически излагать мысли.
Способы управления познавательной деятельностью: Ознакомление с целями и задачами урока, видом контроля.
Формы организации учебной деятельности:индивидуальная и групповая деятельность, лабораторный опыт.
Методы организации учебной деятельности:беседа, демонстрационный эксперимент, метод проблемная ситуация.
Средства обучения:
- Учебники: О.С. Габриелян «Химия»9 кл.
- Коллекции образцов металлов, алюминиевая фольга, железный гвоздь, спиртовка, елочная игрушка, зеркало, стеклянные пластинки, периодическая система.
- Средства ТСО: компьютер, проектор, экран.
- Программное обеспечение: Power Point.
Этапы урока
Организациооный момент. Введение.
Интересные факты-загадки о металлах: (слайд№2)
- Этот элемент особенно нужен растущему детскому организму. У взрослого человека без него ломаются кости, не свертывается кровь, сердце работает плохо. Моллюск без него дома не построит, черепаха без крыши останется, а курице и яйцо упаковать не во что будет. (Кальций)
- Если вы разбили термометр, то не играйте блестящей капелькой. Ее пары ядовиты. (Ртуть)
- Название данного химического элемента с древнеармянского языка переводится как «капнувший с неба», но на нас он уже с неба не капает, хотя наш организм в нем нуждается. (Железо)
- Вещество, образованное данным химическим элементом, обладает бактерицидным действием. Известно, что в древности хранили воду в сосудах, изготовленных из этого вещества, поэтому она долго не портилась. (Серебро)
- Вещество, образованное данным химическим элементом, чрезвычайно стойко химически и в тоже время совместимо с тканями человека. Поэтому он незаменим в восстановительной хирургии. (Тантал)
Вопрос учителя: К какой группе химических элементов относятся перечисленные на слайде? (металлы)
Сообщение темы и цели урока.
II. Подготовка к основному этапу усвоения учебного материала.
Алхимики считали, что» семь металлов создал свет по числу семи планет». Назовите эти элементы и соответствующие им планеты. (Учебник стр. 22)
Выслушав ответы, читаем отрывок из записок алхимика (перевод Н. Морозова):
Семь металлов создал свет По числу семи планет: Дал нам космос на добро медь, железо, серебро, Злато, олово, свинец… Сын мой. Сера их отец. И спеши, мой сын, узнать: Всем им ртуть — родная мать.
Вопрос учителя: Что означает слово Металл? Каков его смысл? (слово металл может означать химический элемент и простое вещество.)
Схема:
Учитель: Что такое химический элемент? (совокупность атомов) Совместно с учащимися выясняем особенности строения атомов металлов на основании их положения в ПСХЭ.
Учитель: Если провести диагональ от В к At через элементы главных подгрупп, то по этой диагонали (B-Si-As-Te-At) и над ней будут располагаться неметаллы, а под ней- металлы. В итоге из 110 элементов ПС к металлам относятся 88 элементов. Однако, деление элементов на металлы и неметаллы условно. Так, например, металл германий обладает многими неметаллическими свойствами. Хром, алюминий и цинк — типичные металлы, но образуют соединения, в которых проявляют неметаллические свойства: NaAlO2, K2ZnO2, K2CrO4, K2Cr2O7. Из положения металлов в ПС можно определить и особенности строения их атомов: (слайд №3)
- Небольшое число электронов на внешнем уровне.
- Сравнительно большой атомный радиус
- Способность отдавать внешние электроны и проявлять восстановительные свойства. (Проблема: почему бор, атомы которого имеют три электрона на внешнем уровне, но проявляют типичные неметаллические свойства?)
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.
Кристаллизация сплавов
Переход металла из жидкого состояния в твёрдое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией.
Образования новых кристаллов в твёрдом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией (перекристаллизацией).
Процесс кристаллизации состоит из двух одновременных процессов:
- зарождение кристаллов;
- линейный рост кристаллов;
Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно (самопроизвольная кристаллизация) или зарождаться и расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации (не самопроизвольная кристаллизация) (рис 33).
Рис 34 Рост зародышевых центров и рост кристаллов
Самопроизвольная кристаллизация (рис.35) обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического потенциала G, характеристика свободной энергии системы. Второй закон термодинамики – любая система всегда стремится занять то состояние, чтобы она обладала min свободной энергией. Температура, при которой термодинамические потенциалы вещества, как в твёрдом, так и в жидком состояниях равны, называется равновесной температурой (термодинамической температурой) ТG.
Рис.35 Самопроизвольная кристаллизация
Термодинамический потенциал определяется:
G = Е – ТS + РV (по Гельмгольцу)
где G – термодинамический потенциал, свободная энергия системы,
Е – внутренняя энергия системы,
Т – термодинамическая температура
S – энтропия (функция состояния: порядка и беспорядка, связанное с поступательным и колебательным движением),
РV – работа внешних сил (давление на объём)
G = Н – ТS (по Гиббсу)
где Н – энтальпия (Е + РV) сумма работ внутренних и внешних сил.
Разница между равновесной (ТG.) и реальной (Тр) температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения (Δ Т).
Образованию зародышей способствуют флуктуации энергии, т.е. отклонение энергии группировок атомов в отдельных зонах жидкого металла от некоторого среднего значения.
Появление зародышей изменяет термодинамический потенциал (свободную энергию) всей системы. С одной стороны, при переходе жидкости в кристаллическое состояние термодинамический потенциал G уменьшается, с другой стороны, он увеличивается (+) вследствие появления поверхности раздела между жидкостью и кристаллическим зародышем.
На рис.36 показано, как изменяется свободная энергия системы при кристаллизации.
Кинетика кристаллизации. Скорость образования зародышей, образующихся в единицу времени в единице объёма (1мм-3с-1); скорость роста – увеличением линейных размеров, растущих кристалла в единицу времени (мм/с). Оба процесса связаны с перемещением атомов и зависят от температуры (степени переохлаждения Δ Т).
Не самопроизвольная кристаллизация (гетерогенная)
В реальных условиях процессы кристаллизации и характер образующих структур в значительной мере зависят от имеющихся готовых центров кристаллизации. Такими центрами являются:
- тугоплавкие частицы неметаллических включений;
- оксиды;
- интерметаллические соединения, образуемых примесей.
Измельчение структуры способствует улучшению механических свойств металла.
Рис.36 Изменение свободной энергии при кристаллизации
На практике для измельчения структуры металла и сплавов широко применяют технологическую операцию, называемую модифицированием. Она состоит во введении в жидкий сплав перед заливкой специальных добавок модификаторов (бор в сталь, натрий в алюминий и его сплавы). Подстуживание металла перед заливкой до температур, незначительно превышающих температуру плавления металла, способствует уменьшению размера зерна.
Формирование кристаллов
Форма и размер зёрен, образующихся при кристаллизации, зависят:
- скорости и направления отвода тепла:
- температуры жидкого металла;
- содержание примесей.
Структура слитка зависит от многих факторов: (рис.37)
- количество и свойства примесей в чистом металле;
- количества легирующих элементов в сплаве;
- температуры разливки сплава;
- скорость охлаждения при кристаллизации и т.д.
Рис.37 Схема строения металлического слитка, полученного при разных температурах
Типичная структура слитка сплавов состоит из трёх зон: (рис.38)
- мелкие равноосные кристаллы на поверхности слитка, из-за большой степени переохлаждения;
- столбчатые кристаллы, наиболее благоприятно ориентированные по отношению к теплоотводу, расположенные нормально к стенкам формы;
- равноосные кристаллы больших размеров в середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения и не ощущается направленного отвода тепла.
Структура, состоящая из одних столбчатых кристаллов, называется транскристаллитной. Встречается у слитков очень чистых металлов.
Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства сплава. В реальных сплавах кроме зональной встречаются и другие виды ликвации.
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: Пуансоны для гибки листового металла
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.
Строение и агрегатное состояние веществ
Выделяют три агрегатных состояния: твердое тело, жидкость и газ. Каждое из них предполагает определенное расположение частиц. Ниже мы расскажем подробнее, как связаны в химии кристаллическая решетка и агрегатное состояние вещества, а пока осветим общие закономерности.
- Если частицы хаотично движутся, а расстояние между ними многократно превышает их собственные размеры — это газ. За счет большой удаленности друг от друга молекулы и атомы в таком веществе слабо взаимодействуют между собой.
- Если частицы расположены все так же беспорядочно, но на небольшом расстоянии друг от друга — это жидкость. В жидком состоянии вещества его молекулы и атомы имеют более прочные связи, которые сложнее разорвать.
- Если частицы собраны близко друг к другу и в определенном порядке — это твердое тело. В таком состоянии связи между ними наиболее прочны. Частицы могут двигаться только в пределах своего расположения и почти не перемещаются в пространстве.
Большинство веществ могут находиться и в твердом, и в жидком, и газообразном состоянии, а в зависимости от давления и температуры легко переходить из одного в другое. Типичный пример — вода, которая при нагревании превращается в пар, а при остывании становится твердым льдом.
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.
Учебные материалы
Из всех элементов Периодической системы Д.И. Менделеева 76 составляют металлы. Все металлы имеют общие характерные свойства, отличающие их от других веществ. Это обусловлено особенностями их внутриатомного строения.
Согласно современной теории строения атомов, каждый атом представляет сложную систему, которую схематично можно представить состоящей из положительно заряженного ядра, вокруг которого на разном расстоянии от него движутся отрицательно заряженные электроны.
Притягивающее действие ядра на внешние (валентные) электроны в металлах в значительной степени скомпенсировано электронами внутренних оболочек. Поэтому валентные электроны легко отрываются и свободно перемещаются между образовавшимися положительно заряженными ионами.
Слабая связь отдельных электронов с остальной частью атома и является характерной особенностью атомов металлических веществ, обусловливающей их химические, физические и механические свойства. Общее число не связанных с определенным атомом электронов в различных металлах неодинаково. Этим объясняется довольно значительное различие в степени ”металличности” отдельных металлов. Наличием электронного газа объясняют и особый тип межатомной связи, присущей металлам.
Металлический тип связи характеризуется тем, что между решеткой из положительно заряженных ионов и окружающими их свободными валентными электронами возникает электростатическое притяжение.
Наличие в металлах металлической связи придает им ряд характерных свойств: высокую тепло- и электропроводность; повышенную способность к пластической деформации; термоэлектронную эмиссию, т. е. способность испускать электроны при нагреве; хорошую отражательную способность, т.е. обладают металлическим блеском и непрозрачны; положительный температурный коэффициент электросопротивления, т.е. с повышением температуры электросопротивление металлов увеличивается.
Последнее свойство присуще только металлам, поэтому:
Металл это вещество, имеющее металлический тип связи и положительный температурный коэффициент электросопротивления.
Сила связи в металлах определяется соотношением между силами отталкивания и притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии один от другого, чтобы энергия взаимодействия была минимальной (рис. 1). Сближение атомов (ионов) на расстояние меньше R0 или удаление их на расстояние больше R0 осуществимо лишь при совершении определенной работы против сил отталкивания или притяжения.
В качестве модели такого взаимодействия (рисунок 1, б) можно принять два шара (ионы), между которыми находится пружина (сила взаимодействия). В состоянии равновесия расстояние между шарами R0. Если расстояние уменьшить и сжать пружину, то между шарами появится сила отталкивания (F), которая будет стремиться вернуть их в равновесное состояние. При увеличении расстояния появится сила притяжения (-F).
а б
Рисунок 1 — Силы взаимодействия двух атомов в кристаллической решетке (а) и модель такого взаимодействия (б)
В связи с этим атомы в металлах располагаются закономерно на определенном расстоянии друг от друга, образуя правильную кристаллическую решетку.
Ее следует представлять как мысленно проведенные в пространстве в направлении трех осей координат прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, около которых они совершают колебательные движения. Проведенные линии образуют объемные фигуры правильной геометрической формы.
Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме называется элементарной кристаллической ячейкой.
Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами или периодами решетки. Расстояние между центрами соседних атомов измеряется ангстремами (1 Å=10-10 м), килоиксами (1 кХ=1,00202 Å), нанометрами
(1 нм=10-9 м). Период решетки металлов находится в пределах 1…7 Å.
Половину наименьшего расстояния между центрами атомов называют атомным радиусом.
Плотность кристаллической решетки, объем занятого атомами, характеризуется координационным числом.
Число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома, называется координационным числом.
Чем выше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов. Для кубической ячейки координационное число обозначается буквой ”К”, а гексагональной — ”Г“.
Число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку, называется базисом.
Базис решетки обозначается буквой ”n“. Основными видами ячеек (рисунок 2), которые имеют металлы, являются: кубическая объемноцентрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ).
На одну элементарную ячейку ОЦК приходятся два атома (n=2): один в центре куба, а другой вносят атомы, располагающиеся в вершинах куба. Каждый атом в вершине куба одновременно принадлежит восьми сопряженным элементарным ячейкам, и на данную ячейку приходится лишь 1/8 часть, а на всю ячейку (1/8)х8=1 атом. Координационное число считается для центрального атома и соответствует К8.
На одну элементарную ячейку ГЦК приходится четыре атома (n=4): из них один вносят атомы в вершинах куба, а три суммарно вносят атомы, находящиеся на середине грани, так как каждый из таких атомов принадлежит одновременно двум ячейкам: (1/2)х6=3. Координационное число считается для атома, расположенного в центре грани, и соответствует К12.
На одну элементарную ячейку ГПУ приходится шесть атомов (n=6): из них три находятся внутри ячейки. Два атома в центре граней дают один атом: (1/2)х2=1, а двенадцать вершинных атомов — два атома: (1/6)х12=2. Координационное число считается для атома, расположенного внутри ячейки, и соответствует Г12.
Полиморфные превращения > Дальше >
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.
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.
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).
Отрицательно заряженные электроны держат на равном расстоянии положительно заряженные электроны, предавая кристаллической решётке правильную геометрическую форму. Рис. 1. Схема металлической связи.
Свободное движение электронов обусловливает электро- и теплопроводность металлов.
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: Сварка ацетиленом и кислородом оборудование
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:
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.
Что такое перлит и эвтектоид
Наблюдения показывают, что этот переход происходит следующим образом: по достижении температур GS по границам Наблюдения показывают, что этот переход происходит следующим образом : по достижении температур GS по границам аустенитовых кристаллов выделяются первые порции α — Fe, т. е. феррита, количество которого постепенно увеличивается.
Так как феррит почти не растворяет углерода, то при переходе γ-Fe -> α-Fe концентрация углерода в остаточном аустените постепенно увеличивается и может быть определена по линии G S в зависимости от температуры. Процесс выделения феррита протекает так до тех пор, пока концентрация углерода не будет соответствовать точке 5, т. е. до С=0,83%, а температура не достигнет t=723°.
В точке S кривая GS пересекается с ES — кривой предельной растворимости углерода в аустените. Поэтому дальнейшее насыщение остаточного аустенита углеродом становится уже невозможным, и последующее охлаждение вызывает окончательный распад аустенита, который совершается при постоянной температуре t=723°.
При этом распаде завершается переход γ- Fe->α-Fe, а выделившийся из кристаллической решетки железа углерод образует частицы цементита F3C. Распад аустенита происходит в стесненном объеме в пределах каждого зерна, поэтому продукты распада (феррит и цементит) образуются в виде тесно перемешанных частиц, обычно в виде чередующихся пластинок феррита и цементита.
Схема изменений структуры сталей при переходе через критические точки
Этот продукт распада аустенита называется перлитом; так как перлит имеет строение, подобное эвтектике, то он называется эвтектоидом. Разница между эвтектикой и эвтектоидом заключается в том, что эвтектика образуется из жидкого раствора, а эвтектоид — из твердого.
Образование перлита начинается и заканчивается при постоянной t=723°. Так ппявляется феррито-перлитовая структура сталей, которая при дальнейшем охлаждении от t=723° не претерпевает больше никаких структурных изменений. На рисунке представлены микроструктуры чистого железа и стали при С =0,15% и при С=0,6% (увеличение 100) после травления по-шрованной поверхности микрошлифа 4% раствором HNO3 в этиловом спирте.
Рис. 1. — феррит в чистом железе. Рис. 2 Доэвтектоидная сталь с содержанием С=0,15%
На рис. 1, где показана микроструктура чистого железа, четко выявились границы между светлыми зернами феррита. На рис. 2 представлена микроструктура строительной стали (С=0,15%); светлые поля — это феррит, темные участки — перлит. На рис. 3 приведена микроструктура машиностроительной стали (С=0,6%), из которой изготовляют оси, валы, шатуны и т. п.; большая часть шлифа занята перлитом, а феррит наблюдается только в виде тонкой сетки. Чем больше углерода, тем больше в структуре стали перлита, состав перлита одинаков (С=0,83%). Строение перлита обычно пластинчатое (рис. 4).
Рис. 3 Доэвтектоидная сталь с содержанием С=0,6%. Рис. 4 Эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит).
Феррит, как было указано выше, представляет собой наиболее мягкую пластичную составляющую железоуглеродистых сплавов; цементит, входящий в состав перлита, наиболее твердую и хрупкую, поэтому с увеличением содержания углерода увеличивается прочность и твердость стали, но пластичность и вязкость уменьшаются
Чтобы строительная сталь была достаточно пластичной, количество перлита в ней не должно превосходить 25%, что соответствует содержанию углерода до 0,2%.
В. тех деталях, от которых требуется большая прочность и твердость, но допустимы меньшая пластичность и вязкость (детали машин), применяются стали с большим количеством перлита, с содержанием С до 0,6%. В строительном деле такие стали применяются, например, для изготовления лопат, опорных частей мостовых ферм.
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.
Химия. 11 класс
Конспект урока
Химия, 11 класс
Урок № 4. Строение кристаллов. Кристаллические решётки. Причина многообразия веществ
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: у
рок посвящён изучению кристаллического состояния вещества, зависимости свойств веществ от типов кристаллических решеток. Объясняются причины многообразия веществ, такие как изотопия элементов, аллотропия, изомерия, гомология. Дается понятие химического синтеза.
Аллотропия
– существование нескольких простых веществ, образованных одним и тем же химическим элементом.
Атомная кристаллическая решётка
– регулярная структура твёрдого вещества, в узловых точках которой находятся атомы химического элемента.
Гомология
– явление наличия в природе органических соединений, имеющих одинаковое строение и химические свойства, но отличающихся на некоторое целое число групп СН2— состав.
Изомерия
– явления наличия нескольких веществ, имеющих один и тот же состав, но отличающихся по порядку соединения атомов.
Ионная кристаллическая решетка
– регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой расположены положительно и отрицательно заряженные ионы.
Кристаллическая решетка
– особая структура твёрдого вещества, в которой частицы вещества расположены в строго определенном порядке.
Кристаллы
– твёрдые вещества, имеющие форму правильных многогранников, образованных в результате многократного регулярного повторения расположения составляющих вещество частиц.
Металлическая кристаллическая решетка
– регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой расположены ионы металла.
Молекулярная кристаллическая решетка
– регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой находятся молекулы вещества.
Полиморфизм
– способность твёрдого вещества образовывать различные кристаллические структуры, состоящие из одних и тех же частиц.
Полиморфные модификации
– разные кристаллические структуры, которые образованы частицами одного и того же вещества.
Химический синтез
– процесс искусственного создания новых веществ физическими и химическими методами.
Основная литература:
Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.
Дополнительная литература:
1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.
2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2022. – 352 с.
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.
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.
Особенности строения кристаллической решетки металлов металлический блеск
Письмо с инструкцией по восстановлению пароля будет отправлено на вашу почту
- Главная
- 9-Класс
- Химия
- Видеоурок «Физические свойства металлов»
- § 1 Свойства металлов
- § 2 Общие физические свойства металлов
- § 3 Отличительные особенности металлов
- § 4 Краткие итоги по теме урока
Физические свойства металлов объясняются особенностями строения их кристаллических решеток. В узлах решеток располагаются или положительно заряженные ионы металлов, или их атомы, а между ними перемещаются свободные электроны. Связь, между свободными электронами и ионами металла в кристаллической решетке, называется металлической.
Для металлов характерны как общие физические свойства, так и индивидуальные свойства. Металлический блеск, пластичность и ковкость, теплопроводность и электропроводность – это свойства, характерные для всех металлов, по ним отличают их от неметаллов. Температура плавления, плотность, твердость для каждого металла свои, в этом они отличаются друг от друга.
Пластичность– способность металла изменять форму под действием внешних сил без разрушения и сохранять ее после прекращения воздействия. При воздействии на металлическую кристаллическую решетку происходит смещение слоев атом-ионов металла относительно друг друга без разрыва связей, поэтому для них характерна высокая пластичность.
Наиболее пластичные металлы: золото, серебро, медь, олово, свинец. Например из 1 г золота можно получить тончайшую проволоку длиной около 3 км или же лист, способный покрыть потолок трехкомнатной квартиры площадью около 50 м2. Тончайшие листы золота, толщиной от 1 мкм до 3 мкм, называют сусальным золотом. Его применяют для декоративной отделки изделий, изготовленных в основном из дерева. Листочками сусального золота оклеивают резные деревянные рельефы, предназначенные для украшения интерьеров дворцов, храмов, дорогой мебели.
Электропроводность – свойство вещества проводить электрический ток.
В металлической кристаллической решетке присутствуют свободные электроны, которые при обычных условиях двигаются в беспорядке, а при попадании в электрическое поле начинают двигаться направлено, в результате чего возникает электрический ток.
Наибольшей электропроводностью обладают серебро, медь, золото, алюминий, железо;
а наименьшей – свинец, марганец, вольфрам и ртуть. При повышении температуры электропроводность металлов уменьшается, это объясняется усилением колебательного движения атомов-ионов металлов, что затрудняет направленное движение электронов. При понижении температуры электропроводность увеличивается и вблизи абсолютного нуля переходит в сверхпроводимость. Медь и алюминий наиболее доступные металлы, поэтому их используют в виде проводников электрического тока.
Теплопроводность – способность металла передавать теплоту от более нагретых его частей менее нагретым. Это свойство металлов также объясняется подвижностью свободных электронов, они при движении сталкиваются с колеблющимися в узлах решетки ионами и обмениваются с ними энергией.
При повышении температуры колебания одних ионов передаются другим ионам с помощью электронов, и температура всего металлического предмета быстро выравнивается. Теплопроводность металлов изменяется в той же последовательности, что и электропроводность.
Наибольшей теплопроводностью обладают серебро, медь, золото, алюминий, железо; а наименьшей – свинец, марганец, вольфрам и ртуть.
Если одновременно в горячую воду опустить например чайные ложки, изготовленные из серебра, меди, золота, алюминия, железа, то быстрее нагреется ложка из серебра, так как ее теплопроводность выше теплопроводности других металлов, затем медная, золотая, алюминиевая и затем железная ложки.
Твердость – способность твердого тела сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Все металлы, за исключением ртути, при обычных условиях являются твердыми веществами.
По твердости металлы сравнивают с алмазом, твердость которого принята за 10.
Самыми мягкими являются щелочные металлы (цезий, рубидий, калий, натрий) их можно резать ножом, а самым твердым является хром, он царапают стекло.
Плотность – величина, определяемая отношением массы тела к его объему.
По плотности металлы делятся на легкие (с плотностью менее 5 г/см3) и тяжелые (с плотностью более 5 г/см3). К легким металлам относятся щелочные (литий, натрий), щелочноземельные (кальций, магний) и алюминий. К тяжелым – цинк, железо, никель, медь, серебро, свинец, ртуть, золото, платина. Самый легкий металл – литий (0,53 г/см3), а самый тяжелый – осмий (22,6 г/см3).
Плавкость металлов – это процесс перехода вещества из твердого в жидкое состояние. По температуре плавления металлы можно разделить на легкоплавкие и тугоплавкие.
К легкоплавким относятся металлы, температура плавления которых ниже 10000 С. Это ртуть, галлий, цезий, калий, олово, свинец, цинк, магний, алюминий.
Если температура плавления выше температуры плавления железа 15390 С, то металл является тугоплавким. К ним относятся: титан, хром, ванадий, цирконий, гафний, ниобий, молибден, вольфрам.
Самая низкая температура плавления у ртути – 390 С, поэтому это единственный металл, который при комнатной температуре находится в расплавленном состоянии. Самая высокая температура плавления у вольфрама 34200 С, из этого металла изготавливают нити накаливания электрических ламп.
К физическим свойствам металлов относятся: металлический блеск, пластичность и ковкость, теплопроводность и электропроводность, твердость, плотность, плавкость. Свойства металлов зависят от особенностей строения их кристаллических решеток. Все металлы обладают металлическим блеском, электропроводностью, теплопроводностью, пластичностью. Твердость, плотность и температура плавления и кипения металлов отличаются, на эти показатели влияют расположение атомов и ионов в узлах кристаллической решетки и их атомные радиусы.
