Какой тип кристаллической решетки у железа?

Ярким примером аллотропии является железо, образующее в зависимости от температуры четыре основных аллотропических видоизменения, которые называют: α-Fе, β-Fe, γ-Fe, δ-Fe.

Аллотропические формы α-Fe — альфа железо, β-Fe — бета железо и δ-Fe — сигма железо имеют кристаллическую решетку в форме центрированного куба ( рис. 1, а). Аллотропическая форма γ-Fe — гамма железо имеет кристаллическую решетку в форме куба с центрированными гранями (рис. 1, б).

Переход железа из одной формы в другую — при охлаждении происходит с выделением тепла, а при нагревании — с поглощением тепла. Это отмечается на графиках охлаждения или нагревания железа На рис. 2 дан схематический график охлаждения чистого железа.

Фото кристаллических решеток железа

Кристаллическая решетка — это 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.

Ha этой кривой при переходах одной аллотропической формы в другую наблюдаются площадки постоянных температур, а именно: при t=1535°— затвердевание железа с образованием δ-Fe;

фото кристаллических решеток железа

при t= 1390°—переход δ-Fe — γ-Fe;

при t=898° —переход γ-Fe — β-Fe;

при t=775° —переход β-Fe — α-Fe.

При нагревании железа превращения совершаются в обраном порядке, причем переход β -Fe — > γ-Fe происходит при t= 910° В γ-Fe атомы расположены более тесно, чем в β-Fe, поэьтому переход γ-Fe в β-Fe сопровождается увеличением объема, и наоборот, переход β-Fe в γ-Fe сопровождается уменьшена объема. Фора γ-Fe не магнитна.

Форма α-Fe магнитна. Форма β-Fe не магнитна, но имеет такую же кристаллическую решетку, как магнитная форма α-Fe — поэтому в металлографическом отношении форма β-Fe отождествляется с формой α-Fe и обе формы условно объединяю под одним названием α-Fe.

Главную роль в технологических процессах горячей механической и термической обработки железоуглеродистых сплавов играют: α -Fe и γ-Fe.

Рис. 2 Кривая охлаждения железа

Важное значение для термообработки имеет свойство γ -Fe давать с углеродом твердые растворы. Наибольшая растворимость углерода в γ-Fe (до 1,7%) наблюдается при t=1130°. При повышении и понижении температуры от t= 1130° растворимость углерода в γ-Fe понижается.

Твердый раствор углерода и других элементов в γ-Fe называется аустенитом. α-Fe не образует с углеродом устойчивых твердых растворов, подобно аустениту. Растворимость углерода в α -Fe ничтожна. Твердые растворы небольших количеств С и прочих элементов в α-Fe называют ферритом.

Кроме твердых растворов углерода в железе, в железоуглеродистых сплавах встречается химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe3C, который называется цементитом. Цементит содержит С — 6,67 %. Аустенит и феррит отличаются пластичностью, феррит, кроме того, — мягкостью. Цементит чрезвычайно тверд и хрупок.

Минералы

Железа в виде соединений и минералов на Земле много. Это второй по распространенности металл.

Железные руды делятся на 11 промышленных типов.

Гордимся: Россия имеет больше всех стран железных руд.

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.

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.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Происхождение теллурическое (земное) железо редко встречается в базальтовых лавах (Уифак, о. Диско, у западного берега Гренландии, вблизи г. Касселя Германия). В обоих пунктах с ним ассоциируют пирротин (Fe1-xS) и когенит (Fe3C), что объясняют как восстановление углеродом (в том числе и из вмещающих пород), так и распадом карбонильных комплексов типа Fe(CO)n. В микроскопических зернах оно не раз устанавливалось в измененных (серпентинизированных) ультраосновных породах также в парагенезисе с пирротином, иногда с магнетитом, за счет которых оно и возникает при восстановительных реакциях. Очень редко встречается в зоне окисления рудных месторождений, при образовании болотных руд. Зарегистрированы находки в осадочных породах, связываемые с восстановлением соединений железа водородом и углеводородами.

Почти чистое железо найдено в лунном грунте, что связывают как с падениями метеоритов, так и с магматическими процессами. Наконец, два класса метеоритов — железокаменные и железные содержат природные сплавы железа в качестве породообразующего компонента.

Типы кристаллических решеток

Дистанцию соседними атомами называют параметром решетки, у разных металлов он составляет 2 — 6 ангстрем. Существуют три основных типа кристаллических решеток:

• Кубическая: объемно-центрированная — включает в себя девять атомов. Свойственна железу, хрому, молибдену, и ванадию.
• Кубическая гранецентрированная: включает в себя уже 14 атомов. Присуща меди, золоту, свинцу, алюминию.
• Гексагональная: атомов уже 17 и размещены они наиболее плотно. Так кристаллизуются магний, цинк кадмий и другие.

Получение металла

Есть несколько способов получения железа:

1. Прямые способы. Это производство губчатого железа в шахтных и тоннельных печах. Производство железной крицы во вращающихся печах. Возможно получение железа в реакторах кипящего слоя и химико-термический способ.
2. Доменный процесс — распространенный метод. Железная руда и флюс восстанавливаются углеродом кокса, в результате получаем чугун. При надобности из чугуна удаляют примеси (фосфор, сера) и избытки углерода в мартеновских печах или в конвертерах. Легированную сталь получают в электрических печах (ЭПС).
3. Химически чистое железо можно получить из раствора его солей с помощью электролиза.

История

История железа уходит в тысячелетия. Около 3500 лет назад, как писал А. Азимов,

«техника выплавки … железа была разработана в кавказских предгорьях».

С изобретением сварного оружия пришел век чёрного металла.

В мирной жизни дел у железных орудий хватало: срубить избу, обтесать камень, вспахать поле.

ПРИМЕНЕНИЕ

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95% мирового металлургического производства.

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.

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 [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Научно-популярный журнал Познавайка

Эта статья доступна на английском – Crystal Lattice in Chemistry.

Металлическая кристаллическая решётка

Из-за наличия в узлах ионов, может показаться, что металлическая решетка похожа на ионную. На самом деле, это две совершенно разные модели, с разными свойствами.

Металлическая гораздо гибче и пластичнее ионной, для неё характерна прочность, высокая электро- и теплопроводность, эти вещества хорошо плавятся и отлично проводят электрический ток. Это объясняется тем, что в узлах находятся положительно заряженные ионы металлов (катионы), которые могут перемещаться по всей структуре, тем самым обеспечивают течение электронов. Частицы хаотично движутся около своего узла (они не имеют достаточной энергии, чтобы выйти за пределы), но как только появляется электрическое поле, электроны образуют поток и устремляются из положительной в отрицательную область.

Металлическая кристаллическая решётка характерна для металлов, например: свинец, натрий, калий, кальций, серебро, железо, цинк, платина и так далее. Помимо прочего, она подразделяется ещё на несколько типов упаковок: гексагональная, объёмно центрированная (наименее плотная) и гранецентрированная. Первая упаковка характерна для цинка, кобальта, магния, вторая для бария, железа, натрия, третья для меди, алюминия и кальция.

Таким образом, от типа решётки зависят многие свойства, а также строение вещества. Зная тип, можно предсказать, к примеру, какой будет тугоплавкость или прочность объекта.

Сплавы

Ориентироваться в море сплавов железа (сталей, чугунов) помогает маркировка. Она поможет определить состав сплава, количество углерода и легирующие элементы, отличить их свойства.

Общую характеристику можно дать по химическому составу: это углеродистая и легированная стали.

Стали делят по применению:

СТРУКТУРА

Для железа установлено несколько полиморфных модификаций, из которых высокотемпературная модификация — γ-Fe (выше 906°) образует решетку гранецентрированного куба типа Сu (а0 = 3,63), а низкотемпературная — α-Fe-решетку центрированного куба типа α-Fe (a0 = 2,86).

В интервале температур от самых низких до 910°С — а-феррит (альфа-феррит), имеющий строение кристаллической решетки в виде центрированного куба;

В интервале температур от 910 до 1390°С — аустенит, кристаллическая решетка которого имеет строение гранецентрированного куба;

В интервале температур от 1390 до 1535°С (температура плавления) — д-феррит (дельта-феррит). Кристаллическая решетка д-феррита такая же, как и а-феррита. Различие между ними только в иных (для д-феррита больших) расстояниях между атомами.

При охлаждении жидкого железа первичные кристаллы (центры кристаллизации) возникают одновременно во многих точках охлаждаемого объема. При последующем охлаждении вокруг каждого центра надстраиваются новые кристаллические ячейки, пока не будет исчерпан весь запас жидкого металла.

В результате получается зернистое строение металла. Каждое зерно имеет кристаллическую решетку с определенным направлением его осей.

При последующем охлаждении твердого железа при переходах д-феррита в аустенит и аустенита в а-феррит могут возникать новые центры кристаллизации с соответствующим изменением величины зерна.