Uno dei materiali più comuni con cui le persone hanno sempre preferito lavorare era il metallo. In ogni epoca, la preferenza è stata data a diversi tipi di queste incredibili sostanze. Quindi, IV-III millennio aC sono considerati l'età di Calcolito, o rame. Successivamente viene sostituito dal bronzo, quindi entra in vigore quello che è ancora attuale: il ferro.

Oggi è generalmente difficile immaginare che una volta fosse possibile fare a meno dei prodotti in metallo, perché quasi tutto, dagli articoli per la casa, agli strumenti medici e terminando con apparecchiature pesanti e leggere, è costituito da questo materiale o include parti separate da esso. Perché i metalli sono riusciti a guadagnare tale popolarità? Quali sono le caratteristiche e come è inerente alla loro struttura, proviamo a capirlo ulteriormente.

Concetto generale di metalli

"Chimica. Grado 9" è un libro di testo utilizzato dagli scolari. È in esso che i metalli vengono studiati in dettaglio. L'esame delle loro proprietà fisiche e chimiche è dedicato a un ampio capitolo, perché la loro diversità è estremamente ampia.

È da questa età che si consiglia di dare ai bambini un'idea di questi atomi e delle loro proprietà, perché gli adolescenti possono già apprezzare appieno il valore di tale conoscenza. Vedono perfettamente che la varietà di oggetti, macchine e altre cose che li circondano si basa solo su una natura metallica.

Cos'è un metallo? Dal punto di vista della chimica, è consuetudine riferirsi a questi atomi quelli che hanno:

• piccolo a livello esterno;
• mostrano forti proprietà riparatrici;
• avere un grande raggio atomico;
• come le sostanze semplici hanno un certo numero di proprietà fisiche specifiche.

Le basi della conoscenza di queste sostanze possono essere ottenute considerando la struttura atomico-cristallina dei metalli. Spiega tutte le caratteristiche e le proprietà di questi composti.

Nel sistema periodico, la maggior parte dell'intera tavola è assegnata ai metalli, perché formano tutti i sottogruppi secondari e quelli principali dal primo al terzo gruppo. Pertanto, la loro superiorità numerica è evidente. I più comuni sono:

• calcio;
• sodio;
• titanio;
• ferro da stiro;
• magnesio;
• alluminio;
• potassio.

Tutti i metalli hanno una serie di proprietà che consentono loro di essere combinati in un unico grande gruppo di sostanze. A loro volta, queste proprietà sono spiegate proprio dalla struttura cristallina dei metalli.

Proprietà del metallo

Le proprietà specifiche delle sostanze in esame includono quanto segue.

1. Lucentezza metallica. Tutti i rappresentanti di sostanze semplici lo possiedono e la maggior parte di loro sono uguali Solo alcuni (oro, rame, leghe) differiscono.
2. Malleabilità e plasticità: la capacità di deformarsi e recuperare abbastanza facilmente. In diversi rappresentanti è espresso in misura diversa.
3. La conducibilità elettrica e termica è una delle principali proprietà che determina la portata del metallo e delle sue leghe.

La struttura cristallina di metalli e leghe spiega il motivo di ciascuna delle proprietà indicate e parla della loro gravità in ogni rappresentante specifico. Se conosci le caratteristiche di una tale struttura, puoi influenzare le proprietà del campione e adattarlo ai parametri desiderati, cosa che le persone fanno da molti decenni.

Struttura atomico-cristallina dei metalli

Cos'è una tale struttura, da cosa è caratterizzata? Il nome stesso suggerisce che tutti i metalli sono cristalli allo stato solido, cioè in condizioni normali (tranne il mercurio, che è un liquido). Cos'è un cristallo?

Questa è un'immagine grafica convenzionale costruita attraversando linee immaginarie attraverso gli atomi che allineano il corpo. In altre parole, ogni metallo è composto da atomi. Si trovano in esso non casualmente, ma molto regolarmente e costantemente. Quindi, se combini mentalmente tutte queste particelle in un'unica struttura, otterrai una bellissima immagine sotto forma di un corpo geometrico regolare di qualsiasi forma.

Questo è chiamato il reticolo cristallino del metallo. È molto complesso e spazialmente voluminoso, quindi, per semplicità, non viene mostrato tutto, ma solo una parte, una cella elementare. L'insieme di tali cellule, riunite e riflesse, forma reticoli cristallini. La chimica, la fisica e la scienza dei metalli sono scienze che studiano le caratteristiche strutturali di tali strutture.

Sama è un insieme di atomi che si trovano a una certa distanza l'uno dall'altro e coordinano un numero rigorosamente fisso di altre particelle attorno a loro. È caratterizzato dalla densità di imballaggio, dalla distanza tra le strutture costituenti e dal numero di coordinazione. In generale, tutti questi parametri sono una caratteristica dell'intero cristallo, e quindi riflettono le proprietà esibite dal metallo.

Esistono diverse varietà Sono tutte unite da una caratteristica: ci sono atomi nei nodi e all'interno c'è una nuvola di gas di elettroni, che è formata dal libero movimento degli elettroni all'interno del cristallo.

Tipi di reticoli cristallini

Quattordici opzioni per la struttura del reticolo sono solitamente combinate in tre tipi principali. Sono i seguenti:

1. Cubico centrato sul corpo.
2. Esagonale compatto.
3. Cubico a facce centrate.

La struttura cristallina dei metalli è stata studiata solo quando è diventato possibile ottenere grandi ingrandimenti delle immagini. E la classificazione dei tipi di reticoli è stata introdotta per la prima volta dallo scienziato francese Bravais, con il cui nome vengono talvolta chiamati.

Reticolo centrato sul corpo

La struttura del reticolo cristallino dei metalli di questo tipo è la seguente struttura. Questo è un cubo, ai cui nodi ci sono otto atomi. Un altro si trova al centro dello spazio interno libero della cella, il che spiega il nome "body-centered".

Questa è una delle varianti della struttura più semplice della cella elementare, e quindi dell'intero reticolo nel suo insieme. I seguenti metalli sono di questo tipo:

• molibdeno;
• vanadio;
• cromo;
• manganese;
• ferro alfa;
• beta ferro e altri.

Le principali proprietà di tali rappresentanti sono un alto grado di malleabilità e plasticità, durezza e resistenza.

reticolo centrato sulla faccia

La struttura cristallina dei metalli aventi un reticolo cubico a facce centrate è la seguente struttura. Questo è un cubo, che include quattordici atomi. Otto di loro formano nodi reticolari e altri sei si trovano uno su ciascuna faccia.

Hanno una struttura simile:

• alluminio;
• nichel;
• Guida;
• ferro gamma;
• rame.

Le principali proprietà distintive sono lucentezza di diversi colori, leggerezza, resistenza, malleabilità, maggiore resistenza alla corrosione.

Reticolo esagonale

La struttura cristallina dei metalli con reticoli è la seguente. La cella elementare è basata su un prisma esagonale. Ci sono 12 atomi nei suoi nodi, altri due alle basi e tre atomi giacciono liberamente all'interno dello spazio al centro della struttura. Solo diciassette atomi.

Metalli come:

• alfa titanio;
• magnesio;
• alfa cobalto;
• zinco.

Le proprietà principali sono un alto grado di resistenza, una forte lucentezza argentea.

Difetti nella struttura cristallina dei metalli

Tuttavia, tutti i tipi di cellule considerati possono anche avere difetti naturali o cosiddetti difetti. Ciò può essere dovuto a vari motivi: atomi estranei e impurità nei metalli, influenze esterne e così via.

Pertanto, esiste una classificazione che riflette i difetti che possono avere i reticoli cristallini. La chimica come scienza studia ciascuno di essi al fine di identificare la causa e il rimedio in modo che le proprietà del materiale non vengano modificate. Quindi, i difetti sono i seguenti.

1. Punto. Sono di tre tipi principali: posti vacanti, impurità o atomi dislocati. Portano a un deterioramento delle proprietà magnetiche del metallo, della sua conduttività elettrica e termica.
2. Lineare o dislocazione. Assegna marginale e avvita. Deteriorano la resistenza e la qualità del materiale.
3. difetti superficiali. Influiscono sull'aspetto e sulla struttura dei metalli.

Attualmente sono stati sviluppati metodi per eliminare i difetti e ottenere cristalli puri. Tuttavia, non è possibile sradicarli completamente, il reticolo cristallino ideale non esiste.

Il valore della conoscenza sulla struttura cristallina dei metalli

Dal materiale di cui sopra, è ovvio che la conoscenza della struttura e della struttura fine consente di prevedere le proprietà del materiale e di influenzarle. E questo ti permette di fare la scienza della chimica. Il grado 9 di una scuola di istruzione generale si concentra sull'insegnare agli studenti una chiara comprensione dell'importanza della catena logica fondamentale: composizione - struttura - proprietà - applicazione.

Le informazioni sulla struttura cristallina dei metalli illustrano in modo molto chiaro e consentono all'insegnante di spiegare e mostrare chiaramente ai bambini quanto sia importante conoscere la struttura fine per utilizzare correttamente e con competenza tutte le proprietà.

Un cristallo con una certa formula chimica ha una struttura cristallina intrinseca.
Le strutture cristalline sono strutture che rappresentano un reticolo periodico, ai cui nodi si trovano gli atomi. La struttura cristallina tridimensionale è un reticolo costruito su tre assi coordinati x, y, z, generalmente posizionati agli angoli a, b, g. I periodi di traslazione degli atomi lungo gli assi (parametri del reticolo) sono rispettivamente a, b, c. La cella elementare del cristallo è un parallelepipedo costruito sui vettori di traslazione a, b, c. Tale cellula è chiamata primitiva.
Come risultato della traslazione di una cella elementare nello spazio, si ottiene un semplice reticolo spaziale, il cosiddetto reticolo di Bravais. Esistono quattordici tipi di grigliati Bravais. Questi reticoli differiscono l'uno dall'altro sotto forma di celle elementari.

I reticoli di Bravais sono suddivisi in sette sistemi, detti singonie cristallografiche, secondo sette diversi tipi di celle unitarie: tricline, monocline, rombiche, tetragonali, trigonali, cubiche ed esagonali. Queste cellule elementari possono essere sia primitive che complesse.
La figura mostra celle elementari complesse.

a) centrato sul corpo b) centrato sulla faccia
c) centrato sulla base d) esagonale

centrato sul corpo Cella (OC) (Fig. a) - contiene un atomo aggiuntivo all'intersezione delle diagonali spaziali di un cubo (o, nel caso generale, un parallelepipedo). Metalli come 23 V, 24 Cr, 26 Fe, 41 Nb, 73 Ta, 74 W cristallizzano nella struttura cubica bcc (bcc). (l'indice in basso a sinistra indica il numero dell'elemento nel sistema periodico di elementi di D. I. Mendeleev).
volto centrato Cella (GC) (Fig. b) - contiene un atomo aggiuntivo nel piano di ciascuna faccia. I metalli 13 Al, 28 Ni, 29 Cu, 47 Ag, 78 Pt, 79 Au, ecc. cristallizzano nella struttura cubica fcc (fcc).
centrata sulla base Cella (BC) (Fig. c) - contiene un atomo aggiuntivo al centro delle facce opposte.
Cella esagonale(Fig. d) è costituito da tre celle primitive e, come la cella BC, contiene un atomo ciascuna al centro di facce opposte. Molti metalli cristallizzano nella struttura esagonale: 22 Ti, 27 Co, 30 Zn, 39 Y, 40 Zr, 64 Gd, 71 Lu.
Diversi sistemi cristallografici differiscono tra loro per la forma della cella unitaria: i rapporti tra le lunghezze dei bordi a, b e c e gli angoli α, β e γ tra le facce.
A triclinico sistema (dove non ci sono assi e piani di simmetria), tale cella è un parallelepipedo, tutti i cui bordi e angoli non sono uguali tra loro. A monoclinicoè un parallelepipedo inclinato; in rombico(o ortorombico) - un parallelepipedo rettangolare con bordi disuguali, in tetragonale- un parallelepipedo rettangolare, alla base del quale giace un quadrato; in trigonale(romboedrico) - un romboedro rettangolare, i cui lati sono uguali e gli angoli sono gli stessi, ma diversi da 90 o inferiori a 120 o; in esagonale- un prisma diritto, la cui base è un rombo con angoli di 120° e 60°, e tre celle formano un prisma esagonale; nel sistema cubico, la cella unitaria è un cubo.

Attualmente sono già stati identificati più di mille tipi strutturali, ma coprono solo una piccola percentuale delle strutture cristalline conosciute.
Nella classificazione internazionale per gruppi di strutture viene adottata la seguente classificazione:
MA- elementi;
A- composti di tipo AB (ad esempio NaCl, CsI);
Insieme a- composti di tipo AB 2 (CaF 2 , TiO 2);
D- composti di tipo A n B m (Al 2 O 3);
e- composti formati da più di due tipi di atomi senza radicali o ioni complessi (ad esempio CuFeS);
F-strutture di composti con ioni biatomici o triatomici (KCNS, NaHF 2);
G- composti con ioni tetraatomici (CaCO 3 , NaClO 3);
H- composti con ioni pentaatomici (CaSO 4 .2H 2 O, CaWO 4);
l- leghe;
S-silicati.
Le varietà di tipi all'interno di un gruppo si distinguono in base ai numeri.

Il concetto di tipo strutturale- uno dei criteri per la somiglianza o differenza nella struttura dei cristalli. Solitamente il tipo strutturale si riferisce al nome di una delle sostanze che in essa si cristallizzano. Le strutture dei cristalli appartenenti allo stesso tipo strutturale sono identiche fino al punto di somiglianza. Il tipo strutturale in cristallografia determina la disposizione relativa delle particelle (atomi o gruppi atomici) in un cristallo, senza specificare le distanze assolute tra di loro. Per descrivere una struttura particolare, è necessario specificare il tipo di struttura ei parametri della struttura.
I tipi strutturali più importanti e comuni includono: la struttura del rame ( digitare un), struttura in tungsteno ( tipo A 2), struttura in magnesio ( digitare A 3), struttura a diamante ( tipo A 4), struttura in grafite ( digitare A 9), struttura in salgemma ( tipo B 1), struttura perovskite ( tipo E 2), struttura a spinello ( tipo H 11).

Digitare un(Struttura in rame)
Nel tipo strutturale del rame cristallizzano molti metalli: oro, argento, nichel, alluminio, calcio, torio, piombo, ecc. Tutti questi metalli sono relativamente teneri, duttili e facili da lavorare. Molti di loro formano serie continue di soluzioni solide, ad esempio Ag-Au, Cu-Au. Anche i composti intermetallici AuSb, Au 2 Bi, Au 2 Pb, Cu 2 Mg, Bi 2 K, ZrH, TiH, ecc. hanno una struttura di tipo rame.
La cella elementare del rame è cubica, centrata sulla faccia. Gli atomi si trovano ai vertici e al centro delle facce delle cellule F. Ci sono 4 atomi per cella unitaria. Ogni atomo è circondato da 12 atomi più vicini, numero di coordinazione (c.h.) =12. Il poliedro di coordinazione è un cubottaedro. La struttura ha un sistema regolare di punti con una molteplicità di 4. Gli strati più densi 1 sono perpendicolari alle direzioni. L'imballaggio cubico a tre strati più denso....ABCABC....Gruppo spaziale Fm3m.

Digitare A 2(Struttura in tungsteno)
Il tipo strutturale di tungsteno (il tipo di metalli BCC) comprende metalli refrattari: cromo, vanadio, molibdeno, niobio, tantalio, -cobalto, -ferro, titanio, zirconio, afnio, elementi alcalini - litio, sodio, potassio, rubidio, cesio , alcalino terroso - calcio, stronzio, bario, attinidi - uranio, nettunio, plutonio. AgZn, Cu 3 Al, CoAl, Cu 5 Sn, LiAg, LiAl, TaH, ecc. cristallizzano da composti intermetallici nella struttura bcc.
In una cella di tungsteno cubica centrata sul corpo, gli atomi si trovano ai vertici e al centro della cella, cioè Ci sono due atomi per cella. La struttura bcc non è l'imballaggio di atomi più vicino. Il fattore di compattezza è 0,68. Il gruppo spaziale del tungsteno è Im3m.

Tipo A3(Struttura di magnesio)
Nel tipo strutturale di magnesio cristallizzano metalli esagonali: cadmio, berillio, tallio, titanio, nichel, cromo, ecc. Questa struttura è caratteristica anche dei composti intermetallici AgCd, AgCd 3 , AuCd, AuCd 3 , CuCd 3 , AgZn 3 , AuZn 3, NiMo, TiH, W2C, ecc.
La cellula elementare del magnesio è elementare primitiva. I centri degli atomi si trovano ai vertici di esagoni regolari: a tre vertici - attraverso uno, - gli atomi dello strato superiore, ad altri tre vertici - gli atomi dello strato inferiore. La cella unitaria è costruita su tre traslazioni, due delle quali giacciono in uno strato denso di atomi e formano un angolo = 120° tra loro, la terza è perpendicolare a questo strato. La cella unitaria può essere divisa da un piano in due prismi trigonali. Un atomo si trova al centro di uno dei prismi, l'altro è libero, popolato e i prismi vuoti si alternano tra loro. Ci sono due atomi di magnesio per cella unitaria.
Ogni atomo di magnesio è circondato da dodici atomi più vicini: sei - nello stesso strato, tre nello strato successivo dall'alto e tre nello strato successivo dal basso, c.n. = 12. Strati densi - piani basali (0001), esagonali, impaccamento a due strati....ABAVABAB.... I cristalli di metallo con una struttura esagonale densamente impacchettata si deformano più facilmente lungo i piani (0001) e le direzioni corrispondenti all'impacchettamento più denso di atomi. Il poliedro di coordinazione è un cubottaedro esagonale. Il gruppo spaziale del magnesio è P63/mmc.

Cella cubica a facce centrata relativa al sistema cubico; Vedi anche: cella cella elettrolitica cella centrata sulla faccia ...

Cellula- : Vedi anche: cella elettrolitica cella centrata sulla faccia cella centrata sulla base ... Dizionario enciclopedico di metallurgia

CELLULA CUBICA CENTRATA SUL VISO- uno dei 14 tipi di grigliati Bravais. È caratterizzato dalla disposizione dei nodi ai vertici e al centro di tutte le facce del cubo. Dizionario geologico: in 2 volumi. M.: Nedra. A cura di KN Paffengolts et al. 1978 ... Enciclopedia geologica

sistema cubico- singonia cristallografica, che è caratterizzata dal rapporto tra gli angoli ei bordi della cella unitaria del cristallo: a = b = c, α = β = γ = 90º. È suddiviso in 5 classi (gruppi di simmetria puntuale). * * * CUBIC SYNGONY CUBIC… … dizionario enciclopedico

reticolo cubico (K6)- reticolo cristallino, la cui cella elementare appartiene alla singonia cubica; Vedi anche: Lattice reticolo triclinico reticolo tetragonale reticolo spaziale … Dizionario enciclopedico di metallurgia

Sistema cubico

Reticolo cubico a facce centrate- In cristallografia, il sistema cubico è una delle sette singonie. La cella unitaria di un cristallo cubico è determinata da tre vettori di uguale lunghezza, perpendicolari tra loro. Nella singonia cubica, ci sono tre tipi di reticoli Bravais: ... ... Wikipedia

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cella elettrolitica- un recipiente con un elettrolita, dotato di elettrodi, in cui si realizzano reazioni elettrochimiche; il principale elemento strutturale degli elettrolizzatori industriali. I design delle celle elettrolitiche sono estremamente diversi. A… … Dizionario enciclopedico di metallurgia

cellula centrata sulla faccia- una cella elementare di cristallo a forma di parallelepipedo, al centro di ciascuna faccia della quale è presente un atomo aggiuntivo, che è dello stesso tipo degli atomi ai suoi vertici; Vedi anche: cella elettrolitica... Dizionario enciclopedico di metallurgia

Tutti i metalli allo stato solido hanno una struttura cristallina. Gli atomi in un metallo solido sono ordinati e formano reticoli cristallini (Fig. 1).

Riso. Fig. 1. Schemi di reticoli cristallini: a – cubico a corpo centrato; b - centrato sulla faccia; c - esagonale compatto

Cella di cristallo rappresenta il volume più piccolo del cristallo, che fornisce un quadro completo della struttura atomica del metallo, ed è chiamato cella unitaria.

I metalli sono caratterizzati da reticoli cristallini di tre tipi: cubici a corpo centrato (bcc), in cui gli atomi si trovano ai vertici della cella unitaria e uno al suo centro; cubica a facce centrate (fcc), in cui gli atomi si trovano ai vertici della cella unitaria e al centro delle sue facce; esagonale compatto (hcp), che è un prisma esagonale in cui gli atomi sono disposti in tre strati.

Le proprietà del materiale dipendono dal tipo di reticolo cristallino e dai parametri che lo caratterizzano:

1) distanza interatomica, misurato in angstrom 1А°=10 -8 cm

2) densità di imballaggio ( base reticolareè il numero di particelle per cella unitaria). Cubico semplice - B1, bcc - B2, fcc - B4, hcp - B6.

3) numero di coordinazione(KN) - il numero massimo di atomi equidistanti e situati alla distanza più vicina dall'atomo preso come punto di riferimento. Cubico semplice - KN=6, BCC - KN=8, FCC - KN=12, HPU - KN=12.

Le proprietà del materiale definite nella direzione del piano frontale e del piano diagonale sono diverse: questo fenomeno è chiamato anisotropia, cioè proprietà irregolari in direzioni diverse. Tutti i materiali metallici hanno questa proprietà. I corpi amorfi hanno la proprietà isotropia, cioè. hanno le stesse proprietà in tutte le direzioni.

I reticoli cristallini possono presentare varie imperfezioni strutturali che modificano significativamente le proprietà del materiale. Un vero cristallo singolo ha sempre una superficie libera (esterna), sulla quale, già a causa della tensione superficiale, il reticolo risulta distorto.

I difetti della struttura interna si dividono in puntiformi, lineari e planari.

I difetti puntuali includono le vacanze (quando i singoli siti del reticolo cristallino non sono occupati da atomi); atomi dislocati (se i singoli atomi sono negli interstizi) o atomi di impurità, il cui numero è molto grande anche nei metalli puri. In prossimità di tali difetti, il reticolo sarà deformato elasticamente a una distanza di uno o due periodi (Fig. 2a).

Riso. 2. Difetti nel reticolo cristallino: un punto; b - lineare; c - planare

I difetti lineari sono piccoli nelle due dimensioni e abbastanza grandi nella terza. Tali difetti includono lo spostamento dei piani atomici o le dislocazioni e le catene di posti vacanti (Fig. 2b). La proprietà più importante di tali difetti è la loro mobilità all'interno del cristallo e l'interazione attiva tra loro e con altri difetti.

Un cambiamento nel reticolo cristallino di un materiale è possibile sotto l'influenza di fattori esterni, vale a dire temperatura e pressione. Alcuni metalli allo stato solido in diversi intervalli di temperatura acquisiscono diversi reticoli cristallini, il che porta sempre a un cambiamento nelle loro proprietà fisico-chimiche.

Viene chiamata l'esistenza dello stesso metallo in diverse forme cristalline polimorfismo. La temperatura alla quale si verifica un cambiamento nel reticolo cristallino è chiamata temperatura della trasformazione polimorfica. Tutti i processi di trattamento termico si basano su questo fenomeno. Le modifiche polimorfiche sono indicate da lettere greche (a, b, g e altre, che vengono aggiunte come indice al simbolo dell'elemento).