Unul dintre cele mai comune materiale cu care oamenii au preferat întotdeauna să lucreze a fost metalul. În fiecare epocă, s-a acordat preferință diferitelor tipuri de aceste substanțe uimitoare. Deci, mileniile IV-III î.Hr. sunt considerate a fi epoca Calcolitului, sau a cuprului. Ulterior este înlocuit de bronz, iar apoi intră în vigoare cel care este și astăzi de actualitate - fierul.

Astăzi este în general dificil de imaginat că odată a fost posibil să se facă fără produse metalice, deoarece aproape totul, de la articole de uz casnic, instrumente medicale și terminând cu echipamente grele și ușoare, constă din acest material sau include piese separate din acesta. De ce au reușit metalele să câștige atâta popularitate? Care sunt caracteristicile și cum este inerente structurii lor, să încercăm să ne dăm seama mai departe.

Conceptul general de metale

"Chimie. Clasa a 9-a" este un manual folosit de școlari. În el, metalele sunt studiate în detaliu. Luarea în considerare a proprietăților lor fizice și chimice este dedicată unui capitol amplu, deoarece diversitatea lor este extrem de mare.

De la această vârstă se recomandă să le oferi copiilor o idee despre acești atomi și proprietățile lor, deoarece adolescenții pot aprecia deja pe deplin valoarea unor astfel de cunoștințe. Ei văd perfect că varietatea de obiecte, mașini și alte lucruri care le înconjoară se bazează doar pe o natură metalică.

Ce este un metal? Din punct de vedere al chimiei, se obișnuiește să se facă referire la acești atomi cei care au:

• mic la nivel extern;
• prezintă proprietăți de restaurare puternice;
• au o rază atomică mare;
• cum substanțele simple au o serie de proprietăți fizice specifice.

Baza cunoștințelor despre aceste substanțe poate fi obținută luând în considerare structura atomo-cristalină a metalelor. Acesta explică toate caracteristicile și proprietățile acestor compuși.

În sistemul periodic, cea mai mare parte a întregului tabel este alocată pentru metale, deoarece acestea formează toate subgrupurile secundare și pe cele principale de la primul până la al treilea grup. Prin urmare, superioritatea lor numerică este evidentă. Cele mai frecvente sunt:

• calciu;
• sodiu;
• titan;
• fier;
• magneziu;
• aluminiu;
• potasiu.

Toate metalele au o serie de proprietăți care le permit să fie combinate într-un grup mare de substanțe. La rândul lor, aceste proprietăți sunt explicate tocmai prin structura cristalină a metalelor.

Proprietățile metalului

Proprietățile specifice ale substanțelor luate în considerare includ următoarele.

1. Luciu metalic. Toți reprezentanții substanțelor simple o posedă și majoritatea sunt la fel. Doar unele (aur, cupru, aliaje) diferă.
2. Maleabilitatea și plasticitatea - capacitatea de a se deforma și de a se recupera destul de ușor. În diferiți reprezentanți se exprimă într-o măsură diferită.
3. Conductivitatea electrică și termică este una dintre principalele proprietăți care determină domeniul de aplicare al metalului și aliajelor sale.

Structura cristalină a metalelor și aliajelor explică motivul fiecăreia dintre proprietățile indicate și vorbește despre severitatea lor în fiecare reprezentant specific. Dacă cunoașteți caracteristicile unei astfel de structuri, atunci puteți influența proprietățile eșantionului și o puteți ajusta la parametrii doriti, ceea ce oamenii au făcut de multe decenii.

Structura atomo-cristalină a metalelor

Ce este o astfel de structură, prin ce se caracterizează? Numele în sine sugerează că toate metalele sunt cristale în stare solidă, adică în condiții normale (cu excepția mercurului, care este lichid). Ce este un cristal?

Aceasta este o imagine grafică convențională construită prin încrucișarea liniilor imaginare prin atomii care aliniază corpul. Cu alte cuvinte, fiecare metal este format din atomi. Ele sunt localizate în el nu la întâmplare, ci foarte regulat și consecvent. Deci, dacă combinați mental toate aceste particule într-o singură structură, veți obține o imagine frumoasă sub forma unui corp geometric obișnuit de orice formă.

Aceasta se numește rețeaua cristalină a metalului. Este foarte complexă și voluminoasă din punct de vedere spațial, prin urmare, pentru simplitate, nu este prezentată în totalitate, ci doar o parte, o celulă elementară. Setul de astfel de celule, reunite și reflectate în și formează rețele cristaline. Chimia, fizica și știința metalelor sunt științe care studiază caracteristicile structurale ale unor astfel de structuri.

Sama este un set de atomi care sunt localizați la o anumită distanță unul de celălalt și coordonează un număr strict fix de alte particule în jurul lor. Se caracterizează prin densitatea de ambalare, distanța dintre structurile constitutive și numărul de coordonare. În general, toți acești parametri sunt o caracteristică a întregului cristal și, prin urmare, reflectă proprietățile prezentate de metal.

Există mai multe varietăți.Toți sunt uniți printr-o singură caracteristică - există atomi în noduri, iar în interior există un nor de gaz de electroni, care se formează prin mișcarea liberă a electronilor în interiorul cristalului.

Tipuri de rețele cristaline

Paisprezece opțiuni pentru structura rețelei sunt de obicei combinate în trei tipuri principale. Acestea sunt următoarele:

1. Cubic centrat pe corp.
2. Hexagonal strâns.
3. Cubic centrat pe față.

Structura cristalină a metalelor a fost studiată numai atunci când a devenit posibilă obținerea unor mari măriri ale imaginilor. Iar clasificarea tipurilor de zăbrele a fost introdusă pentru prima dată de omul de știință francez Bravais, sub al cărui nume sunt uneori numite.

Rețea centrată pe corp

Structura rețelei cristaline a metalelor de acest tip este următoarea structură. Acesta este un cub, la nodurile căruia se află opt atomi. Un altul este situat în centrul spațiului intern liber al celulei, ceea ce explică denumirea de „centrat pe corp”.

Aceasta este una dintre variantele celei mai simple structuri a celulei elementare și, prin urmare, întreaga rețea în ansamblu. Următoarele metale sunt de acest tip:

• molibden;
• vanadiu;
• crom;
• mangan;
• fier alfa;
• fier beta și altele.

Principalele proprietăți ale unor astfel de reprezentanți sunt un grad ridicat de maleabilitate și plasticitate, duritate și rezistență.

rețea centrată pe față

Structura cristalină a metalelor având o rețea cubică centrată pe față este următoarea structură. Acesta este un cub, care include paisprezece atomi. Opt dintre ele formează noduri de zăbrele, iar încă șase sunt situate câte unul pe fiecare față.

Au o structură similară:

• aluminiu;
• nichel;
• conduce;
• fier gama;
• cupru.

Principalele proprietăți distinctive sunt luciul de diferite culori, ușurința, rezistența, maleabilitatea, rezistența crescută la coroziune.

Rețea hexagonală

Structura cristalină a metalelor cu rețele este următoarea. Celula elementară se bazează pe o prismă hexagonală. Există 12 atomi în nodurile sale, încă doi la baze și trei atomi se află liber în spațiul din centrul structurii. Doar șaptesprezece atomi.

Metale precum:

• alfa titan;
• magneziu;
• alfa cobalt;
• zinc.

Principalele proprietăți sunt un grad ridicat de rezistență, o strălucire argintie puternică.

Defecte ale structurii cristaline a metalelor

Cu toate acestea, toate tipurile de celule considerate pot avea și defecte naturale, sau așa-numitele defecte. Acest lucru se poate datora diferitelor motive: atomi străini și impurități din metale, influențe externe și așa mai departe.

Prin urmare, există o clasificare care reflectă defectele pe care le pot avea rețelele cristaline. Chimia ca știință le studiază pe fiecare pentru a identifica cauza și remediul, astfel încât proprietățile materialului să nu fie modificate. Deci, defectele sunt următoarele.

1. Punct. Ele vin în trei tipuri principale: vacante, impurități sau atomi dislocați. Acestea duc la o deteriorare a proprietăților magnetice ale metalului, conductivității sale electrice și termice.
2. Linear sau dislocare. Alocați marginal și șurub. Deteriorează rezistența și calitatea materialului.
3. defecte de suprafață. Acestea afectează aspectul și structura metalelor.

În prezent s-au dezvoltat metode pentru eliminarea defectelor și obținerea de cristale pure. Cu toate acestea, nu este posibil să le eradicați complet; rețeaua cristalină ideală nu există.

Valoarea cunoștințelor despre structura cristalină a metalelor

Din materialul de mai sus, este evident că cunoașterea structurii și structurii fine face posibilă prezicerea proprietăților materialului și influențarea acestora. Și acest lucru vă permite să faceți știința chimiei. Clasa a 9-a a unei școli de învățământ general se concentrează pe învățarea elevilor a înțelegerii clare a importanței lanțului logic fundamental: compoziție - structură - proprietăți - aplicare.

Informațiile despre structura cristalină a metalelor ilustrează foarte clar și permit profesorului să explice clar și să le arate copiilor cât de important este să cunoască structura fină pentru a utiliza corect și competent toate proprietățile.

Un cristal cu o anumită formulă chimică are o structură cristalină inerentă.
Structurile cristaline sunt structuri care reprezintă o rețea periodică, la nodurile cărora se află atomii. Structura cristalină tridimensională este o rețea construită pe trei axe de coordonate x, y, z, situate în general la unghiurile a, b, g. Perioadele de translație ale atomilor de-a lungul axelor (parametrii rețelei) sunt, respectiv, a, b, c. Celula elementară a cristalului este un paralelipiped construit pe vectorii de translație a, b, c. O astfel de celulă se numește primitivă.
Ca urmare a translației unei celule elementare în spațiu, se obține o rețea spațială simplă - așa-numita rețea Bravais. Există paisprezece tipuri de grătare Bravais. Aceste rețele diferă unele de altele sub formă de celule elementare.

Rețelele Bravais sunt subîmpărțite în șapte sisteme, numite singoii cristalografice, în funcție de șapte tipuri diferite de celule unitare: triclinic, monoclinic, rombic, tetragonal, trigonal, cubic și hexagonal. Aceste celule elementare pot fi atât primitive, cât și complexe.
Figura prezintă celule elementare complexe.

a) centrat pe corp b) centrat pe față
c) centrat pe bază d) hexagonal

centrat pe corp Celula (OC) (Fig. a) - conține un atom suplimentar la intersecția diagonalelor spațiale ale unui cub (sau, în cazul general, un paralelipiped). Metale precum 23 V, 24 Cr, 26 Fe, 41 Nb, 73 Ta, 74 W cristalizează în structura cubică bcc (bcc). (indicele din stânga jos indică numărul elementului din sistemul periodic de elemente al lui D. I. Mendeleev).
fata centrata Celula (GC) (Fig. b) - conține un atom suplimentar în planul fiecărei fețe. Metalele 13 Al, 28 Ni, 29 Cu, 47 Ag, 78 Pt, 79 Au etc. cristalizează în structura cubică fcc (fcc).
baza centrată Celula (BC) (Fig. c) - conține un atom suplimentar în centrele fețelor opuse.
Celulă hexagonală(Fig. d) este format din trei celule primitive și, ca și celula BC, conține câte un atom în centrul fețelor opuse. Multe metale cristalizează în structura hexagonală - 22 Ti, 27 Co, 30 Zn, 39 Y, 40 Zr, 64 Gd, 71 Lu.
Diferite sisteme cristalografice diferă între ele prin forma celulei unitare: rapoartele dintre lungimile muchiilor a, b și c și unghiurile α, β și γ dintre fețe.
ÎN triclinic sistem (unde nu există axe și planuri de simetrie), o astfel de celulă este un paralelipiped, ale cărui margini și unghiuri nu sunt egale între ele. ÎN monoclinic este un paralelipiped înclinat; în rombic(sau ortorombic) - un paralelipiped dreptunghic cu margini inegale, in tetragonală- un paralelipiped dreptunghic, la baza căruia se află un pătrat; în trigonală(romboedric) - un romboedru dreptunghiular, ale cărui laturi sunt egale, iar unghiurile sunt aceleași, dar diferite de 90 o și mai mici de 120 o; în hexagonal- o prismă dreaptă, a cărei bază este un romb cu unghiuri de 120 o și 60 o, iar trei celule alcătuiesc o prismă hexagonală; în sistemul cubic, celula unitate este un cub.

În prezent, au fost identificate deja peste o mie de tipuri structurale, dar acestea acoperă doar câteva procente din structurile cristaline cunoscute.
În clasificarea internațională pe grupe de structuri se adoptă următoarea clasificare:
DAR- elemente;
ÎN- compuși de tip AB (de exemplu, NaCl, CsI);
DIN- compuşi de tip AB 2 (CaF 2 , TiO 2);
D- compuşi de tip A n B m (Al 2 O 3);
E- compuși formați din mai mult de două feluri de atomi fără radicali sau ioni complecși (de exemplu, CuFeS);
F-structuri ale compuşilor cu ioni diatomici sau triatomici (KCNS, NaHF 2);
G- compuşi cu ioni tetraatomici (CaCO 3 , NaClO 3);
H- compuşi cu ioni pentaatomi (CaSO 4 .2H 2 O, CaWO 4);
L- aliaje;
S-silicații.
Soiurile de tipuri din cadrul unui grup se disting prin numere.

Conceptul de tip structural- unul dintre criteriile pentru asemănarea sau diferența în structura cristalelor. De obicei, tipul structural se referă la denumirea uneia dintre substanțele care cristalizează în ea. Structurile cristalelor aparținând aceluiași tip structural sunt identice până la punctul de similitudine. Tipul structural în cristalografie determină aranjarea relativă a particulelor (atomi sau grupări atomice) într-un cristal, fără a preciza distanțele absolute dintre ele. Pentru a descrie o anumită structură, trebuie să specificați tipul structurii și parametrii structurii.
Cele mai importante și comune tipuri structurale includ: structura cuprului ( tipul A), structura tungsten ( tipul A 2), structura magneziului ( tipul A 3), structura de diamant ( tip A 4), structura de grafit ( tip A 9), structura sării geme ( tipul B 1), structura de perovskit ( tip E 2), structura spinelului ( tip H 11).

Tip A(Structura de cupru)
În tipul structural de cupru, multe metale cristalizează: aur, argint, nichel, aluminiu, calciu, toriu, plumb etc. Toate aceste metale sunt relativ moi, ductile și ușor de prelucrat. Multe dintre ele formează serii continue de soluții solide, de exemplu, Ag-Au, Cu-Au. Compușii intermetalici AuSb, Au 2 Bi, Au 2 Pb, Cu 2 Mg, Bi 2 K, ZrH, TiH etc., au de asemenea o structură de tip cupru.
Celula elementară a cuprului este cubică, centrată pe față. Atomii sunt localizați la vârfurile și centrele fețelor celulelor F. Există 4 atomi pe unitate de celulă. Fiecare atom este înconjurat de 12 atomi cei mai apropiați, numărul de coordonare (c.h.) =12. Poliedrul de coordonare este un cuboctaedru. Structura are un sistem regulat de puncte cu o multiplicitate de 4. Straturile cele mai dense 1 sunt perpendiculare pe direcții. Cel mai dens ambalaj cubic cu trei straturi....ABCABC....Grup spațial Fm3m.

Tip A 2(Structura tungstenului)
Tipul structural de wolfram (tipul de metale BCC) include metale refractare: crom, vanadiu, molibden, niobiu, tantal, -cobalt, -fier, titan, zirconiu, hafniu, elemente alcaline - litiu, sodiu, potasiu, rubidiu, cesiu , alcalino-pământos - calciu, stronțiu, bariu, actinide - uraniu, neptuniu, plutoniu. AgZn, Cu 3 Al, CoAl, Cu 5 Sn, LiAg, LiAl, TaH etc. cristalizează din compuși intermetalici din structura bcc.
Într-o celulă de tungsten cubică centrată pe corp, atomii sunt localizați la vârfuri și în centrul celulei, adică. Există doi atomi pe celulă. Structura bcc nu este cea mai apropiată împachetare de atomi. Factorul de compactitate este 0,68. Grupul spațial al tungstenului este Im3m.

Tip A3(Structura magneziului)
În tipul structural de magneziu, metalele hexagonale cristalizează: cadmiu, beriliu, taliu, titan, nichel, crom etc. Această structură este, de asemenea, caracteristică compușilor intermetalici AgCd, AgCd 3 , AuCd , AuCd 3 , CuCd 3 , AgZn 3 , AuZn 3, NiMo, TiH, W2C etc.
Celula elementară a magneziului este primitivă elementară. Centrele atomilor sunt situate la vârfurile hexagoanelor regulate: la trei vârfuri - printr-unul, - atomii stratului superior, la alte trei vârfuri - atomii stratului inferior. Celula unitară este construită pe trei translații, dintre care două se află într-un strat dens împachetat de atomi și formează un unghi = 120 o între ei, a treia este perpendiculară pe acest strat. Celula unitară poate fi împărțită printr-un plan în două prisme trigonale. Un atom este situat în centrul uneia dintre prisme, celălalt este liber, populat și prisme goale alternează între ele. Există doi atomi de magneziu pe unitate de celulă.
Fiecare atom de magneziu este înconjurat de doisprezece cei mai apropiați atomi: șase - în același strat, trei în următorul strat de sus și trei în următorul strat de jos, c.n. = 12. Straturi dense - planuri bazale (0001), hexagonale, împachetare în două straturi....ABAVABAV.... Cristalele metalice cu o structură hexagonală dens împachetate sunt cel mai ușor deformate de-a lungul planurilor (0001) și direcțiilor corespunzătoare celei mai dense împachetare a atomilor. Poliedrul de coordonare este un cuboctaedru hexagonal. Grupul spațial al magneziului este P63/mmc.

Celulă cubică centrată pe față legată de sistemul cubic; Vezi și: celulă celulă electrolitică celulă centrată pe față...

Celulă- : Vezi și: celulă electrolitică celulă centrată pe față celulă centrată pe bază ... Dicţionar Enciclopedic de Metalurgie

CELULA CUBICA CENTRATA PE FATA- unul dintre cele 14 tipuri de grătare Bravais. Se caracterizează prin dispunerea nodurilor la vârfurile și în centrele tuturor fețelor cubului. Dicţionar geologic: în 2 volume. M.: Nedra. Editat de K. N. Paffengolts și colab., 1978... Enciclopedia Geologică

sistem cubic- singonia cristalografică, care se caracterizează prin raportul dintre colțurile și marginile celulei unitare a cristalului: a = b = c, α = β = γ = 90º. Este subdivizată în 5 clase (grupe de simetrie punctuală). * * * SINGONIA CUBICĂ CUBIC… … Dicţionar enciclopedic

zăbrele cubice (K6)- rețea cristalină, a cărei celulă elementară aparține singoniei cubice; Vezi și: Rețea rețea triclinică rețea tetragonală rețea spațială … Dicţionar Enciclopedic de Metalurgie

Sistem cubic

Rețea cubică centrată pe față- În cristalografie, sistemul cubic este una dintre cele șapte singonii. Celula unitară a unui cristal cubic este determinată de trei vectori de lungime egală, perpendiculari unul pe celălalt. În singonia cubică, există trei tipuri de rețele Bravais: ... ... Wikipedia

Grile cubice- În cristalografie, sistemul cubic este una dintre cele șapte singonii. Celula unitară a unui cristal cubic este determinată de trei vectori de lungime egală, perpendiculari unul pe celălalt. În singonia cubică, există trei tipuri de rețele Bravais: ... ... Wikipedia

Grile cubice- În cristalografie, sistemul cubic este una dintre cele șapte singonii. Celula unitară a unui cristal cubic este determinată de trei vectori de lungime egală, perpendiculari unul pe celălalt. În singonia cubică, există trei tipuri de rețele Bravais: ... ... Wikipedia

celulă electrolitică- un vas cu electrolit, dotat cu electrozi, in care se realizeaza reactii electrochimice; principalul element structural al electrolizatoarelor industriale. Modelele de celule electrolitice sunt extrem de diverse. ÎN… … Dicţionar Enciclopedic de Metalurgie

celulă centrată pe față- o celulă elementară a unui cristal sub formă de paralelipiped, în centrul fiecărei fețe a cărei se află un atom suplimentar, care este de același tip cu atomii de la vârfurile sale; Vezi și: celulă electrolitică... Dicţionar Enciclopedic de Metalurgie

Toate metalele în stare solidă au o structură cristalină. Atomii dintr-un metal solid sunt ordonați și formează rețele cristaline (Fig. 1).

Orez. Fig. 1. Diagrame ale rețelelor cristaline: a – cubic centrat pe corp; b - centrat pe față; c - împachetat strâns hexagonal

Celulă de cristal reprezintă cel mai mic volum al cristalului, care oferă o imagine completă a structurii atomice a metalului și se numește celulă unitară.

Metalele se caracterizează prin rețele cristaline de trei tipuri: cubic body-centered (bcc), în care atomii sunt localizați la vârfurile celulei unității și unul în centrul acesteia; cubic centrat pe fețe (fcc), în care atomii sunt situați la vârfurile celulei unitate și la centrele fețelor sale; hexagonal close-packed (hcp), care este o prismă hexagonală în care atomii sunt aranjați în trei straturi.

Proprietățile materialului depind de tipul rețelei cristaline și de parametrii care îl caracterizează:

1) distanta interatomica, măsurată în angstromi 1°=10 -8 cm

2) densitatea de ambalare ( bază de zăbrele este numărul de particule pe unitate de celulă). Cubic simplu - B1, bcc - B2, fcc - B4, hcp - B6.

3) număr de coordonare(KN) - numarul maxim de atomi echidistante si situati la cea mai apropiata distanta de atom luat ca punct de referinta. Cubic simplu - KN=6, BCC - KN=8, FCC - KN=12, HPU - KN=12.

Proprietățile materialului definite în direcția planului frontal și a planului diagonal sunt diferite - acest fenomen se numește anizotropie, adică proprietăți neuniforme în direcții diferite. Toate materialele metalice au această proprietate. Corpurile amorfe au proprietatea izotropie, adică au aceleași proprietăți în toate direcțiile.

Grilele de cristal pot avea diverse imperfecțiuni structurale care modifică semnificativ proprietățile materialului. Un singur cristal real are întotdeauna o suprafață liberă (exterioară), pe care, deja din cauza tensiunii superficiale, rețeaua este distorsionată.

Defectele structurii interne sunt împărțite în punct, liniare și plane.

Defectele punctuale includ locuri libere (atunci când locurile individuale ale rețelei cristaline nu sunt ocupate de atomi); atomi dislocați (dacă atomii individuali sunt în interstiții) sau atomi de impurități, al căror număr este foarte mare chiar și în metale pure. În apropierea unor astfel de defecte, rețeaua va fi distorsionată elastic la o distanță de una sau două perioade (Fig. 2a).

Orez. 2. Defecte ale rețelei cristaline: un punct; b - liniar; c - planar

Defectele liniare sunt mici în două dimensiuni și destul de mari în a treia. Astfel de defecte includ deplasarea planurilor atomice sau dislocațiile și lanțurile de locuri libere (Fig. 2b). Cea mai importantă proprietate a unor astfel de defecte este mobilitatea lor în interiorul cristalului și interacțiunea activă între ele și cu alte defecte.

O modificare a rețelei cristaline a unui material este posibilă sub influența factorilor externi, și anume temperatura și presiunea. Unele metale în stare solidă în diferite intervale de temperatură dobândesc rețele cristaline diferite, ceea ce duce întotdeauna la o modificare a proprietăților lor fizico-chimice.

Existența aceluiași metal în mai multe forme cristaline se numește polimorfism. Temperatura la care are loc o modificare a rețelei cristaline se numește temperatura transformării polimorfe. Toate procesele de tratament termic se bazează pe acest fenomen. Modificările polimorfe sunt notate cu litere grecești (a, b, g și altele, care sunt adăugate ca index la simbolul elementului).