Какое строение имеет металлическая кристаллическая решетка?

Глава 2.2. Атомно-кристаллическое строение металлов

Общие сведения. Каждый металл (вещество) может находиться в четырех агрегатных состояниях: газообразном, жидком, твердом и в виде плазмы.

В газообразном состоянии расстояние между атомами (частицами) велико, силы взаимодействия малы и атомы хаотично перемещаются в пространстве, отталкиваясь друг от друга. Атомы га-зообразного вещества обладают большой кинетической энергией.

В жидком металле атомы сохраняют лишь ближний порядок, т.е. в небольшом объеме упорядоченно и закономерно расположено небольшое количество атомов. Ближний порядок неустойчив, он может возникать и исчезать под действием тепловых колебаний.

В металлах, находящихся в твердом состоянии, порядок расположения атомов строго определен и закономерен, силы взаимодействия уравновешены, тело сохраняет свою форму. Металлы имеют кристаллическое строение с правильным закономерным расположением атомов в пространстве.

Закономерное расположение атомов (точнее, положительно заряженных ионов) приведено на рис. 2.1. Воображаемые линии, проведенные через центры атомов, расположенных в одной плоскости, образуют решетку, в узлах которой располагаются атомы. Такая конфигурация называется кристаллографической плоскостью.

Многократное повторение кристаллографических плоскостей в пространстве позволяет получить пространственную кристаллическую решетку (рис. 2.2). Пространственная кристаллическая решетка сложна в изображении, поэтому представление об атомном строении кристаллов дается в виде элементарных кристаллических ячеек. Под элементарной кристаллической ячейкой понимают минимальный объем, дающий представление об атомной структуре металла в целом, его повторение в пространстве образует кристаллическую решетку.

Элементарные кристаллические ячейки характеризуются следующими основными параметрами: периодом решетки, координационным числом, атомным радиусом, базисом (атомной плотностью). Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке решетки (рис. 2.3). Периоды решетки измеряют в нанометрах (нм) или пикометрах (пм).

Координационное число К показывает количество атомов, находящихся на самом близком расстоянии от любого выбранного атома в решетке.

Под атомным радиусом понимают половину межатомного расстояния между центрами ближайших атомов в кристаллической решетке элемента при равновесных условиях. Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

Простейшим типом кристаллического строения является кубическая решетка, в которой атомы расположены в углах куба (см. рис. 2.3). На ее примере покажем основные параметры решетки:

  • период решетки равен а;
  • координационное число К = 6;
  • базис решетки равен 1 ((1/8)-8=1, каждый из атомов, расположенных в углах куба, принадлежит одной из восьми элементарных ячеек, т.е. на одну ячейку приходится 1/8 атома).

Рис. 2.1. Кристаллографическая атомная плоскость

Рис. 2.2. Пространственная кристаллическая решетка

Рис. 2.3. Простая кубическая кристаллическая решетка

В простой кубической решетке атомы уложены (упакованы) недостаточно плотно. Стремление атомов занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию новых типов решеток. Для большинства металлов характерны следующие типы кристаллических решеток: объемно-центрированная кубическая (ОЦК); гранецентрированная кубическая (ГЦК); гексагональная плотно-упакованная (ГПУ). Основные типы кристаллических решеток представлены на рис. 2.4.

В объемно-центрированной кубической решетке (рис. 2.4, а) атомы расположены в углах и центре куба. Период решетки равен а, координационное число К

8, базис решетки равен 2 ((1/8) — 8 + + 1 = 2; 8 атомов расположены в углах куба, 1 атом в центре куба принадлежит только одной ячейке). Данный тип решетки имеют металлы К, Na, Li, Та, W, Mo, Fea, Сг, Nb и др.

В гранецентрированной кубической решетке (рис. 2.4, б) атомы расположены в углах куба и центрах его граней. Эта решетка характеризуется периодом а, координационном числом К- 12, базисом, равным 4: (1/8)-8 + 1/2-6 = 4; 8 атомов в углах куба и 6 атомов в центрах граней, каждый из которых принадлежит двум элементарным ячейкам. Кубическую гранецентрированную решетку имеют следующие металлы: Са, Pb, Ni, Ag, Au, Pt, Fe и др. В гексагональной плотноупакованной решетке (рис. 2.4, в) атомы расположены в вершинах и центрах шестигранных оснований призмы, кроме того, три атома находятся в средней плоскости призмы. Периоды решетки — а и с, причем с/а > I (например, c/a = 1,633 для Ru, Cd и с/а > 1,633 для Mg, Zn), координационное число К= 12, базис решетки равен 6.

Полиморфные превращения в металлах. Для ряда металлов характерно явление полиморфизма. Этим термином называют способность вещества формировать различные типы кристаллических решеток. Так, при разных температурах железо может иметь ОЦК или ГЦК решетку, кобальт — ГЦК или ГПУ решетку. Полиморфизм характерен и для других металлов.

Различные кристаллические формы одного и того же вещества называются полиморфными или аллотропными модификациями. Низкотемпературную модификацию называют α, а высокотемпературные модификации — β, γ, δ и т.д. Превращение одной модификации в другую с изменением кристаллической решетки называется полиморфным превращением. Полиморфное превращение происходит в результате нагрева или охлаждения; в чистых металлах при постоянной температуре, а в сплавах — в интервале температур.

Анизотропия кристаллов и изотропия кристаллических тел. В кристаллических решетках атомная плотность по различным плоскостям неодинакова — на единицу площади разных атомных плоскостей приходится неодинаковое количество атомов. Сравним, например, для ОЦК решетки количество атомов в плоскости, совпадающей с гранью, и диагональной. Вследствие этого свойства в различных плоскостях и направлениях кристаллической решетки будут неодинаковыми. Различие свойств по разным кристаллографическим направлениям называется анизотропией кристалла.

Рис. 2.4. Типы кристаллических решеток и схемы упаковки в них атомов:

а — объемно-центрированная кубическая; б — гранецентрированная кубическая; в — гексагональная плотноупакованная

Кристаллические решетки в химии

Содержание:

Определение

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.

Виды 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.

Ионная решетка

Главной особенностью строения кристаллической решетки ионов являются противоположные электрические заряды, собственно, ионов, вследствие чего образуется электромагнитное поле, определяющее свойства веществ, имеющих ионную кристаллическую решетку. А это тугоплавкость, твердость, плотность и возможность проводить электрический ток. Характерным примером ионной кристаллической решетки может быть поваренная соль.

Атомная 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.

Читайте также  Стусло для металлического профиля

Молекулярная решетка

Молекулярный тип кристаллической решетки характеризуется наличием устойчивых и плотноупакованных молекул. Они располагаются в узлах кристаллической решетки. В этих узлах они удерживаются такими себе вандервальсовыми силами, которые в десять раз слабее сил ионного взаимодействия. Ярким примером молекулярной кристаллической решетки является лед – твердое вещество, имеющее однако свойство переходить в жидкое – связи между молекулами кристаллической решетки совсем слабенькие.

Металлическая 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.

Видео

И в завершение подробное видео пояснения о свойствах кристаллических решеток.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

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

Эта статья доступна на английском – Crystal Lattice in Chemistry.

Кристаллическое строение металлов

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 175.

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 175.

Металлы – особая группа элементов в периодической таблице Менделеева. В отличие от неметаллов элементы этой группы являются исключительно восстановителями с положительной степенью окисления, а также обладают пластичностью, твёрдостью, упругостью, что обусловлено кристаллическим строением металлов.

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).

Рис. 1. Схема металлической связи.

Свободное движение электронов обусловливает электро- и теплопроводность металлов.

Виды решёток

Элементарные кристаллические ячейки могут иметь различную конфигурацию. В связи с этим выделяют три типа кристаллических решёток:

  • объемно-центрированная (ОЦК) кубическая – состоит из 9 ионов;
  • гранецентрированная (ГЦК) кубическая – включает 14 ионов;
  • гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – состоит из 17 ионов.

ОЦК представляет собой куб, в узлах которого находится по атому. В центре куба, на пересечении диагоналей располагается девятый ион. Этот тип характерен для железа, молибдена, хрома, вольфрама, ванадия.

Элементарной кристаллической ячейкой типа ГЦК является куб с ионами в узлах и в середине каждой грани – на пересечении диагоналей. Такое строение имеют медь, серебро, алюминий, свинец, никель.

Третий тип имеет вид гексагональной призмы, в узлах которой находится по шесть ионов с каждой стороны. Посередине между шестью узлами располагается по одному иону. В середине призмы между шестиугольными гранями находится равносторонний треугольник, который составляют три иона.

Рис. 2. Типы решёток.

Металл может содержать большое количество дефектов атомного строения. Дефекты влияют на свойства металла.

Характеристика решётки

Кристаллические решётки характеризуются компактностью или степенью наполненности. Компактность определяют показатели:

  • параметр решётки – расстояние между атомами;
  • число атомов;
  • координационное число – количество соседних ячеек;
  • плотность упаковки – отношение объёма, занимаемого атомами, к полному объёму решётки.

При подсчёте количества атомов следует помнить, что атомы в узлах и на гранях входят в состав соседних ячеек.

Что мы узнали?

Узнали кратко об атомно-кристаллическом строении металлов. Металлы – твёрдые кристаллические вещества. Единицей решётки является элементарная кристаллическая ячейка. Благодаря металлическим связям ионы в узлах ячеек удерживаются на одинаковом расстоянии. Различают три типа кристаллических решёток – ОЦК, ГЦК и ГПУ, отличающихся количеством атомов и геометрической формой.

мтомд.инфо

Строение металлов. Атомно-кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка металлов.

Раздел: Материаловедение. Металловедение.

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место. Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике. Причина этого — в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:

  • «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
  • пластичность;
  • высокая теплопроводность;
  • высокая электропроводность.

Строение металлов. Атомно-кристаллическое строение металлов.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Кристаллическая решетка металлов

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

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

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

Схема кристаллической решетки

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

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

Типы кристаллических решеток

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

Основными типами кристаллических решеток являются:

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

Электроматериаловедение — Строение металлических проводниковых материков

Содержание материала

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
ГЛАВА Г.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Строение металлических проводниковых материалов

Рис. 1. Кубическая пространственная кристаллическая решетка
Металлические материалы (металлы) относятся к веществам, имеющим кристаллическое строение. Атомы кристаллических материалов располагаются друг относительно друга в строго определенном порядке по прямым линиям. Эти прямые линии, пересекаясь друг с другом, образуют пространственную решетку (рис. 1). В ней атомы занимают места пересечений прямых линий, называемых

Рис. 2. Грань кубического кристалла
узлами кристаллической решетки. По каждому из трех направлений ox, оу, oz атомы располагаются на одинаковом расстоянии. Эти расстояния обозначаются буквами а, b, с и называются параметрами кристаллической решетки. Направления ох, су, oz называются кристаллографическими осями. Углы между кристалло-графическими осями у многих кристаллов прямые, но могут быть и непрямые.
Каждый кристалл представляет собой геометрическую фигуру, ограниченную плоскостями или гранями кристалла. Грани по расположению на них атомов подобны плоским сеткам.
На рис. 2 приведено изображение грани кубического кристалла.
Геометрическую форму кристаллической решетки, а следовательно, и вид кристалла определяют параметры а, b, с (см. рис. 1) и величины углов между кристаллографическими осями.

Рис. 3. Элементарная кристаллическая ячейка объемно-центрированного куба

Рис. 4. Элементарная кристаллическая ячейка гранецентрированного куба

Если параметры а, b, с равны между собой, а углы между ними прямые, то кристаллическая решетка имеет форму куба и называется кубической. Если же параметры а, b, с не равны между собой, а углы между ними остались прямыми, то такую кристаллическую решетку называют призматической. Грани такого кристалла имеют форму прямоугольников.
Кроме кубической и призматической пространственных решеток для кристаллов возможны и другие геометрические фигуры. Основные металлические проводниковые, материалы, применяемые в электротехнических устройствах: медь Cu, железо Fe, алюминий Al, молибден Мо, вольфрам W и др. состоят из кристаллов, имеющих разные кубические решетки. Различают кубическую решетку, в центре которой располагается еще один атом А, и кубическую решетку, в центре каждой из шести граней которой находится еще по атому В. Первую называют объемно-центрированной кубической решеткой (рис. 3), а вторую — гранецентрированной кубической решеткой (рис. 4). Кристаллическую решетку объемно-центрированного куба имеют железо, вольфрам, хром, молибден и некоторые другие металлы, а гранецентрированный куб — медь, алюминий, никель, серебро и другие металлы. Следовательно, металл можно представить как вещество, состоящее из бесконечно большого количества атомов, расположенных в элементарных пространственных решетках. Во всех металлах наблюдаются небольшие отклонения от идеальных решеток — имеются незанятые узлы и некоторые смещения атомов.
Проводниковые материалы могут быть изготовлены из какого- либо одного чистого металла или из сплавов разных металлов. Если сплавляют два металла, то сплав называется двойным, если три — тройным и т. д. При изготовлении сплавов атомы одного металла могут входить в решетку другого, т. е. образовывать совместно с ним одну общую кристаллическую решетку. Такие сплавы называются твердыми растворами. При определенном количественном соотношении и резко отличающихся температурах плавления металлы могут не образовать твердого раствора, а микрокристаллизоваться каждый отдельно в виде самостоятельных зерен. И этом случае сплав будет механической смесью кристаллов исходных металлов. При сплавлении металла с металлом может образоваться и химическое соединение, кристаллическое строение которого будет отличным от строения исходных металлов.


Рис. 7. Распределение атомов в решетке твердого раствора внедрения
Рис. 6. Распределение атомов в решетке твердого раствора неупорядоченного замещения
Рис. 5. Распределение атомов в решетке твердого раствора упорядоченного замещения

Сплавы в виде твердого раствора различаются между собой по тому, как располагаются в кристаллической решетке атомы сплавляемых металлов. Если атомы в общей решетке сплава располагаются с атомами другого, то такой сплав называют твердым раствором упорядоченного замещения. На рис. 5 показана плоская решетка такого сплава двух металлов. Если же атомы двух металлов в общей решетке сплава распределяются в ее узлах беспорядочно, то сплав называют твердым раствором неупорядоченного замещения (рис. 6). Твердый раствор, в котором кристаллическая решетка образуется из атомов одного какого-либо металла, а атомы второго внедряются в промежутки между ними, т. е. между узлами, получил название твердого раствора внедрения. Плоская решетка такого сплава изображена на рис. 7.
Итак, при сплавлении двух разных металлов или металла с неметаллом, например железа с углеродом, образуется новый материал в виде сплава. Сплавы имеют иную, чем исходные металлы, кристаллическую структуру, а следовательно, и иные механические и электрические свойства.
В сплавах при их образовании протекают сложные процессы кристаллизации. Каждый чистый металл имеет определенную температуру плавления, которая при охлаждении этого расплавленного металла является и температурой его кристаллизации. Если температура двух сплавляемых металлов превышает температуры плавления каждого из них, то они растворяются друг в друге. При охлаждении данного расплава кристаллизация начнется при одной температуре, а закончится при другой, более низкой.
t c

Рис. 8. Диаграмма состояния системы свинец — сурьма
Кристаллизация сплавов имеет температуру начала кристаллизации и температуру ее окончания. Для сплавов, имеющих различное содержание одних и тех же исходных металлов, эти температуры различны. Поэтому на диаграммах, в которых по вертикали наносятся величины температур, а по горизонтали — процентное содержание сплавляемых металлов (рис. 8), получаются две кривые. Линия АСВ, соответствующая температурам начала кристаллизации, получила название линии ликвидуса *, так как она является границей жидкого состояния всего сплава. Выше этой линии сплав находится в жидком состоянии. Линия DCE, соответствующая температурам окончания кристаллизации, называется линией солидуса**, так как она является начальной границей твердого состояния. Ниже этой линии сплав находится в твердом состоянии.

* Ликвидус (лат.) — жидкий, текущий.

**Солидус (лат.) — прочный.

Области диаграммы между двумя линиями (ACD и ВСЕ) содержат как твердый, так и жидкий растворы, т. е. в этих областях температур наблюдается два состояния сплава. Ниже линии солидуса сплав может представлять собой твердый раствор, химическое соединение сплавляемых металлов или их механическую смесь в зависимости от состава сплава и от других факторов. Рассмотренная диаграмма (рис. 8) называется диаграммой состояния сплавов системы свинец — сурьма (Pb — Sb). Эта диаграмма показывает, что начало затвердевания различных по составу сплавов свинца и сурьмы происходит при различных температурах, а окончание затвердевания — при одной определенной температуре (246°С). При содержании в сплаве 13% сурьмы (Sb) и 87% свинца (РЬ) кристаллизация сурьмы и свинца происходит одновременно при 246° С. При этом образуется механическая смесь металлов, называемая эвтектикой *, а сплав этого состава называется эвтектическим. Эвтектический сплав обладает самой низкой температурой плавления, что очень важно для практики.
Диаграммы состояния сплавов других металлов могут иметь другой вид, но и там имеются линии ликвидуса и солидуса.