asyan.org
добавить свой файл
1
Лаба №3

  Атомна та кристалічна будова металів

Що ж таке поняття метали і які основні відмінності їх від інших речовин?

Як і всі інші речовини метали складаються з атомів, які мають позитивно заряджене ядро навколо, якого знаходяться на різній відстані електрони. В залежності від природи речовини існує чотири типи міжатомних зв’язків: полярний, іонний, ковалентний, металевий.

Полярний (молекулярний) зв’язок утворюється за рахунок поляризації (зсуву електронів в атомі в одному напрямку, що викликає появу сил взаємодії між поляризованими атомами (молекулами). Міцність такого зв’язку 0,1еВ (електроновольт).

http://moodle.udec.ntu-kpi.kiev.ua/moodle/file.php/165/uploader/rozdl_1/img001.jpg

Іонний (гетерополярний) зв’язок характеризується переходом електронів від одного атома до іншого і утворення різнополярних іонів. Міцність такого зв’язку 8,5еВ.

http://moodle.udec.ntu-kpi.kiev.ua/moodle/file.php/165/uploader/rozdl_1/img002.jpg

Ковалентний (гомеополярний) зв’язок характеризується переходом електронів з зовнішніх орбіт на нову орбіту навколо сусідніх атомів. Таке попарне об’єднання утворює ніби ланцюжки зв’язку. Міцність такого зв’язку 6еВ.

http://moodle.udec.ntu-kpi.kiev.ua/moodle/file.php/165/uploader/rozdl_1/img003.jpg

Металевий зв’язок характеризується також переходом електронів із зовнішніх орбіт, при цьому вони належать не двом сусіднім атомам, а всім атомам металу утворюючи електронну хмару. Міцність зв’язку 2,5еВ.

http://moodle.udec.ntu-kpi.kiev.ua/moodle/file.php/165/uploader/rozdl_1/img004.jpg

Закономірне, повторюване розташування іонів, що утворить просторову геометричну фігуру називається кристалічною граткою. Більшість металів утворюють одну з наступних ґраток із щільним упакуванням іонів: кубічну об’ємноцентровану, кубічну гранецентровану і гексагональну ущільнену. Як видно, в кубічній об'ємно центрованій ґратці (ОЦК) (рис 1.1а) іони розташовані у вершинах куба і один іон в центрі об’єму куба. Кубічну об'ємно центровану ґратку мають метали: К, Nа, Li, Ta, W, Сг та ін. У кубічних гранецентрованих ґратках (ГЦК) (рис 1.1б) іони розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані. Гратку такого типу мають метали: Ag, Аu, Рt, Cu та ін. У гексагональних компактних ґратках (ГК) (рис. 1.1в) іони розташовані у вершинах та центрі шестигранних основ призми, а три іони — у середній площині призми. Таке упакування атомів мають метали: Мg, Zn, Ве і ін. Відстані а, в, між центрами найближчих іонів в елементарному осередку називають параметром ґраткиПараметр ґратки 

http://moodle.udec.ntu-kpi.kiev.ua/moodle/file.php/165/uploader/rozdl_1/img005.jpg

Рис. 1.1. Типи кристалічних граток: об’ємноцентрований куб (а), гранецентрований куб (б), гексагональна компактна (в).

 

виражається в нанометрах (1 нм = 10-9м) або ангстремах Ао (1Ао =0,1нм). Параметри ґратки для більшості металів знаходяться в межах 0,1—0,7нм. Іншою характеристикою кристалічної гратки є координаційне число -  кількість найближчих сусідніх атомів, які находяться на однакових відстанях від вибраного атому. Відповідно для ОЦК координаційне число К = 8, для ГЦК – 12, для ГК – також 12. Чим більше координаційне число , тим більша щільність упаковки атомів. Реальний шматок металу складається зі скупчення великого числа маленьких кристалів неправильної форми, які називають зернами. Зерном, або кристалом називають об’єм металу, в якому зберігається однакова орієнтація кристалічної гратки (рис. 1.2). Поверхні, що розділяють зерна, називаються границями зерен. Такий шматок металу називається полікристалом. За певних умов, звичайно при дуже повільному контрольованому відводі тепла при кристалізації (затвердінні металу), може бути отриманий шматок металу, що представляє собою один кристал, його називають монокристалом. В даний час у лабораторіях вирощують монокристали масою в декілька сотень грамів і більше.

http://moodle.udec.ntu-kpi.kiev.ua/moodle/file.php/165/uploader/rozdl_1/img006.jpg

Рис. 1.2. Зерна та границі зерен.

 

Розглядаючи різні площини, наприклад в ОЦК ґратках, можна легко побачити, що вони заповнені атомами з різною щільністю. Властивості окремо взятого кристала (монокристала) по даному напрямку відрізняються від властивостей в іншому напрямку і, природно, залежать від того, скільки атомів зустрічається в цьому напрямку. Розходження властивостей у залежності від напрямку випробування називається анізотропією. Усі кристали анізотропні. Реальний метал складається з багатьох кристалів (зерен), випадковість орієнтування яких приводить до того, що в будь-якому напрямку розташовується приблизно однакова кількість неоднаково орієнтованих кристалів. В результаті отримуємо властивості такого полікристалічного тіла однакові в усіх напрямках, хоча властивості кожного кристала, що складає це тіло, залежать від напрямку. Це явище називається квазіізотропією. Кожен метал має свій тип кристалічної гратки, однак у ряді випадків при зміні температури або тиску може виявитися, що для одного і того ж металу більш стійкою буде інша гратка, ніж та, котра була при іншій температурі або тиску. Існування одного металу (речовини) у декількох кристалічних формах зветься поліморфізмом, абоалотропізмом. Різні кристалічні форми однієї речовини називаються поліморфними, або алотропними модифікаціями. Поліморфізм спостерігається у багатьох металах: залізо, марганець, титан, кобальт олово та інш.