Какая кристаллическая решетка у металлов - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Какая кристаллическая решетка у металлов

Кристаллические решетки металлов и их основные типы

Металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Это означает, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядоченно, находясь в определенных местах на вполне определенных расстояниях друг от друга. В пределах одного кристалла наблюдается повторяющаяся картина расположения атомов. Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная

кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, контур которой представляет какое-нибудь составленное из атомов геометрическое тело, например куб или шестигранную призму. Элементарные ячейки, примыкая друг к другу и многократно повторяясь, образуют более крупные твердые тела правильной геометрической формы — кристаллы. Кристаллы, формирующиеся в процессе роста под воздействием окружающих кристаллов и имеющие поэтому неправильную геометрическую форму, называют кристаллитами. Кристаллиты в поликристаллическом теле, отделенные от других кристаллитов большеугловыми границами (см. подпараграф 1.5.3) и обладающие определенной кристаллографической ориентировкой, называют зернами.

Ориентировка ячеек в соседних зернах различна, а в пределах каждого зерна одинакова. Поэтому в кристаллической решетке зерен существует ближний и дальний порядки. Ближний порядок означает постоянство ближних атомов-соседей у каждого атома, а дальний — удаленных.

Наиболее простой геометрической формой кристаллической решетки металлов является кубическая. Эта форма решетки имеет две разновидности: объемно-центрированную кубическую (ОЦК) и гранецентрированную кубическую (ГЦК). На рис. 1.3, а, б показаны схемы этих решеток. У обоих типов рассматриваемых решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы находятся или в центре куба (один атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (шесть атомов в решетке ГЦК).

Кристаллические ОЦК-решетки в числе прочих металлов имеют хром, ванадий, молибден. А ГЦК-рсшстки имеют алюминий, медь, никель и другие металлы. Характерными признаками кристаллической решетки являются параметр решетки, координационное число и плотность упаковки атомов. Параметром (или периодом) кристаллической решетки а считают межатомное расстояние в ячейке (см. рис. 1.3). Координационное число (к.ч.) определяет

Рис. 1.3. Основные тины кристаллических решеток

число ближайших соседей каждого атома. А под плотностью упаковки (п.у.) понимают число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Для решетки ОЦК п.у. = 2 (один атом в вершине куба, а второй в центре куба), к.ч. = 8 (например, для атома, расположенного в центре куба). Для решетки ГЦК п.у. = 4, к.ч. = 12. Параметр решетки а для ОЦК-решеток и ГЦК-решеток одинаков по всем трем направлениям в пространстве.

Таким образом, ГЦК-решетка является более плотной, чем ОЦК-решетка. От плотности упаковки кристаллической решетки зависит прочность металлов.

Однако наиболее плотной из рассматриваемых кристаллических решеток является гексагональная плотноупакованнаярешетка (ГПУ). Схема этой решетки представлена на рис. 1.3, в. Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. Характеристики решетки ГПУ: параметры решетки а и с (с > а); если с/а = 1,633, то к.ч. = 12, п.у. = 6. Решетку ГПУ имеют магний, цинк, бериллий и другие металлы.

Параметры кристаллических решеток металлов составляют от 0,2 до 0,7 нм (1 нм = 1(Г 9 м).

В ячейках кристаллических решеток атомы касаются друг друга внешними слоями электронных оболочек. Межатомные силы сцепления, обеспечивающие целостность кристаллической решетки, создаются электромагнитным взаимодействием, обусловленным наличием у атомов валентных электронов. У металлов, находящихся в твердом состоянии, валентные электроны, освобождаясь от своих атомов, движутся между атомами, которые становятся положительно заряженными ионами. Это объясняется тем, что внешние электроны металлов, в отличие от внешних электронов неметаллов, слабо связаны с ядром. Поэтому атомы металлов легко теряют внешние электроны, превращаясь в ионы. Освободившиеся электроны образуют так называемый электронный газ. Принадлежащие всему зерну свободные электроны, взаимодействуя с положительными ионами, обеспечивают целостность кристаллической решетки. Такая межатомная связь в кристаллической решетке получила название металлической. Металлическая связь может существовать как между одноименными атомами в чистых металлах, так и между разнородными — в сплавах. Металлическая межатомная связь не имеет направленного характера. Электроны электронного газа не связаны с отдельными ионами, а в одинаковой степени принадлежат всем ионам металла.

Благодаря наличию электронного газа металлы обладают высокими электро- и теплопроводностью, а также металлическим блеском. Под действием электрического поля свободные электроны

приобретают направленное движение, обеспечивающее протекание тока. Высокая теплопроводность металла обусловлена также участием свободных электронов (наряду с ионами) в передаче тепла. А характерный металлический блеск металлов обусловлен взаимодействием свободных электронов с электромагнитными световыми волнами.

Кристаллическое строение металлов

Металлы — один из самых распространенных веществ в материальной культуре человека. Тысячелетиями медь, железо, серебро и золото были основным материалом для производства оружия, инструментов, ответственных частей транспорта и механизмов, деталей домашней утвари и украшений. В XIX веке, с освоением технологии получения чугуна, металлы пришли в строительство и станкостроение. XX век был веком металлов.

В нашу жизнь вошли алюминий, титан, бор и многие более редкие металлы. Используя их, человечество шагнуло в небо, космос и глубины океана. Металлы сделали возможным массовое производство домашней бытовой техники. В конце XX века пластмассы и композитные вещества ощутимо потеснили металлы с лидирующих позиций. Основные характеристики металлов — прочность, упругость и пластичность определяются их физико-химическими свойствами и атомным строением.

Основные группы металлов в промышленности

Индустрия делит металлы на большие группы:

  • Черные.
  • Цветные легкие.
  • Цветные тяжелые.
  • Благородные.
  • Редкоземельные и щелочные.

Черные металлы

В эту группу входят железо, марганец, хром и их сплавы. Группа также включает в себя стали, чугуны и ферросплавы. Эти вещества обладают хорошей электропроводностью и уникальными магнитными характеристиками.

Черные металлы покрывают до 90% мировой потребности в металлоизделиях.

Легкие цветные металлы

Отличаются низкой плотностью. Группа включает в себя алюминий, титан, магний. Эти реже встречаются, чем железо, и обходятся дороже в добыче руды и в производстве. Они используются там, где малый вес изделия или детали окупает ее большую стоимость – в самолетостроении, производстве электроники, в коммуникационной индустрии.

Легкие цветные металлы

Титан не вызывает отторжения со стороны иммунной системы и применяется в протезировании костной ткани.

Тяжелые цветные металлы

Это элементы с большим удельным весом, такие, как медь, олово, свинец, цинк и никель. Обладают хорошей электропроводностью.

Они широко используются как катализаторы реакций, в изготовлении электроматериалов, в электронике, на транспорте – везде, где требуются достаточно прочные, упругие и коррозионностойкие материалы.

Благородные металлы

В эту группу входят золото, серебро, платина, а также редко встречающееся рутений, родий, палладий, осмий, иридий. Они обладают наибольшим удельным весом, высокой коррозионной устойчивостью и высокой электрической и тепловой проводимостью.

На заре человечества золото, серебро и платина применялись как универсальный платежный инструмент и как средство накопления богатств. С развитием цифровой экономики и переходом платежей в виртуальность важнее стаи их уникальные физические свойства

Редкоземельные и щелочные

К редкоземельным относятся скандий, иттрий, лантан и еще 15 редких элементов. Эти элементы отличаются значительным удельным весом, высокой химической активностью и применяются в высокотехнологичных отраслях.

К щелочным относятся литий, калий, натрий и другие. Все они отличаются малым удельным весом и исключительной химической активностью и при реакции с водой образуют щелочи, широко применяемы в быту и промышленности в составе мыла и других моющих средств.

Классификация металлов по химическому составу

Химические свойства чистых элементов определяются строением атомов реальных металлов и прежде всего их атомным числом, характеризующим их способность реагировать с водородом, кислородом и другими элементами. Химические характеристики реально применяемых металлов могут сильно отличаться от параметров чистого вещества как в лучшую, так и в худшую сторону.

Нежелательные добавки называют примесями, а те, что вносятся преднамеренно для изменения параметров в нужную сторону — легирующими присадками.

Общепризнанной является классификация, основанная на указании главного компонента сплава.

Атомно — кристаллическое строение металлов

Внутреннее строение металлов и их характеристики определяют их физико-химические свойства. Электроны на внешних орбитах атомов слабо связаны с ядром и имеют отрицательный заряд. При наличии разницы потенциалов электроны мигрируют к положительному полюсу, создавая электрический ток. Это физическое явление обуславливает электропроводность.

Кристаллическое строение свойственно металлам и их сплавам в твердом фазовом состоянии. Атомы выстраиваются в определенную объемную структуру, называемую кристаллической решеткой.
Число атомов в вершинах и на гранях этой структуры, а также дистанция между ними определяют такие физические свойства металла, как электро- и теплопроводность, вязкость, текучесть и т.д.
Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

  • Межатомная дистанция одинакова по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
  • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, и его физические параметры меняются в зависимости от направления.

Атомно-кристаллическое строение металлов

В реальном куске металлов, составленному из множества изолированных кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. В среднем свойства такого куска близки к изотропным.
При выстраивании кристаллической решетки некоторые атомы не попадают на свое место, смещаются или теряются. В этом случае говорят о дефектах кристаллического строения металлов. Дефекты структуры отрицательно влияют на свойства изделия, особенно если оно должно быть монокристаллом, как, например, в электронике, лазерной технике и других отраслях высоких технологий.

Читайте также:  Кристаллизация металла сварочной ванны

Физические свойства металлов

Физические свойства определяются внутренним строением металлов.

Главное отличие металлов от других элементов — это их электропроводность и магнитные свойства.

И хотя ученые создали неметаллические материалы, обладающие другим строением, но такими же свойствами, как у металлов и сплавов, они еще слишком дороги для массового применения. Многие химически чистые металлы обладают недостаточной прочностью для практических применений, чтобы исправить ситуацию, в технике и строительстве используют их сплавы.

Физические свойства металлов

Добавление тех или иных присадок приводит к росту прочность получаемого вещества в десятки раз по отношению к исходному элементу.

Электронное строение металлов и их особенности

Внутреннее строение реальных металлов определяет их физико-химические параметры.

Кристаллическая решетка металлов

Все металлы в твердом фазовом состоянии имеют кристаллическое строение. Это пространственное образование из многократно повторяющихся первичных структур называют кристаллической решеткой.
схема кристаллической решетки.

Кристаллическое строение металлов

Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

  • Межатомная дистанция равна по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
  • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, его параметры зависят от направления.

В реальном куске металлов, который состоит из множества кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. Усредненные параметры такого куска близки к изотропным.

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.

Уникальная возможность железа заключается в том, что до 910°С оно имеет кубическую объемно-центрированную структуру, а при нагреве свыше этой температуры переходит к гранецентрированной.

Кристаллическое строение сплавов

Сплав это материал, состоящий из двух и более химических элементов. В его состав могут входить как металлы, так и неметаллы. Например, бронза — это сплав меди и олова, а чугун — сплав железа и углерода. Кроме основных, в состав могут входить и другие вещества, содержащиеся в небольших количествах. Если их добавляют специально и улучшают свойства материала, их называют легирующими присадками, если ухудшают — вредными примесями.
Кристаллическое строение сплавов сложнее, чем металлов.

Оно определяется взаимовлиянием компонентов при образовании кристалла, и принадлежит к трем подвидам:

  • Твердые растворы. Один элемент растворяется в другом. Ведущий элемент строит кристаллическую структуру, а атомы второстепенного элемента размещаются в объеме этой решетки.
  • Химическое соединение. Элементы химически реагируют друг с другом, образуя новое соединение. Из его молекул и составляется кристаллическая решетка.
  • Механическая смесь. Элементы сплава не реагируют друг с другом. Каждый строит свои кристаллические структуры, срастающиеся в независимые кристаллы. Сплав будет представлять собой затвердевшую смесь из множества кристалликов двух разных типов. Такое вещество будет иметь собственную температуру перехода в жидкую фазу.

Физические свойства сплавов могут заметно меняться при изменении процентного соотношения составляющих.

Кристаллизация сплавов

Первичная кристаллизация — это затвердевание расплава с образованием кристаллических решеток. Пространственные атомные и молекулярные структуры, возникающие в ходе такого процесса, оказывают решающее влияние на свойства получаемого сплава.

Сначала в остывающем расплаве возникают центры кристаллизации, вокруг них в ходе процесса и нарастают кристаллы, многократно повторяя структуру центра. В качестве центров кристаллизации могут выступать:

  • Первые образовавшиеся кристаллы в зонах локального охлаждения, чаще всего у стенок литейной формы.
  • Частички неметаллических примесей.
  • Тугоплавкие примеси, уже находящиеся в твердой форме.

Процесс кристаллизации металлов и сплавов

Кристаллы обычно растут в направлении роста градиента температуры. Если рост решеток не встречает физических препятствий, образуются ветвящиеся кристаллические структуры, напоминающие кораллы — дендриты. Если они растут из разных центров и встречаются в расплаве, то препятствуют росту друг друга и искажают свою форму. Такие искаженные кристаллы – это кристаллиты, или зерна. Совокупность отдельных зерен срастается в поликристаллическое тело.
Отдельные кристаллиты достигают размеров от одного до 10 000 микрон и по-разному развернуты в пространстве. На стыках отдельных кристаллитов образуется граничный слой, в котором кристаллические решетки разорваны. Такие слои обладают измененными химическими и физическими свойствами.

Решетки кристаллитов могут обладать разными дефектами структуры:

Дефекты кристаллического строения металлов

Дефекты определяются отсутствием атома или группы атомов в вершинах или гранях кристаллической решетки, смещением этих атомов со своих мест или замещением атома или их группы атомами или молекулами примесей.

Металлические кристаллические решетки – материалы презнетации

Вебинар с доктором Александром Мясниковым на тему:

«Здоровое общество. Как простые действия одних людей спасают жизни других»

Описание презентации по отдельным слайдам:

Металлическая кристаллическая решетка. Презентацию подготовила ученица 11-1 класса Александра Давыдова

Химическая связь и строение вещества. Разные вещества имеют разное строение. Только благородные газы – гелий Не, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe и радон Rn- из-за высокой устойчивости их электронных структур существуют в виде свободных (изолированных) атомов. Все другие вещества состоят из связанных атомов. Химическая связь – электростатические силы, которые обусловливают связь между атомами.

Химическая связь и строение вещества. Результатом связывания атомов является образование более сложных структур – молекул, молекулярных ионов, свободных радикалов, а также ионных, атомных и металлических кристаллических решеток. Существование этих структур обусловлено различными типами химической связи.

Типы химической связи. Химическая связь ковалентная ионная металлическая водородная Является причиной образования большинства молекул, молекулярных ионов, свободных радикалов и атомных кристаллических решеток. Существует внутри молекул отдельных веществ, возникает между молекулами некоторых веществ Обусловливает существование молекул ионных соединений и ионных кристаллических решеток Существует в простых веществах- металлах

Металлическая связь. Большинство металлов характеризуется небольшим числом электронов на внешнем энергетическом уровне. Т.е. число вакантных орбиталей у них значительно больше числа валентных электронов. Все металлы в твердом состоянии имеют металлическую решетку. При ее образовании атомы сближаются до такой степени, что их вакантные орбитали начинают перекрываться. Валентный электрон при этом может относительно свободно перемещаться с орбитали своего атома на свободную и близкую по энергии орбиталь соседних атомов. Потеряв электрон, исходный атом теряет свою электронейтральность и превращается в катион, возможен и обратный процесс : M – ne M атом катион o n+

Металлическая связь. В узлах кристаллической решетки металла наряду с нейтральными атомами присутствуют катионы. Электроны, потеряв связь с атомами, могут относительно свободно перемещаться по всему объему металла, связывая ионы и нейтральные атомы металла в единое целое. Связь между всеми положительно заряженными ионами металлов и свободными электронами в кристаллической решетке металлов называется металлической.

Схема кристаллической решетки металлов. + + + + + + + + + + + В узлах кристаллической решетки металлов находятся положительные ионы и атомы металлов, а между узлами – электроны. Электроны становятся общими и свободно перемещаются по решетке, их называют свободными электронами или «электронным газом»

Металлическая связь и физические свойства металлов. Металлическая связь обусловливает важнейшие физические свойства металлов: – электропроводность; – теплопроводность; – пластичность; – металлический блеск.

Пластичность. Пластичность металлов выражается в их способности деформироваться под действием механической нагрузки. Это важнейшее свойство металлов лежит в основе их обработки давлением ( ковки, прокатки и др.), вытягивания из металлов проволоки под действием силы. Пластичность металла объясняется тем, что под внешним воздействием одни слои ионов в кристаллах легко смещаются, как бы скользят друг относительно друга без разрыва связи между ними. Кованая решетка Михайловского сада Санкт-Петербург

Электропроводность. Электропроводность металлов обусловлена наличием в них совокупности подвижных электронов, которые под действием электрического поля приобретают направленное движение. Все металлы являются электрическими проводниками первого рода, т.е. обладают электронной проходимостью. Электропроводность с повышением температуры уменьшается, т.к. в результате тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки сопротивление направленному движению электронов возрастает. Лучшими проводниками электрического тока являются серебро и медь, немного уступает алюминий. Хуже всего электрический ток проводят марганец, свинец и ртуть, а также вольфрам и некоторые тугоплавкие металлы.

Электрическое сопротивление вольфрама настолько велико, что он начинает светиться при прохождении через него электрического тока. Это свойство вольфрама используют для изготовления нитей в лампах накаливания Электропроводность. Фонарь на Испанской лестнице в Риме.

Теплопроводность. Теплопроводность металла объясняется высокой подвижностью электронов. Которые, сталкиваясь с колеблющимися в узлах решетки атом-ионами металлов обмениваются с ними энергией. С повышением температуры эти колебания ионов с помощью электронов передаются другим ионам и температура металла быстро выравнивается.

Металлический блеск. Гладкая поверхность металла или металлического изделия имеет металлический блеск, который является результатом отражения световых лучей. Высокой светоотражательной способностью обладают ртуть, серебро, палладий и алюминий. В порошке металлы , за исключением магния и алюминия теряют блеск, приобретая черную или серую окраску. Музей Ватикана. «Мир»

Способность к образованию сплавов. Металлическая химическая связь и металлическая кристаллическая решетка характерны не только для чистых металлов, но и для их сплавов. Металлические сплавы обладают нередко более полезными свойствами, чем составляющие их чистые металлы – повышенной прочностью, коррозионной стойкостью и твердостью( дюралюминий). Медь плохо поддается литью, а оловянная бронза ( сплав меди и олова) имеет прекрасные литейные качества, из нее отливают художественные изделия. Фрагмент бронзового подножия Александровского столба, Санкт-Петербург

Читайте также:  Какая сталь используется для изготовления ножей

Энергия кристаллических решеток некоторых металлов. Металл – энергия кристаллической решетки, кДж/моль Энергия металлической кристаллической решетки – количество энергии, которое необходимо затратить на разрушение кристалла, содержащего 1 моль атомов данного металла. Наибольшей энергией обладают решетки, состоящие из небольших ионов с большим зарядом ядра атома. Сверху вниз в подгруппе энергия уменьшается, так как увеличивается размер иона. В периоде же слева направо кристаллические решетки становятся более прочными из-за увеличения заряда катиона металла.

Литература. О.С.Габриелян «Химия 11 класс базовый уровень», учебник, ООО Дрофа 2008 О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов «Химия» Материалы для подготовки к ЕГЭ, ООО Дрофа 2008 А.С. Егоров « Репетитор по химии» ООО «Феникс», 2009 Н.Е.Кузьменко, В.В. Еремин, В.А. Попков « Учебное пособие по химии» школьный курс, ООО «Мир и образование» 2005 г. Фото из семейного архива.

  • Тележинская Елена ЛеонидовнаНаписать 1070 18.04.2018

Номер материала: ДБ-1472613

Добавляйте авторские материалы и получите призы от Инфоурок

Еженедельный призовой фонд 100 000 Р

    18.04.2018 135
    18.04.2018 158
    18.04.2018 241
    17.04.2018 490
    16.04.2018 580
    15.04.2018 195
    15.04.2018 207
    14.04.2018 635

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения авторов.

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако редакция сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Кристаллические решетки в химии

Содержание:

Определение кристаллической решетки

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 кристаллических 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 кристаллическая 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 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.

Молекулярная кристаллическая 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 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.

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 pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском – Crystal Lattice in Chemistry.

Кристаллические решетки

8 КЛАСС

* По учебнику: Габриелян О.С. Химия-8. М.: Дрофа, 2003.

Цели. Обучающие. Дать понятие о кристаллическом и аморфном состоянии твердых веществ; познакомиться с типами кристаллических решеток, их взаимосвязью с видами химической связи и влиянием на физические свойства веществ; дать представление о законе постоянства состава веществ.
Развивающие. Развивать логическое мышление, умения наблюдать и делать выводы.
Воспитательные. Формировать эстетический вкус и коллективизм, расширять кругозор.
Оборудование и реактивы. Модели кристаллических решеток, диафильм «Зависимость свойств веществ от состава и строения», диапозитивы «Химическая связь. Строение вещества»; пластилин, жевательная резинка, смолы, воск, поваренная соль NaCl, графит, сахар, вода.
Форма организации работы. Групповая.
Методы и приемы. Самостоятельная работа, демонстрационный опыт, лабораторная работа.
Эпиграф.

«В мире этом – я знаю –
нет счета сокровищам,
Но весьма поучительно
для очей заглянуть
повнимательнее в нутро
вещам, прямо в нутро вещей».

Л.Мартынов

ХОД УРОКА

УЧИТЕЛЬ. Кристаллы встречаются нам повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, создаем приборы и изделия из кристаллов, широко применяем кристаллы в технике и в науке, едим кристаллы, лечимся кристаллами, находим кристаллы в живых организмах, выходим на просторы космических дорог с помощью приборов из кристаллов…
Что же такое кристаллы?
Вообразите на минутку, что ваши глаза стали видеть атомы или молекулы; рост уменьшился, и вы смогли войти внутрь кристалла. Цель нашего урока – понять, что такое кристаллическое и аморфное состояние твердых веществ, познакомиться с типами кристаллических решеток, получить представление о законе постоянства состава веществ.
Какие агрегатные состояния веществ известны? Твердое, жидкое и газообразное. Они взаимосвязаны (схема 1).

Сказка о жадном хлоре

В некотором царстве, химическом государстве, жил-был Хлор. И хотя принадлежал он к старинному роду Галогенов, да и наследство получил немалое (на внешнем энергетическом уровне у него было семь электронов), был он очень жадным и завистливым, а от злости даже стал желто-зеленым. Днем и ночью мучило его желание сделаться похожим на Аргон. Думал он думал и наконец придумал: «У Аргона на внешнем уровне восемь электронов, а у меня только семь. Значит, мне надо заполучить еще один электрон, тогда я тоже буду благородным». На следующий день собрался Хлор в дорогу за заветным электроном, но далеко идти ему не пришлось: возле самого дома встретил он атом, похожий на него как две капли воды.
– Слушай, брат, дай мне свой электрон, – заговорил Хлор.
– Нет уж, лучше ты дай мне электрон, – ответил близнец.
– Ладно, давай тогда объединим наши электроны, чтобы никому не было обидно, – сказал жадный Хлор, надеясь, что потом он заберет электрон себе.
Но не тут-то было: оба атома в равной степени пользовались общими электронами, несмотря на отчаянные усилия жадного Хлора перетянуть их на свою сторону.

УЧИТЕЛЬ. Посмотрите на вещества на ваших столах и распределите их на две группы. Пластилин, жевательная резинка, смола, воск – это аморфные вещества. У них часто нет постоянной температуры плавления, наблюдается текучесть, нет упорядоченного строения (кристаллической решетки). Напротив, соль NaCl, графит и сахар – кристаллические вещества. Для них характерны четкие температуры плавления, правильные геометрические формы, симметрия.
Применение находят и аморфные, и кристаллические вещества. Мы познакомимся с типами кристаллических решеток и их влиянием на физические свойства веществ. Помогут в повторении видов химической связи подготовленные вами творческие задания – сказки.

Сказка про ковалентную полярную связь

В некотором царстве, в некотором государстве с названием «Периодическая система» жил-был маленький электрончик. У него не было друзей. Но однажды к нему в село под названием «Внешний уровень» пришел другой электрончик, точь-в-точь похожий на первого. Они сразу же подружились, ходили всегда вместе и даже не заметили, как оказались спаренными. Эти электроны прозвали ковалентными.

Сказка про ионную связь

В доме периодической системы Менделеева жили два друга – металл Na и неметалл Cl. Каждый жил в своей квартире: Na – в квартире под № 11, а Cl – под № 17.
И вот решили друзья поступить в кружок, а там им сказали: чтобы поступить в этот кружок, надо завершить энергетический уровень. Друзья расстроились и поплелись домой. Дома они думали, как завершить энергетический уровень. И вдруг Сl сказал:
– Давай, ты мне подаришь со своего третьего уровня один электрон.
– То есть как подарю? – спросил Na.
– А так, возьмешь и подаришь. У тебя будет два уровня и все завершенные, а у меня будет три уровня и тоже все завершенные. Тогда нас примут в кружок.
– Ладно, забирай, – сказал Na и отдал свой электрон.
Когда они пришли в кружок, то директор кружка спросил: «Как вам это удалось?» Они все ему рассказали. Директор сказал: «Молодцы, ребята» – и принял их в свой кружок. Натрию директор дал карточку со знаком «+1», а хлору – со знаком «–1». И теперь он принимает в кружок всех желающих – металлы и неметаллы. А то, что сделали Na и Сl, он назвал ионной связью.

УЧИТЕЛЬ. Вы хорошо разобрались в типах химической связи? Эти знания пригодятся при изучении кристаллических решеток. Мир веществ велик и разнообразен. Они обладают самыми разными свойствами. Различают физические и химические свойства веществ. Какие свойства мы отнесем к физическим?
Ответы учеников: агрегатное состояние, цвет, плотность, температуры плавления и кипения, растворимость в воде, электропроводность.

УЧИТЕЛЬ. Опишите физические свойства веществ: O2, H2O, NaCl, графит С.
Ученики заполняют таблицу, которая в результате приобретает следующий вид.

Физические
свойства
Вещества
О2Н2ОNaClC
Агрегатное состояниеГазЖидкостьТвердоеТвердое
Плотность, г/см 31,429 (г/л)1,0002,1652,265
ЦветБесцветныйБесцветныйБелыйЧерный
tпл, °С–218,80,0+801,0
tкип, °С–182,97+100+1465+3700
Растворимость в водеМалорастворимРастворимНерастворим
ЭлектропроводностьНеэлектропроводныйСлабаяПроводникПроводник

УЧИТЕЛЬ. По физическим свойствам веществ можно определить их строение.

Строение атома химическая связь кристаллическая решетка свойства вещества.

УЧИТЕЛЬ. Кристалл – твердое тело, частицы которого (атомы, молекулы, ионы) расположены в определенном, периодически повторяющемся порядке (в узлах). При мысленном соединении узлов линиями образуется пространственный каркас – кристаллическая решетка. Различают четыре типа кристаллических решеток (схема 2, см. с. 24).

Кристаллическое строение металлов. Характерные свойства металлов. Виды кристаллических решеток, дефекты их строения.

Основные сведения о металлах и сплавах

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.

Железный век продолжается. Примерно 9 /10 всех используемых человечеством металлов и сплавов – это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах.

Было время, когда железо на земле ценилось значительно дороже золота. Советский историк Г. Арешян изучал влияние железа на древнюю культуру стран Средиземноморья. Он приводит такую пропорцию: 1 : 160 : 1280 : 6400. Это соотношение стоимостей меди, серебра, золота и железа у древних хеттов.

До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.

Кристаллическое строение металлов. Характерные свойства металлов. Виды кристаллических решеток, дефекты их строения.

Металлы – простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свой­ствами:

  • специфический «металлический» блеск (хорошая отражательная способность и непрозрачность);
  • высокая электропроводность;
  • высокая теплопроводность;
  • пластичность;
  • отрицательный температурный коэффициент электропроводности (возрастание электросопротивления с повышением температуры).

Самыми распространенными в природе металлами являются алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и титан.

Характерные свойства металлов обусловлены строением их атомов.

Из курса физики известно, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заря­женных частичек – электронов. В ядре атома находятся положи­тельно заряженные частицы – протоны. Количество протонов рав­но количеству окружающих ядро электронов, т. е. атом в целом является электрически нейтральным.

Атом может терять или приобретать электроны. Тогда он пре­вращается в электрически заряженный атом — ион. При избытке электронов ион заряжен отрицательно, при недостатке электро­нов — положительно.

Принадлежащие атому электроны разделяют на валентные (внешние), движущиеся по внешним орбитам, и внутренние, дви­жущиеся по более близким к ядру орбитам.

Благодаря слабой связи внешних электронов с ядром в метал­лах всегда имеются электроны, подвергающиеся воздействию по­ложительно заряженных ядер близлежащих атомов. Такие электроны называются свободными. Свободные электроны принадлежат не одному какому-либо ядру, а блуждают по всему металлу, вра­щаясь вокруг ядра то одного, то другого иона.

Наличием большого количества свободных электронов (называемых также коллективными или «электронный газ») и объясняются указанные вы­ше характерные признаки металлов.

В отличие от металлов неметаллы, как правило, хрупки, ли­шены металлического блеска, имеют низкую тепло- и электропро­водность. Электросопротивление неметаллов с повышением тем­пературы понижается.

Все металлы в нормальных условиях являются твёрдыми телами (за исключением ртути) и представляют собой вещества, состоящие из большого числа мелких зёрен – кристаллов, упорядоченно расположенных друг относительно друга в пространстве. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.

Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Основными типами кристаллических решёток являются:

1) Объемно – центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1 а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Feα)

2) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1 б), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Cu, Al, 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).

Рисунок 1 – Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая;

б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропиейили полиморфизмом.

Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe): t 1539°С – ОЦК – Feσ.

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей (рис. 2).

Рисунок 2 – Точечные дефекты

Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие.

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

Основными линейными дефектами являются дислокации.

Д ислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.

Рисунок 3 – Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее механическое напряжение, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Дата добавления: 2015-11-20 ; просмотров: 5068 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector