Объемноцентрированная кубическая кристаллическая решетка

объемноцентрированная кубическая (ОЦК) решетка (К8) — [body(volume) centered cubic lattice] пространствен решетка с элементарной ячейкой в виде куба, в вершинах и центре объема которого находятся атомы. Объемноцентрированная кубическая решетка относится к кубической сингонии (Смотри Кристалл);… … Энциклопедический словарь по металлургии

кубическая решетка (К6) — [cubic lattice] кристаллическая решетка, элементарная ячейка которой относится к кубической сингонии; Смотри также: Решетка триклинная решетка тетрагональная решетка пространственная решетка … Энциклопедический словарь по металлургии

объемноцентрированная ячейка — [body centered cell] элементарная ячейка кристалла в виде параллелепипеда, в центре тяжести которого располается дополнительный атом, однотипный атомам в его вершинах; Смотри также: Ячейка электролитическая ячейка … Энциклопедический словарь по металлургии

гранецентрированная кубическая (ГЦК) решетка (К12) — [face centered cubic lattice] пространствен решетка с элементарной ячейкой в виде куба, по вершинам и в центре каждой грани которого находятся атомы. Гранецентрированная кубическая решетка относится к кубической сингонии (Смотри Кристалл); Смотри … Энциклопедический словарь по металлургии

гранецентрированная кубическая ячейка — [face centered cubic cell] гранецентрированная кубическая ячейка, относящаяся к кубической сингонии; Смотри также: Ячейка электролитическая ячейка гранецентрированная ячейка … Энциклопедический словарь по металлургии

Кристаллические структуры соединений элементов подгрупп 5-го и 6-го периодов — Кристаллическая структура Структурный тип К.ч. Электронная концентрация* (nэл/υ)·103 Гранецентрированная кубическая или гексагональная плотноупакованная Cu … Химический справочник

триклинная решетка — [triclinic lattice] кристаллическая решетка, элементарная ячейка которой относится к триклинной сингонии. Смотри также: Решетка тетрагональная решетка пространственная решетка обратная решетка … Энциклопедический словарь по металлургии

тетрагональная решетка — [tetragonal lattice] кристаллическая решетка, элементарная ячейка которой относится к тетрагональной сингонии; Смотри также: Решетка триклинная решетка пространственная решетка обратная решетка … Энциклопедический словарь по металлургии

пространственная решетка — [space lattice] трехмерная периодическая система точек (узлов), расположенных на вершинах одинаковых параллелепипедов, вплотную примыкающих один к другому гранями и заполняющих пространство без промежутков. Узлы и параллелепипеды периодически… … Энциклопедический словарь по металлургии

обратная решетка — [reciprocal lattice] вспомогательная пространственная решетка, построенная на векторах a1, b1, c1 однозначно связанных с векторами трансляций а, b, с кристаллической решетки; скалярное произведение одноименных векторов равно 1, разноименное 0;… … Энциклопедический словарь по металлургии

Металлы – кристаллические вещества, характеризующие высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами. Свойства металлов обусловлены их строением: в их кристаллической решётке есть не связанные с атомами электроны, которые могут свободно перемещаться.

Строение металлов представлено в виде мнимой пространственной решетки из пересекающихся стержней, в местах пересечения, которых располагаются атомы, потерявшие свои валентные электроны. Эти электроны становятся общими для всей совокупности атомов. Электроны образуют электронное облако, или электронный газ и хаотически движутся в пространстве между атомами. Атомы в узлах решетки совершают колебательное движение с частотой 10 13 колебаний в сек. Скорость хаотического движения электронов, и амплитуда колебаний атомов зависит от температуры (с повышением температуры скорость движения электронов и колебаний атомов увеличивается).

Строение всех металлов характеризуется закономерным и периодически повторяющимся расположением атомов в кристаллической решётке.

Любая решётка характеризуется размером, этот размер носит название период или параметр кристаллической решётки – это расстояние между ближайшими параллельными кристаллическими плоскостями (а). Если а— одинаков во всех направлениях, то решетка кубическая.

Минимальный объём носит название элементарная кристаллическая ячейка – это минимальный объём кристаллической решётки, перемещая которую, можно построить всю решётку.

Различают простую элементарную кристаллическую ячейку (1), когда атомы располагаются только в узлах сечения.

Сложная элементарная кристаллическая ячейка, когда атомы располагаются не только в узлах ячейки, но и в между узлиях (2), (3), (4).

Чаще всего это кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная решетки

В объемно-центрированной кубической (ОЦК) решетке восемь атомов располагаются в вершинах куба и один в центре. ОЦК решетку имеют железо при комнатной температуре, ванадий, вольфрам, молибден, хром и др. металлы (рис. 3 а).

В гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке атомы расположены в вершинах куба и в центрах шести граней. ГЦК решетку имеют алюминий, медь, никель, свинец, серебро и др. металлы (рис. 3 б).

Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка представляет собой шестигранную призму, в основании которой расположены правильные шестиугольники. Атомы расположены в вершинах и центрах этих шестиугольников. ГПУ решетку имеют магний, цинк, титан, цирконий и др. металлы (рис. 3 в).

Рисунок 3 — Типы кристаллических решеток металлов:

А) объемноцентрированная кубическая

б) гранецентрированная кубическая

в) гексагональная плотноупакованная

Некоторые металлы, в зависимости от температуры, могут иметь различный тип кристаллической решётки, т.е. могут существовать в различных кристаллических модификаций.

Полиморфизм (аллотропия) – когда металл имеет разную кристаллическую решётку в зависимости от условия образования. Переход одной решётки в другую называется полиморфное или аллотропическое состояние. Полиморфные превращения в металлах происходят при изменении температуры. Так, при температуре свыше 723°С железо переходит из α – модификации в γ – модификацию, при этом изменяются физико-механические свойства металла.

Чтобы отличить одну кристаллическую решётку железа Fe от другой ставят значок α или γ

В монокристаллах свойства металла по различным направлениям различны – это явление носит название анизотропией.

В реальных поликристаллических металлах свойства по любому направлению одинаково – это явление называется изотропией.

Металлы обладают целым рядом общих свойств:

Высокая электо- и теплопроводимость

Характерный металлический блеск

Положительный коэффициент электросопротивления

Способность к значительной пластической деформации

Одним из самых распространенных материалов, с которым всегда предпочитали работать люди, был металл. В каждую эпоху предпочтение отдавалось разным видам этих удивительных веществ. Так, IV-III тысячелетия до нашей эры считаются веком хальколита, или медным. Позже его сменяет бронзовый, а затем в силу вступает тот, что и по сей день является актуальным — железный.

Сегодня вообще сложно представить, что когда-то можно было обходиться без металлических изделий, ведь практически все, начиная от предметов быта, медицинских инструментов и заканчивая тяжелой и легкой техникой, состоит из этого материала или включает в свой состав отдельные части из него. Почему же металлы сумели завоевать такую популярность? В чем проявляются особенности и как это заложено в их строении, попробуем разобраться далее.

Общее понятие о металлах

"Химия. 9 класс" — это учебник, по которому проходят обучение школьники. Именно в нем подробно изучаются металлы. Рассмотрению их физических и химических свойств отведена большая глава, ведь разнообразие их чрезвычайно велико.

Именно с этого возраста рекомендуют давать детям представление о данных атомах и их свойствах, ведь подростки уже вполне могут оценить значение подобных знаний. Они прекрасно видят, что окружающее их разнообразие предметов, машин и прочих вещей имеет в своей основе как раз металлическую природу.

Что же такое металл? С точки зрения химии, к данным атомам принято относить те, что имеют:

• малое число электронов на внешнем уровне;
• проявляют сильные восстановительные свойства;
• имеют большой атомный радиус;
• как простые вещества обладают рядом специфических физических свойств.

Основу знаний об этих веществах можно получить, если рассмотреть атомно-кристаллическое строение металлов. Именно оно объясняет все особенности и свойства данных соединений.

В периодической системе для металлов отводится большая часть всей таблицы, ведь они образуют все побочные подгруппы и главные с первой по третью группу. Поэтому их численное превосходство очевидно. Самыми распространенными являются:

Все металлы имеют ряд свойств, которые позволяют объединять их в одну большую группу веществ. В свою очередь, эти свойства объясняет именно кристаллическое строение металлов.

Свойства металлов

К специфическим свойствам рассматриваемых веществ относят следующие.

1. Металлический блеск. Все представители простых веществ им обладают, причем большинство одинаковым серебристо-белым цветом. Лишь некоторые (золото, медь, сплавы) отличаются.
2. Ковкость и пластичность — способность деформироваться и восстанавливаться достаточно легко. У разных представителей выражена в неодинаковой мере.
3. Электропроводность и теплопроводность — одно из основных свойств, которое определяет области применения металла и его сплавов.

Кристаллическое строение металлов и сплавов объясняет причину каждого из обозначенных свойств и говорит о выраженности их у каждого конкретного представителя. Если знать особенности такого строения, то можно влиять на свойства образца и подстраивать его под нужные параметры, что и делают люди уже многие десятилетия.

Атомно-кристаллическое строение металлов

В чем же заключается такое строение, чем характеризуется? Само название говорит о том, что все металлы представляют собой кристаллы в твердом состоянии, то есть при обычных условиях (кроме ртути, которая является жидкостью). А что такое кристалл?

Это условное графическое изображение, построенное путем пересечения воображаемых линий через атомы, которые выстраивают тело. Другими словами, каждый металл состоит из атомов. Они располагаются в нем не хаотично, а очень правильно и последовательно. Так вот, если мысленно соединить все эти частицы в одну структуру, то получится красивое изображение в виде правильного геометрического тела какой-либо формы.

Это и принято называть кристаллической решеткой металла. Она очень сложная и пространственно объемная, поэтому для упрощения показывают не всю ее, а лишь часть, элементарную ячейку. Совокупность таких ячеек, собранная вместе и отраженная в трехмерном пространстве, и образует кристаллические решетки. Химия, физика и металловедение — это науки, которые занимаются изучением особенностей строения таких структур.

Сама элементарная ячейка — это набор атомов, которые располагаются на определенном расстоянии друг от друга и координируют вокруг себя строго фиксированное число других частиц. Она характеризуется плотностью упаковки, расстоянием между составными структурами, координационным числом. В целом все эти параметры являются характеристикой и всего кристалла, а значит, отражают и проявляемые металлом свойства.

Существует несколько разновидностей кристаллических решеток. Объединяет их все одна особенность — в узлах находятся атомы, а внутри располагается облако электронного газа, которое формируется путем свободного передвижения электронов внутри кристалла.

Типы кристаллических решеток

Четырнадцать вариантов строения решетки принято объединять в три основных типа. Они следующие:

1. Объемно-центрированная кубическая.
2. Гексагональная плотноупакованная.
3. Гранецентрированная кубическая.

Кристаллическое строение металлов было изучено только благодаря электронной микроскопии, когда стало возможным получать большие увеличения изображений. А классификацию типов решеток впервые привел французский ученый Браве, по фамилии которого их иногда называют.

Объемно-центрированная решетка

Строение кристаллической решетки металлов данного типа представляет собой следующую структуру. Это куб, в узлах которого находится восемь атомов. Еще один располагается в центре свободного внутреннего пространства ячейки, что и объясняет название "объемно-центрированная".

Это один из вариантов наиболее простого строения элементарной ячейки, а значит, и всей решетки в целом. Такой тип имеют следующие металлы:

• молибден;
• ванадий;
• хром;
• марганец;
• альфа-железо;
• бетта-железо и другие.

Основные свойства таких представителей — высокая степень ковкости и пластичности, твердость и прочность.

Гранецентрированная решетка

Кристаллическое строение металлов, имеющих гранецентрированную кубическую решетку, представляет собой следующую структуру. Это куб, который включает в свой состав четырнадцать атомов. Восемь из них формируют узлы решетки, а еще шесть расположены по одному на каждой грани.

Подобную структуру имеют:

Основные отличительные свойства — блеск разного цвета, легкость, прочность, ковкость, повышенная устойчивость к коррозии.

Гексагональная решетка

Кристаллическое строение металлов, обладающих данным типом решетки, следующее. В основе элементарной ячейки лежит шестигранная призма. В ее узлах располагается 12 атомов, еще два по основаниям и три атома свободно лежат внутри пространства в центре структуры. Всего семнадцать атомов.

Подобную сложную конфигурацию имеют такие металлы, как:

Основные свойства — высокая степень прочности, сильный серебристый блеск.

Дефекты кристаллического строения металлов

Однако все рассмотренные типы ячеек могут иметь и естественные недостатки, или так называемые дефекты. Это может быть связано с разными причинами: посторонними атомами и примесями в металлах, внешними воздействиями и прочим.

Поэтому существует классификация, отражающая дефекты, которые могут иметь кристаллические решетки. Химия как наука изучает каждый из них с целью выявления причины и способа устранения, чтобы свойства материала не были изменены. Итак, дефекты следующие.

1. Точечные. Они бывают трех основных видов: вакансии, примеси или дислоцированные атомы. Приводят к ухудшению магнитных свойств металла, электро- и теплопроводности его.
2. Линейные, или дислокационные. Выделяют краевые и винтовые. Ухудшают прочность и качество материала.
3. Поверхностные дефекты. Влияют на внешний вид и структуру металлов.

В настоящее время разработаны методики устранения дефектов и получения чистых кристаллов. Однако совсем искоренить их не удается, идеальной кристаллической решетки не существует.

Значение знаний о кристаллическом строении металлов

Из вышеизложенного материала очевидно, что знания о тонкой структуре и строении позволяют спрогнозировать свойства материала и повлиять на них. И это позволяет делать наука химия. 9 класс общеобразовательной школы делает в процессе обучения упор на то, чтобы сформировать у учащихся четкое понятие о важном значении основополагающей логической цепочки: состав — строение — свойства — применение.

Сведения о кристаллическом строении металлов очень четко иллюстрирует эту зависимость и позволяет учителю наглядно объяснить и показать детям, насколько важно знать тонкую структуру, чтобы правильно и грамотно использовать все свойства.