Чем по строению и свойствам отличаются кристаллические решетки металлов от


§39. Характеристика металлов | 9 класс

1. Как расположены металлы в периодической таблице Д. И. Менделеева? Чем отличается строение атомов металлов от строения атомов неметаллов?
Металлы преимущественно располагаются в левой и нижней части периодической таблицы, т.е. в основном в I-III группах. И на внешнем энергетическом уровне у металлов обычно находится от одного до трех электронов (хотя возможны исключения: у сурьмы и висмута 5 электронов, у полония 6).

2. Чем по строению и свойствам кристаллические решетки металлов отличаются от ионных и атомных кристаллических решеток?
В узлах металлической кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы и атомы, между которыми передвигаются электроны, а в молекулярной и атомной кристаллической решетке в узлах расположены молекулы и атомы соответственно.

3. Каковы общие физические свойства металлов? Объясните эти свойства, основываясь на представлениях о металлической связи.

4. Почему некоторые металлы пластичные (например, медь), а другие – хрупкие (например, сурьма)?
У сурьмы 5 электронов на внешнем энергетическом уровне, у меди 1. С увеличением числа электронов, обеспечивается прочность отдельных слоев ионов, препятствующих их свободному скольжению, уменьшая пластичность.

5. При «растворении» в соляной кислоте 12,9 г сплава, состоящего из меди и цинка, получили 2,24 л водорода (н.у.). Вычислите массовые доли (в процентах) цинка и меди в этом сплаве.

6. Медно-алюминиевый сплав обработали 60 г соляной кислоты (массовая доля HCl – 10%). Вычислите массу и объем выделившегося газа (н.у.).

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

1. Наиболее ярко металлические свойства проявляет простое вещество, атомы которого имеют строение электронной оболочки
1) 2е, 1е

2. Наиболее ярко металлические свойства проявляет простое вещество, атомы которого имеют строение электронной оболочки
4) 2е, 8е, 18е, 8е, 2е

3. Хорошо проводит электрический ток твердое вещество, имеющее кристаллическую решетку
3) металлическу


Кристаллическая решетка: определение и структура

Все материальные вещества существуют в трех основных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Тем не менее, есть состояние плазмы, которое ученые считают четвертым состоянием материи, но наша статья не о плазме. Вы знаете, что общего между поваренной солью и красивым бриллиантом? По своей структуре они оба являются твердыми объектами. Твердые объекты (будь то алмаз или соль) имеют особую кристаллическую структуру; они содержат крошечные взаимосвязанные кристаллы.Эта кристаллическая структура имеет определенный порядок, создающий кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка - это расположение атомов в кристалле.

Структура кристаллической решетки состоит из небольших элементарных ячеек: атомов, молекул, ионов и других элементарных частиц. Здесь показана структура кристаллической решетки.

Существует четырнадцать типов кристаллических решеток.

Ионная решетка имеет электрический заряд, противоположный ионам. Эти электрические заряды создают электромагнитное поле, и это поле определяет свойства веществ, имеющих ионную решетку: тугоплавкость, твердость, плотность и способность проводить электричество.Поваренная соль - хороший пример ионной решетки.

Вещества с атомной решеткой имеют прочную ковалентную связь в узлах, состоящих из самих атомов. Ковалентные связи возникают, когда два идентичных атома обмениваются электронами друг с другом. Они образуют общую пару электронов для соседних атомов. Это причина того, что ковалентные связи связывают атомы в строгом порядке. Пожалуй, это самая характерная особенность атомной решетки. Химические элементы с атомной решеткой имеют высокую температуру плавления.Такие химические элементы, как алмаз, кремний, германий и бор, имеют атомную решетку.

Молекулярная решетка характеризуется наличием стабильных и плотно упакованных молекул. Они расположены в узлах кристаллической решетки. Их удерживают силы Ван-дер-Уолша, которые в десять раз слабее сил ионного взаимодействия. Лед - хороший пример молекулярной решетки - твердого вещества, которое имеет свойство переходить в жидкое вещество. Связи между молекулами решетки довольно слабые.

Структура металлической решетки более гибкая и пластичная, чем ионная, хотя внешне они очень похожи. Металлические решетки содержат положительно заряженные ионы металла в узлах решетки. Между узлами находятся электроны, которые участвуют в создании электрического поля. Иногда эти электроны называют электрическим газом. Структура металлической решетки объясняет его свойства: механическую прочность, тепло, электропроводность и плавкость.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала «Познавайка»

При написании статьи я старался сделать ее максимально интересной и полезной.Буду благодарен за любые отзывы и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Вы также можете написать свое пожелание / вопрос / предложение на мою почту [email protected] или в Facebook.

.

Первичные металлические кристаллические структуры

Первичные металлические кристаллические структуры
(BCC, FCC, HCP)

Как указывалось на предыдущей странице, в природе существует 14 различных типов структур кристаллических элементарных ячеек или решеток. Однако большинство металлов и многие другие твердые тела имеют структуры элементарных ячеек, описываемые как кубический центр тела (ОЦК), гранецентрированный кубический (ГЦК) или гексагональный плотноупакованный (ГПУ). Поскольку эти конструкции наиболее распространены, о них будет рассказано более подробно.

Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) структура
Объемно-центрированная кубическая элементарная ячейка имеет атомы в каждом из восьми углов куба (как и кубическая элементарная ячейка) плюс один атом в центре куба (левое изображение ниже). Каждый из угловых атомов является углом другого куба, поэтому угловые атомы разделяются между восемью элементарными ячейками. Считается, что она имеет координационное число 8. Элементарная ОЦК-ячейка состоит всего из двух атомов; один в центре и восемь восьмых от углов атомов, как показано на среднем изображении ниже (среднее изображение ниже).На изображении ниже выделена элементарная ячейка в большей части решетки.

Расположение ОЦК не позволяет атомам упаковываться вместе так же тесно, как расположение ГЦК или ГПУ. ОЦК-структура часто представляет собой высокотемпературную форму металлов, которые плотно упакованы при более низких температурах. Объем атомов в ячейке от общего объема ячейки называется коэффициентом упаковки . Элементарная ячейка с ОЦК имеет коэффициент упаковки 0,68.

Некоторые из материалов со структурой ОЦК включают литий, натрий, калий, хром, барий, ванадий, альфа-железо и вольфрам.Металлы с ОЦК-структурой обычно тверже и менее пластичны, чем плотноупакованные металлы, такие как золото. При деформации металла плоскости атомов должны скользить друг по другу, а в ОЦК-структуре это сложнее. Следует отметить, что существуют и другие важные механизмы упрочнения материалов, такие как внесение примесей или дефектов, затрудняющих скольжение. Эти механизмы упрочнения будут рассмотрены позже.

Гранецентрированная кубическая структура (FCC)
Гранецентрированная кубическая структура имеет атомы, расположенные в каждом из углов и в центре всех кубических граней (левое изображение ниже).Каждый из угловых атомов является углом другого куба, поэтому угловые атомы разделяются между восемью элементарными ячейками. Кроме того, каждый из его шести атомов с центрированной гранью является общим с соседним атомом. Поскольку 12 его атомов являются общими, считается, что оно имеет координационное число 12. Элементарная ячейка с ГЦК состоит всего из четырех атомов; восемь восьмых от угловых атомов и шесть половинок лицевых атомов, как показано на среднем изображении выше. На изображении ниже выделена элементарная ячейка в большей части решетки.



В структуре ГЦК (и структуре ГПУ) атомы могут упаковываться ближе друг к другу, чем в структуре ОЦК. Атомы из одного слоя гнездятся в пустом пространстве между атомами соседнего слоя. Чтобы изобразить упаковку, представьте коробку, заполненную слоем шариков, выровненных по столбцам и рядам. Когда несколько дополнительных шаров брошены в коробку, они не будут балансировать непосредственно поверх шаров в первом слое, а вместо этого остановятся в лунке, созданной между четырьмя шарами нижнего слоя.По мере добавления шаров они будут складываться вместе, чтобы заполнить все карманы. Фактор упаковки (объем атомов в ячейке от общего объема ячейки) составляет 0,74 для ГЦК кристаллов. Некоторые из металлов, имеющих структуру ГЦК, включают алюминий, медь, золото, иридий, свинец, никель, платину и серебро.

Гексагональная плотноупакованная структура (HCP)
Другой распространенной плотноупакованной структурой является шестиугольная плотноупакованная структура. Гексагональная структура чередующихся слоев смещена так, что ее атомы выровнены по зазорам предыдущего слоя.Атомы из одного слоя гнездятся в пустом пространстве между атомами соседнего слоя, как и в ГЦК-структуре. Однако вместо кубической структуры узор имеет шестиугольную форму. (См. Изображение ниже.) Разница между структурами HCP и FCC обсуждается позже в этом разделе.

ГПУ-структура состоит из трех слоев атомов. В каждом верхнем и нижнем слое есть шесть атомов, которые расположены в форме шестиугольника, и седьмой атом, который находится в середине шестиугольника.В среднем слое расположены три атома, расположенные в треугольных «канавках» верхней и нижней плоскости. Обратите внимание, что существует шесть таких «канавок», окружающих каждый атом в гексагональной плоскости, но только три из них могут быть заполнены атомами.

Как показано на среднем изображении выше, в элементарной ячейке ГПУ шесть атомов. Каждый из 12 атомов в углах верхнего и нижнего слоев вносит 1/6 атома в элементарную ячейку, два атома в центре шестиугольника верхнего и нижнего слоев каждый вносят ½ атома и каждый из трех атомов в средний слой вносят 1 атом.Изображение справа вверху пытается показать несколько элементарных ячеек ГПУ в большей решетке.

Координационное число атомов в этой структуре равно 12. В одном и том же плотноупакованном слое есть шесть ближайших соседей, три в слое выше и три в слое ниже. Фактор упаковки составляет 0,74, что соответствует элементарной ячейке с ГЦК-ячейкой. Структура ГПУ очень характерна для элементарных металлов, и некоторые примеры включают бериллий, кадмий, магний, титан, цинк и цирконий.

.

Кристаллическая структура металлов может изменяться при линейных дефектах, что должно влиять на свойства материалов

Структурные изменения в стали: ученые из Max-Planck-Institut für Eisenforschung используют изображения просвечивающего электронного микроскопа (серый), чтобы сделать видимыми линейные дефекты в сплаве железа (Fe) и марганца (Mn). Атомно-зондовая томография показывает распределение атомов железа (синий) и марганца (зеленый). Они поместили на изображение зеленые изоповерхности, где концентрация атомов марганца равна 12.5 процентов. На наложенных изображениях исследователи могут видеть, что атомы марганца накапливаются вдоль линейных дефектов; кристаллическая структура, которая образуется там, отличается от окружающего материала. Фото: М. Кузьмина / MPI für Eisenforschung Сталь

существует уже около 3000 лет, и сегодня она представлена ​​в нескольких тысячах вариаций, но всегда хороша для сюрпризов. Ученые из Max-Planck-Institut für Eisenforschung в Дюссельдорфе сделали открытие в области марганцевой стали, которая, как считается, влияет на свойства материала во благо и во вред.Они обнаружили, что сплав образует кристаллическую структуру на линейных дефектах, отличную от типичной для материала. Отдельные кристаллические зерна, из которых состоит любой металл, можно рассматривать как стопку отдельных атомных слоев. Линейные дефекты, точнее краевые дислокации, возникают, когда слой остается незавершенным, так что слои выше и ниже него должны сделать ступеньку. Поскольку длина линейных дефектов в кубическом метре стали может составлять в сумме один световой год, это открытие должно иметь большое практическое значение, поскольку структура стали зависит, среди прочего, от того, насколько она ковкая, жесткая и пластичная. - свойства, которые материаловеды хотят постоянно оптимизировать.

Вывихи могут спасти жизни. Это связано с тем, что одномерные дефекты в металле играют важную роль при деформации материала: например, когда панель кузова автомобиля сминается в результате аварии, таким образом поглощая большую часть энергии удара и, надеюсь, защищая пассажиров. от травмы. В этом случае дислокации действуют как нано-шарниры, по которым изгибается металл.Тот факт, что кристаллическая структура отличается от структуры непосредственно вокруг линейного дефекта, поэтому также должен влиять на то, как деформируется металл. В худшем случае он скорее рвется, чем деформируется. «Мы еще не знаем, какое влияние пространственно ограниченные химические и структурные состояния в материале оказывают на его свойства», - говорит Дирк Раабе, директор Института Макса Планка и руководитель исследования, в котором сторонники девиации микроструктура только что обнаружилась.

«Мы случайно попали в штаты», - говорит Дирк Раабе.Он и его команда исследовали микро- и наноструктуру особо жесткой и пластичной марганцевой стали, которая упрочняется с помощью наночастиц и используется, например, в шасси больших самолетов. Они проанализировали этот материал с помощью атомно-зондовой томографии. В ходе анализа образец испаряется атом за атомом короткими импульсами электрического напряжения. По времени пролета до детектора можно определить, к какому элементу принадлежит испарившийся оторванный атом; его положение в образце можно определить по тому месту, где атом падает на детектор.

Исследователи обнаружили цепочки богатых марганцем наночастиц в стали.
«Мы заметили, что концентрация марганца увеличивалась по определенным направлениям после того, как мы нагрели материал», - объясняет Дирк Понге, внесший важный вклад в исследование. Тонкие трубки, в которых собирается марганец, имеют ширину всего два нанометра. Причем происходит это не по всей длине, а скорее в виде цепочки из богатых марганцем наночастиц.

Чтобы разместить большее количество атомов марганца в этих мельчайших областях, кристаллическая структура материала должна измениться.Атомы железа и марганца обычно находятся в углах и центрах кубической элементарной ячейки, самой маленькой структурной единицы. Исследователи называют это объемно-центрированной кубической или мартенситной структурой. Концентрация марганца в цепочке наночастиц соответствует расположению атомов на каждой грани и углу элементарной ячейки, с технической точки зрения, гранецентрированной кубической или аустенитной структуре.

Ранее материаловедам были известны только такие отклонения от обычной кристаллической структуры металла в двумерной форме, т.е.е. от границ отдельных кристаллических зерен, образующих материал. Но почему они обнаружили внутри отдельных кристаллических зерен мартенсита филигранные структуры аустенита? «Когда мы увидели, что марганец накапливается в тонких трубках, у нас возникла идея, что вдоль линейных дефектов могут быть пространственно ограниченные химические и структурные состояния», - говорит Дирк Понге.

Другая кристаллическая структура дефекта помогает экономить энергию
Чтобы быть уверенным, он и его коллеги сначала отсканировали образец железо-марганец в просвечивающем электронном микроскопе, который делает четко видимыми линейные дефекты.Затем они снова нанесли на карту распределение атомов в образце с помощью атомно-зондовой томографии. И на наложенных изображениях, полученных обоими методами, они действительно обнаружили, как богатые марганцем наночастицы располагаются точно вдоль линейных дефектов.

Тот факт, что атомы располагаются иначе, чем в остающемся кристалле, именно вдоль дислокаций, также подтверждается объяснением наблюдения: «Напряжение особенно велико на дислокациях», - говорит Дирк Понге.«Материал, по-видимому, может снизить напряжение и, таким образом, принять более выгодное с энергетической точки зрения состояние, образуя кристаллическую структуру, которая в противном случае была бы энергетически менее благоприятной». Основываясь на этом открытии, исследователи из Дюссельдорфа расширили ключевую формулу, которую материаловеды используют для расчета, какой структуре материал благоприятствует при каких условиях при таких структурных дефектах.

Может ли дамасская сталь ковать себя?
Исследователи сначала должны были мобилизовать атомы с помощью тепла, чтобы атомы могли принять энергетически более выгодную структуру там, непосредственно у дислокации и только там.«Однако это не означает, что пространственно ограниченные химические и структурные состояния образуются только при приложении тепла», - говорит Дирк Раабе. Следовательно, эти состояния, вероятно, могут быть обнаружены не только в цилиндрах двигателя, лопатках турбины или других материалах, которые постоянно подвергаются сильному нагреву. «Маленькие атомы, такие как атомы углерода, гораздо более подвижны, чем атомы марганца», - объясняет Дирк Раабе. «Поэтому мы должны предположить, что обнаружим пространственно ограниченные состояния и в углеродсодержащих стальных панелях кузова автомобиля.«

Теперь исследователи хотят исследовать, какое влияние локальные структурные изменения оказывают на свойства материала. «Наши результаты могут помочь объяснить уже известное поведение металлов - например, тот факт, что металлы становятся хрупкими, когда они корродируют и поглощают водород», - говорит Дирк Раабе.

Однако не всегда плохие новости, когда кристаллическая структура на линейных дефектах выходит за рамки. «Может быть, мы сможем вызвать эти пространственно ограниченные состояния намеренно, чтобы разработать нанодамасковую сталь, которая сама себя кует», - говорит директор Max Planck.Дамасская сталь получила свое название потому, что попала в Европу через Дамаск. Мастера Востока выковали твердую, но хрупкую, пластичную, но мягкую сталь в композитный материал, твердый, но нелегкий. В будущем можно будет найти простой способ комбинировать эти фактически несовместимые свойства, если можно будет использовать дислокации для создания структуры. Это откроет перед сталелитейной промышленностью совершенно новые возможности для еще более целенаправленной оптимизации материала для специального применения.


Тонкая пленка создает новую химию в «нанореакторе»
Дополнительная информация: «Линейные комплексы: ограниченные химические и структурные состояния на дислокациях», Science , 4 сентября 2015 г. DOI: 10.1126 / science.aab2633 Предоставлено Общество Макса Планка

Ссылка : Кристаллическая структура металлов может изменяться на линейных дефектах, что должно влиять на свойства материалов (2015, 11 сентября) получено 29 октября 2020 с https: // физ.org / news / 2015-09-кристалл-металлы-линейные-дефекты-аффект.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.

Введение в неорганическую химию / металлы и сплавы: структура, связь, электронные и магнитные свойства

Из Wikibooks, открытые книги для открытого мира

Перейти к навигации Перейти к поиску
Ищите Введение в неорганическую химию / металлы и сплавы: структура, связь, электронные и магнитные свойства в одном из родственных проектов Wikibooks: Викиучебник не имеет страницы с таким точным названием.

Другие причины, по которым это сообщение может отображаться:

  • Если страница была создана здесь недавно, она может быть еще не видна из-за задержки обновления базы данных; подождите несколько минут и попробуйте функцию очистки.
  • Заголовки в Викиучебниках чувствительны к регистру , кроме первого символа; пожалуйста, проверьте альтернативные заглавные буквы и подумайте о добавлении перенаправления здесь к правильному заголовку.
  • Если страница была удалена, проверьте журнал удалений и просмотрите политику удаления.
.

Смотрите также