Метали, особливості атомно-кристалічної будови

 

У величезному ряді матеріалів, з незапам'ятних часів відомих людині й широко використовуваних їм у своєму житті й діяльності, метали завжди займали особливе місце.

Підтвердження цьому: і в назвах епох (золотого, срібного, бронзового, залізного віку), на які греки ділили історію людства: і в археологічних знахідках металевих виробів (куті мідні прикраси, сільськогосподарські знаряддя); і в повсюдному використанні металів і сплавів у сучасній техніці.

Причина цього - в особливих властивостях металів, що вигідно відрізняють їх від інших матеріалів і роблять у багатьох випадках незамінними.

Метали – один із класів конструкційних матеріалів, що характеризується певним набором властивостей:

• «металевий блиск» (гарна відбивна здатність);

• пластичність;

• висока теплопровідність;

• висока електропровідність.

Дані властивості обумовлені особливостями будови металів. Відповідно до теорії металевого стану, метал являє собою речовину, що складається з позитивних ядер, навколо яких по орбіталям обертаються електрони. На останньому рівні число електронів невелике й вони слабко пов'язані з ядром. Ці електрони мають можливість переміщатися по всьому об’єму металу, тобто належати цілій сукупності атомів.

Таким чином, пластичність, теплопровідність і електропровідність забезпечуються наявністю «електронного газу».

Всі метали, твердіючи в нормальних умовах, являють собою кристалічні речовини, тобто укладання атомів у них характеризується певним порядком – періодичністю, як по різних напрямках, так і по різних площинах. Цей порядок визначається поняттям кристалічна решітка.

І накше кажучи, кристалічна решітка це уявлювана просторова решітка, у вузлах якої розташовуються частки, що утворять тверде тіло.

Елементарний осередок – елемент об’єм з мінімального числа атомів, багаторазовим переносом якого в просторі можна побудувати весь кристал.

Елементарний осередок характеризує особливості будови кристала. Основними параметрами кристала є:

• розміри ребер елементарного осередку. a, b, c - періоди решітки - відстані між центрами найближчих атомів. В одному напрямку витримуються строго певними.

• кути між осями .

• координаційне число (ДО) указує на число атомів, розташованих на найближчій однаковій відстані від будь-якого атома в решітці.

• базис решітки кількість атомів, що доводяться на один елементарний осередок решітки.

• щільність упакування атомів у кристалічній решітці - об'єм, зайнятий атомами, які умовно розглядаються як тверді кулі. Її визначають як відношення об'єму, зайнятого атомами до об'єму осередку (для об’ємноцентрованої кубічної решітки - 0,68, для гранецентрованої кубічної решітки - 0,74)

• Класифікація можливих видів кристалічних решіток була проведена французьким вченим О. Браве, відповідно вони одержали назву «решітки Браве». Усього для кристалічних тіл існує чотирнадцять видів решіток, розбитих на чотири типи;

• примітивний - вузли решітки збігаються з вершинами елементарних осередків; осередків і її центр;

• гранецентрований - атоми займають вершини осередку й центри всіх

• шести граней

• безвідцентрований - атоми займають вершини осередків і два місця в протилежних гранях;

• об’ємно-центрований - атоми займають вершини

Основні типи кристалічних решіток: а - об’ємно-центрована кубічна; б- гранецентрована кубічна; в - гексагональна щільно запакована

 

Основними типами кристалічних решіток є:

1. Об'ємно - центрована кубічна (ОЦК) атоми розташовуються у вершинах куба й у його центрі (V, W, Ti,)

2. Гранецентрована кубічна (ГЦК) атоми розташовуються у вершинах куба й по центрі кожної з 6 граней (Ag, Au,)

3. Гексагональна, у підставі якої лежить шестикутник:

   • проста - атоми розташовуються у вершинах осередку й по центрі 2 підстав (вуглець у вигляді графіту);

   • щільно запакована (ГПУ) - є 3 додаткових атоми в середній площині (цинк).