Тема 2.5. Основные структурные типы металлических эле­ментов

Одними из наиболее известных являются структурные типы Cu, Mg и -Fe, взаимное размещение атомов в элементарных ячейках которых эквивалентно соответственно ГЦК-, ОЦК- и ГПУ-решеткам (рис. 2.3, а, б, в).

б в г

Рис. 2.3. Элементарные ячейки: а – гранецентрированная кубическая решетка; б – объемно-центрированная кубическая решетка; в – гексагональная плотноупакованная решетка

При обычных условиях относятся к структурному типу меди (имеют ГЦК-решетку) кристаллы Al, Ni, Ag, Pt, Au. Например, при обычных условиях медь и алюминий имеют ГЦК-решетку соответственно с а = 3,615 и 4,05 А, где а - параметр элементарной ячейки, изображенной на рис. 2.3, а, выраженный в ангстремах (1А = 10^{- 8} см). В тех же условиях железо образует ОЦК-решетку с а = 2,866 А (так называемая -модификация железа, устойчивая вплоть до 769С, рис. 2.3, б ), а магний - ГПУ (рис. 2.3, в) с а = 3,21 А, с = 5,2.

Тема 2.6. Изоморфизм и полиморфизм

Многие кристаллические вещества имеют одинаковые структуры. В то же время одно и то же вещество может образовывать разные кристаллические структуры. Это находит отражение в явлениях изоморфизма и полиморфизма.

Изоморфизм заключается в способности атомов, ионов или молекул замещать друг друга в кристаллических структурах. Этот термин (от греческих «изос» – равный и «морфе» – форма) был сформулирован Э. Мичерлихом в 1821 г. таким образом: «Одинаковые количества атомов, соединенные одинаковым способом, дают одинаковые кристаллические формы; при этом кристаллическая форма не зависит от химической природы атомов, а определяется только их числом и относительным положением».

При совместной кристаллизации веществ, склонных к изоморфизму (изоморфных веществ), образуются смешанные кристаллы (изоморфные смеси). Изоморфизм широко распространен в природе. Большинство минералов представляет собой изоморфные смеси сложного переменного состава. Например, в минерале сфалерите ZnS до 20% атомов цинка могут быть замещены атомами железа (при этом ZnS и FeS имеют разные кристаллические структуры).

Полиморфизм – способность твердых веществ в зависимости от давления и температуры иметь разную кристаллическую структуру и свойства при одном и том же химическом составе. Это слово происходит от греческого «полиморфос» – многообразный. Явление полиморфизма было открыто М. Клапротом, который в 1798 г. обнаружил, что два разных минерала – кальцит и арагонит – имеют одинаковый химический состав СаСО₃.

Примером полиморфного металла является железо, обладающее сложным полиморфизмом. Так при давлении, равном 1 атм, в интервале 917-1394 С существует -Fe с ГЦК-решеткой и а = 3,656 А, в интервале от 1394 С до температуры плавления 1535 С - -Fe с ОЦК-решеткой и а = 2,930 А, а при высоких давлениях существует и -Fe с ГПУ-решеткой.

Тема 2.7. Структурные типы алмаза и графита

Углерод обладает полиморфизмом и существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз (это используют при получении синтетических алмазов).

Структура алмаза изображена на рис. 2.4, а. Необходимо отметить, что расстояние С – С равно 1,54 А, и их тетраэдрическое окружение является аналогичным для всех предельных алифатических и алициклических соединений. Структура алмаза характеризуется координационным числом 4. В структуре алмаза ближайшие соседние атомы будут располагаться по вершинам тетраэдра, т. е. координационный многогранник для нее будет тетраэдром.

а б

Рис. 2.4. Кристаллическая структура алмаза (а) и графита (б)

С труктура графита показана на рис. 2.4, б. Она состоит из отдельных слоев. Атомы углерода в слое расположены по вершинам правильных шестиугольников. Взаимная ориентировка слоев такова, что три вершины шестиугольника одного слоя располагаются над центром шестиугольника следующего слоя. Таким образом, полная вертикальная трансляция равна удвоенному расстоянию между слоями.

Структуры, подобные графиту, в которых расстояния между атомами в одном слое значительно меньше расстояния между слоями, называются слоистыми структурами. У графита эти расстояния 1,42 и 3,39А. По аналогии со структурой алмаза структура графита является прототипом ароматических соединений.

Структура графита служит примером структуры с координационным числом 3. Каждый атом располагается в центре равностороннего треугольника.