Лекция 1. Особенности атомно-кристаллического строения металлов.

Из более ста элементов, встречающихся в природе, около 80 элементов являются металлами. Все металлы имеют общие характерные свойства: пластичность, высокую тепло- и электропроводность, специфический металлический блеск, повышение электросопротивления с ростом температуры и т. п. Такими же свойствами обладают металлические сплавы — сложные вещества, состоящие из двух или большего числа элементов.

Свойства металлов, отличающие их от других веществ, обусловлены особенностями их внутриатомного строения.

Согласно современной теории строения атомов, каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого на разном расстоянии от него (по орбиталям) движутся отрицательно заряженные электроны. В металлах на последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Поэтому эти электроны легко отрываются от ядра и свободно перемещаются между образовавшимися положительно заряженными ионами по всему объёму металла, образуя «электронный газ». Слабая связь отдельных электронов с остальной частью атома и является характерной особенностью атомов металлических веществ, обусловливающей их химические и физические свойства.

Любой металл можно представить состоящим из большого числа атомов, в которых положительно заряженные ионы, имеющие колебательные движения около некоторых центров, окружены коллективизированными валентными электронами (электронный газ). Электроны легко смещаются с наружной орбиты одного атома на орбиту другого атома.

1. Кристаллическое строение металлов

Все металлы – тела кристаллические, т.е. атомы в них расположены не хаотично, а подчиняются определенным закономерностям - атомы в пространстве образуют кристаллическую решетку.

К ристаллическую решетку представляют как мысленно проведенные в пространстве в направлении трех осей координат прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через центры, около которых они совершают колебательные движения. Эти линии образуют объемные фигуры правильной геометрической формы, которые называют кристаллической решеткой рассматриваемого тела.

Расстояние между всеми ближайшими атомами по какому-либо одному направлению выдерживается строго определенным. Так, в направлении оси х все атомы удалены друг от друга на расстояние а. Расстояние между атомами в направлении оси у соответствует значению b и в направлении оси z значению с. Расстояния а, b и с называют периодами кристаллической решетки и выражают их в нанометрах (нм). У металлов параметры кристаллических решеток находятся в пределах 0,2—0,6 нм.

Н аименьшая часть объема кристаллической решетки, которая определяет ее систему, называется элементарной кристаллической ячейкой. Любое кристаллическое тело можно представить построенным из элементарных кристаллических ячеек в результате многократного повторения в направлениях осей координат (рис. 33).

Кристаллические решетки разных веществ различаются по форме и размерам элементарных ячеек. В зависимости от наклона координатных осей и относительной длины параметров установлено семь кристаллических систем (сингоний).

Наиболее типичны для металлов:

- объемно-центрированная кубическая (ОЦК) решетка;

- гранецентрированная кубическая (ГЦК) решетка;

- гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ).

ОЦК	Li, Na, K, V, Ta, -Cr, Mo, W, -Fe, -Fe	ГПУ	Be, Mg, Zn, Cd, Tl, Ti, Zr, Hf, Cr, Co, Ru, Os
ГЦК	Cu, Ag, Au, Al, Pb, -Fe, -Co, Ni, Rh, Pd, Ir, Pt

Большинству металлов свойственно образование высокосимметричных решеток с плотной упаковкой атомов. Атомы внутри твердого кристаллического тела свободно перемещаться не могут. Для того чтобы какой-либо атом переместился из одного места в другое, необходимо, чтобы некоторая часть окружающих его атомов сместилась из своих нормальных положений, но смещению последних также препятствуют окружающие их атомы. Поэтому скорость диффузии атомов в твердых телах мала. Только при значительном повышении температуры, когда амплитуда колебаний атомов сильно увеличивается, возможен срыв атома со своего места и переход на другое, освобожденное другим атомом.

Свойства тела зависят от природы атомов и от силы взаимодействия между этими атомами, которая зависит от расстоянием между ними.

В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве свойства в различных направлениях одинаковы, т. е. аморфные тела изотропны.

В кристаллических телах атомы имеют правильное расположение в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах связи между ними и в конечном результате разные свойства. Эта особенность кристаллов, т. е. зависимость свойств от направления, называется анизотропией.