Атомно-кристаллическое строение

Цель: ознакомление с атомно –кристаллическим строением металлов

1.Простые и переходные металлы. Атомно-кристаллическое строение чистых металлов. Кристаллические решетки.

2.Межатомные связи в металлах. Способы размещения атомов в кристаллических решетках.

3.Физические свойства металлических материалов(электрические и магнитные свойства, температуры плавления и испарения, ионизационные потенциалы)

Ключевые слова: компонент, металл, парамагнетизм, ферромагнетизм, ионизационный потенциал, кристалл, зерно,тепло-электропроводность.

Простые и переходные металлы. Атомно-кристаллическое строение чистых металлов. Кристаллические решетки.

Межатомные связи в металлах. Способы размещения атомов в кристаллических решетках.

Кристаллы образуются в результате такого взаймодействия структурных частиц, которое приводят к устойчивым постройкам, характеризующимся минимумом потенциальной энергии. Такими частицами могут быть атомы, ионы или молекулы. Для возникновения устойчивой кристаллической структуры необходимо , чтобы между частицами действовали двоякого рода силы: силы притяжения и силы отталкивания.

Силы, связывающие между собой атомы (ионы) в кристаллах,почти полностью электрические : роль магнитных взаимодействий весьма незначительна, гравитационных- ничтожна. Химическая связь возникает при сближении атомов и обуславливается взаимодействием внешних валентных электронов. В настоящее время различают ионный (гетерополярный), ковалентный (гомеополярный), металлический, ван-дер-ваальсовый типы связей между атомами и еще один специальный вид связи – так называемую водородную. Первые три типа связи более прочны, чем два последние.Такое разделение на типы связей, особенно между первыми тремя в какой-то мере условно.

Ионный тип связи является малонаправленным и возникает в результате электростатического взаймодействия разноименно заряженных ионов, каждый их которых окружен максимальным количеством ионов противоположного заряда. Для структур с этим типом связи характерны средние и относительно высокие координационные числа (6 и 8) и нередко плотнейшие упаковки. Представителями структур с ионным типом связи являются галогениды, оксиды, силикаты, многие халькогениды и соли неорганических кислот.

Ковалентный тип связи осуществляется с помощью спаренных (обобществленных) электронов: два внешних электрона с противоположными спинами принадлежат одновременно двум атомам. Связь строго направлена. Для структур с этим типом связи характерны малые координационные числа (определяются по правилу Юм-Розери: 8-N, где N-номер группы периодической систамы для данного элемента), отсутствие плотнейших упаковок.

Соединение в ковалентной связью образуются чаще свего элементами из IV и близких к ней подгрупп таблицы Менделеева.Так как ковалентная связь весьма прочна, то кристаллы этих соединений обычно обладают высокими твердостью, упругостью, температурой плавления. Ковалентные кристаллы- полупроводники или диэлектрики.

Классическим примером ковалентного кристалла является алмаз, характеризующийся чисто ковалентными связами. Почти у всех ковалентных кристаллов, за редким исключением , помимо ковалентных, имеются дополнительные связи (ионные, металлические или ван-де-ваальсовый).

Металлический тип связи основан на обобществлении (коллективизации) валентных электронов всех атомов, которые не связаны с определенными атомами и способны передвигаться по всему объему кристалла. Валентные электроны образуют своеобразный «электронный газ». Кристаллические структуры с таким типом связи можно представить как упорядоченное расположение положительно заряженных ионов (катионов), погруженных в «электронный газ», электроны которого взаймодействуют как с ионами, так и между собой.

Металлическая связь сферически симметрична, ей присущи большие координационные числа (к.ч.=12 или к.ч.=8), плотные упаковки структур. Металлические кристаллы имеют металлический блеск, высокие электропроводность и теплопроводность, малые коэфициенты сжимаемости и теплового расширения.

Ван-дер-ваальсовый тип связи характерен для молекулярных кристаллов оттвердевших газов (например, аргон,водород, азот и др.). Так как атомы газов обладают замкнутыми оболочками, то силы притяжения между ними очень слабы и получили название ван-дер-ваальсовых.

Основная составляющая межмолекулярных сил- это так называемое дисперсионное взаймодействие между нейтральными атомами и молекулами. Электрический момент атома равен нулю, однако в каждый момент времени электроны, располагаясь в определенных точках пространства, создают мгновенные быстро меняющиеся диполи. При сближении двух атомов (например, гелия) в движении электронов этих атомов устанавливается согласование, которое и приводит к возникновению сил взаймодействия.

Ван-дер-ваальсовые силы межмолекулярного взаймодействия значительно слабее сил ионной, ковалентной и металлической связей. Молекулярные кристаллы являются обычно диэлектриками и структурами с малыми координационными числами, низкой температурой плавления , большой сжимаемостью, малой твердостью.

Водородный тип связи образуются между атомами водорода,входящими в ковалентные группировки NH или ОН , и электроотрицательными атомами N,O,F,CI или S. Такой атом притягивает электроны связи и приобретает отрицательный заряд : атом водорода, от которого электрон связи оттянут, приобретает положительный заряд. Водородная связь обусловлена электростатическим притяжением этих зарядов.

Важную роль водородные связи играют во многих органических соединениях. Типичным примером может служить водородная связь, возникающая между молекулами воды.

Характер химической связи проявляется в физических свойствах кристаллов. Чем прочнее связь, тем выше механические свойства кристаллов (твердость, упругость), тем выше температура плавления и меньше коэфицент термического расширения. Наиболее прочны и тверды ковалентные кристаллы или ионно-ковалентные . Но и для них характерно снижение температуры плавления (-2500-500 оС) и прочности по мере увеличения межатомных расстояний и уменьшение сил связи. Механические свойства металлов характеризуется еще более широким разбросом (от весьма прочных и тугоплавких до легкоплавких и даже жидких при комнатной температуре – ртуть). Молекулярные кристаллы являются наименее прочными, лекоплавкими.

Тип химической связи выражается и в оптических свойствах. Так, ионные и ковалентные кристаллы обладают высоким показателем преломления и обычно прозрачны, как и молекулярные кристаллы. Металлы не прозрачны, но хорошо отражают свет, обладают металлическим блеском.