1. Какие материалы относятся к металлам

Металлы (от лат. metallum — шахта, рудник) - группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

2. Кристаллические и аморфные вещества

Кристаллические тела имеют определенный порядок расположения атомов, который характерен для всего кристалла ( дальний порядок) . Свойства : определенная температура плавления, правильная геометрическая форма, зависимость физических свойств от направления в кристалле ( анизотропия) . Аморфные-- отсутствие дальнего порядка. Свойства подобны свойствам жидкостей -- текучесть, при нагреве постепенно размягчаются, свойства не зависят от направления (изотропия). Отличий у аморфных и кристаллических тел много. Все перечислять едва ли есть смысл. Основно отличие состоит в том, что кристаллические тела (монокристаллы) анизотропны по разным направлениям (электропроводность, теплопроводность, механические свойства и т. д) , аморфные тела -изотропны (имеют одинаковые свойства по разным направлениям) . Аморфные тела не имеют регулярную правильность в построении кристаллической решетки. Кристаллические тела имеют так называемый "дальний порядок", т. е. строение кристаллической решетки повторяется. Это только малая толика отличий.

3. Какие типы связей и кристаллические структуры вы знаете? Схемы основные параметры.

Твердые тела можно разделить на группы, основанные на типах связи между кристаллами. Согласно этой классификации все твердые тела условно можно разделить на металлы, ионные кристаллы, валентные кристаллы, молекулярные кристаллы, кристаллы с водородной связью. Различия между этими группами кристаллов не всегда достаточно четко выражены, поэтому, указанный способ классификации может служить для приближенного объединения кристаллов в группы. Например, полупроводники могут относиться и к ионным, и к валентным, и к молекулярным кристаллам.

Основные типы связывающих сил, в соответствии с которыми мы провели классификацию твердых тел это ионная, ковалентная, молекулярная, металлическая и водородная.

Ионная связь возникает в кристалле благодаря электростатическому взаимодействию между противоположно заряженными ионами. Ионная связь возникает, когда сближаются атомы, сильно отличающиеся по величине энергии их валентных электронов.

Ковалентная связь.Если атомы, из которых формируется кристалл, обладают аналогичными свойствами, то невозможен переход электронов от электроположительных атомов к электроотрицательным для создания стабильных конфигураций. Однако, если каждый из двух подобных атомов имеет орбиту с одним только валентным электроном, то при сближении атомов такие орбиты могут объединяться в одну. Возникает общая орбита с двумя электронами, вращающимися вокруг обоих атомов. Эта орбита с двумя электронами более устойчива, чем две независимые орбиты с одним электроном на каждой. Взаимное притяжение двух атомов благодаря общей орбите электронов и образует ковалентную связь, которая обуславливает образование валентных кристаллов.

Молекулярная связь осуществляется силами Ван-дер-Ваальса, она имеет важное значение только в том случае, когда возникает между атомами и молекулами, имеющими заполненные валентные оболочки. Многие атомы и молекулы, являясь нейтральными образованиями, обладают определенным электрическим дипольным моментом, благодаря несимметричному распределению электрических зарядов. Взаимодействие этих моментов и приводит к возникновению сил притяжения (в данном случае сил Ван-дер-Ваальса). Даже в тех атомах и молекулах, в которых дипольный момент равен нулю, возникает изменение дипольного момента, вызванное движением электронов и их мгновенным положением. Мгновенное электронное поле возбуждает дипольные моменты в окружающих атомах и между ними возникают силы Ван-дер-Ваальса. Атомы будут сближаться до тех пор, пока электронное отталкивание внешних электронных оболочек не скомпенсирует силы Ван-дер-Ваальса.

Металлическая связь.Металлический кристалл в некотором приближении можно представить в виде решетки из положительных ионов, между которыми могут свободно перемещаться электроны. Металлическая связь возникает благодаря взаимодействию между ионами и всей совокупностью обобществленных электронов. Электроны, находящиеся между ионами, "стягивают" их, стремясь уравновесить силы отталкивания, действующие между положительными ионами. Металлические кристаллы обладают высокой ковкостью, теплопроводностью и электропроводностью. Почти все металлы кристаллизуются в наиболее плотных структурах кубической и гексагональной решеток, с наибольшим значением координационного числа, т.е. числа атомов которые составляют ближайшее окружение данного атома.

Водородная связь.Водородная связь возникает в том случае, когда атом водорода связан с очень электроотрицательным атомом (например, атомом кислорода, фтора, натрия, хлора и т.д.). Такой атом притягивает электроны связи и приобретает отрицательный заряд. Атом водорода, от которого оттянут электрон связи, приобретает положительный заряд. Водородная связь обусловлена электростатическим притяжением этих зарядов.

4. Структуры металлов. Анизотропия свойств металлов аллотропия.

Существуют тела аморфные и кристаллические. Структура аморфных тел состоит из хаотически расположенных атомов. К таким телам относятся, например, стекло, янтарь, смолы и т. п. Кристаллические тела отличаются от аморфных тем, что атомы в них располагаются в геометрически правильном порядке. Металлы и металлические сплавы относятся к типичным кристаллическим телам. Атомы, располагаясь в металлах в строго определенном геометрическом порядке, образуют кристаллическую решетку (рис. 11). В зависимости от расположения атомов образуются различные виды кристаллических решеток.

В металлах чаще всего встречаются кристаллические решетки в виде центрированного куба, гранецентрированного куба и гексагональной призмы.

Такие, например, металлы как хром, ванадий, вольфрам, молибден и ряд других, имеют кристаллическую решетку в виде центрированного куоа (рис. 12, а), в которой восемь атомов располагаются в углах куба и один — в центре куба.

Алюминий, медь, свинец, никель, серебро и др. имеют кристаллическую решетку — гранецентрированную, т. е. в виде куба с центрированными гранями (рис. 12,6). В такой решетке в каждом углу куба находится по одному атому и по одному атому в центре каждой грани. Всего, следовательно, 14 атомов.

Кристаллическую решетку в зиде гексагональной призмы (рис. 12, е) имеют такие металлы, как, например, цинк, титан, марганец. Расположение атомов в кристаллической решетке типа гексагональной призмы следующее: в каждом углу призмы находится по одному атому, в центре верхнего основания один атом, в центре нижнего основания один атом и три атома в среднем сечении. В отдельно взятом кристалле свойства различны в разных направлениях.

Если взять большой кристалл ( существуют методы выращивания крупных кристаллов), вырезать из него несколько одинаковых по размеру, но различно ориентированных образцов и испытать их свойства, можно иногда наблюдать значительную разницу в свойствах отдельных образцов. Например, при испытании различных образцов из кри­сталла меди относительное удлинение изменяется от 10 до 55 %, а предел прочности -от 140 до 350 МПа. Это свойство кристаллов называютанизотропностью.

Анизотропность кристаллов определяется характером расположения атомов в кристаллической ре­шетке.

Аморфные тела изотропны, т. е. все их свойства одинаковы во всех направлениях; излом аморфного тела всегда имеет неправиль­ную, искривленную, так называемую раковистую форму.

Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят из множе­ства кристаллов, кристаллическая решетка которых по-разному ориентирована, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы по всем направлениям; это называют квазиизотропностью.

Аллотропия металлов. Аллотропия металлов (или полиморфизм)-свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагрева и охлаждения - присуща многим металлам (железу, марганцу, никелю, олову, титану, ванадию и др.). Каждое аллотропическое превращение происходит при определенной тем­пературе (например, одно из превращений железа происходит при температуре 911о С, ниже которой! атомы составляют решетку цен­трированного куба, а выше — решетку гранецентрированного куба).

Структура, имеющая ту или иную решетку, называется алло­тропической формой или модификацией. Различные модификации обозначают греческими буквами α, β, γ и т. д., причем буквой α обозначают модификацию, существующую при температурах ниже первого аллотропического превращения. Аллотропические превра­щения сопровождаются отдачей (уменьшением) или поглощением (увеличением) энергии.

Кристаллизацией называется образо­вание кристаллов в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое (первичнаякристаллизация), а также пере­кристаллизация в твердом состоянии (вторичная кристаллизация) при их охлаждении. К вторичной кристаллизации относятся пере­кристаллизация из одной модификации в другую (полиморфные превращения), распад твердых растворов, распад или образование химических соединений.

Пространственные кри­сталлические решетки образуются в металле при пере­ходе его из жидкого состояния в твердое. Этот процесс на­зывается кристаллизацией