Простые металлы – диамагнетики.

Переходные металлы – либо парамагнетики, либо ферромагнетики за счет наличия некомпенсированных электронов.

Вопрос № 1. Типы связи атомов в веществе

Существуют 4 типа связи атомов в веществе:

1 – ионная (галоидно-водородные соединения типа НСl, галоидные соединения щелочных металлов NaCl, окислы и т.п.), взаимодействие двух противоположно заряженных составных частей сводится к электростатическому их притяжению, силы взаимодействия между ними являются в основном электростатическими (кулоновскими), такая связь называется гетерополярной;

2 – ковалентная (СН₄, алмаз, графит, кремний, германий), характеризуется направленностью и жесткостью, наблюдается в кристаллах неметаллических элементов, валентные электроны одновременно принадлежат к двум соседним атомам, причем каждый атом стремится иметь максимальное число соседей, отдавая для связи с ним один из неспаренных электронов, связь гомеополярная;

3 - металлическая, в узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла, между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов, связь ненаправленная и нежесткая, т.к. свободные электроны не принадлежат определенному атому и распределены равномерно, отсюда и высокая пластичность металлов;

4 – Ван-дер-Ваальсова, когда в узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы, силы связи между молекулами описываются законом Ван-дер-Ваальса (Ar, Н₂, О₂, СО₂, Н₂0).

Для переходных металлов характерна смешанная связь – металлическая и ковалентная. Чем больше ковалентная связь, тем хуже металлические свойства, пластичность металлов и электропроводность уменьшаются.

Таблица 1 – Виды связей в кристаллической решетке и ее представители

Вид связи	Представитель связи	Энергия связи ккал/моль
Ионная Ковалентная Металлическая Ван-дер-Ваальсова	NaCl алмаз Na(простой) Fe(переходный) Ar	180 170 26 95 1,8

Понятие порядка и беспорядка в пространственном расположении частиц. В газах атомы (молекулы) расположены хаотически, беспорядочно, вследствие чего газы не имеют определенной формы и принимают форму сосуда, в котором они находятся. Частицы в газах хаотически двигаются, отталкиваются друг от друга и газ стремится занять возможно больший объем. Молекулы газа взаимодействуют друг с другом с силами, быстро убывающими с увеличением расстояния между молекулами. Все направления движения молекул газа равновероятны, о чем свидетельствует то обстоятельство, что давление газа на стенки сосуда всюду одинаково. Молекулы газа движутся с самыми различными скоростями, причем как величина, так и направление скорости каждой отдельно взятой молекулы непрерывно меняются из-за соударений (каждая молекула претерпевает в секунду примерно 10⁹соударений).

Жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами, сочетая в себе черты этих обоих состояний. Например, для жидкости, как и для кристаллических тел, характерно наличие определенного объема, и вместе с тем жидкость, подобно газу, принимает форму того сосуда, в котором она находится. Как и в кристаллических телах, в жидкости частицы (атомы, молекулы) сохраняют так называемый ближний порядок, т.е. в пространстве закономерно расположено небольшое количество атомов, а не атомы всего объема, как в твердом теле. Ближний порядок не устойчив: он то возникает, то исчезает под действием тепловых колебаний.

В кристаллических твердых телах, в том числе и металлах, расположение атомов полностью упорядочено, о чем можно судить по часто встречающейся симметрии их внешней формы, правильной внешней органке. В кристаллах имеет место дальний порядок, т.е. упорядоченное расположение частиц по отношению к любой частице наблюдается в пределах значительного объема. Характерная черта кристаллического состояния, отличающая его от жидкого и газообразного, заключается в наличии анизотропии, т.е. зависимости ряда физических свойств (механических, тепловых, электрических,оптических) от направления. Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, являются изотропными (газы, жидкости, аморфные тела).

Вопрос № 2. Кристаллические и аморфные твердые тела. Параметры кристаллической решетки

Расположение атомов в кристаллических веществах всегда может быть представлено как совокупность параллелепипедов, образующих трехмерную решетку, в каждом параллелепипеде или элементарной ячейке расположение атомов одно и то же. Атомы (положительно заряженные ионы) располагаются в узлах параллелепипеда. В кристалле каждый атом имеет одно и тоже количество ближайших соседей, расположенных на одинаковом от него расстоянии.

Длины ребер элементарной ячейки называются первичными трансляциями, поскольку всю решетку можно построить путем бесконечно повторяющегося переноса элементарной ячейки по трем осям координат.

Аморфные тела представляют собой сильно переохлажденные жидкости, частицы которых вследствие сильно возросшей вязкости имеют ограниченную подвижность. В некоторых случаях при больших переохлаждениях подвижность молекул жидкости, не имеющей зародышей кристаллизации, оказывается столь незначительной, что метастабильное состояние может сохраняться очень долго. Жидкость в каких случаях обладает весьма малой текучестью и представляет собой аморфное твердое тело. Кривая нагрева аморфного тела выглядит иначе по сравнению с кристаллическим. При равномерном подводе тепла температура аморфного тела непрерывно растет. Для аморфных тел нет определенной температуры перехода в жидкое состояние. Этот переход совершается непрерывно, а не скачком. Можно лишь указать интервал температур, в пределах которого происходит размягчние тела. Это объясняется тем, что жидкости и аморфные тела отличаются лишь степенью подвижности молекул. Аморфные тела не обнаруживают анизотропии. Примерами аморфных тел служат стекло, смолы, битумы и т.п.

Параметры идеального кристаллического строения.Совокупность атомов или молекул, находящихся в узлах решетки называетсябазисом решетки. Базис решетки характеризуется векторами и произвольными углами между нимиа₁, а₂, а_з и ₁, ₂, _з.

Воображаемые линии, проведенные через центры атомов, образуют кристаллографическую плоскость. Многократное повторение кристаллографических плоскостей, расположенных параллельно друг другу, воспроизводит пространственную кристаллическую решетку. Расположение атомов в кристаллах удобно изображать в виде пространственных схем – элементарных кристаллических ячеек.

Размеры элементарных кристаллических ячеек характеризуются параметрами или периодами решетки а– длина ребра куба или расстояние между двумя параллельными плоскостями. Параметры имеют размеры порядка атомных и измеряются в ангстремах.

Координационное число К – это число ближайших равноудаленных от данного атома соседей.

ОЦК – К=8 (К8) ГЦК – К=12 (К12) ГПУ – К=12 (Г12)

Простая кубическая к – К=6 (К6)

Гексагональгая – К=6 (Г6)

Плотность упаковки решетки =V_ат/V_яч

К=12 - =74%

К=8 - =68%

К=6 - =50%

К=4 - =25%

Число атомов, принадлежащих данной ячейке n.

ОЦК - n=2

ГЦК - n=4

Простые и сложные кристаллические структуры. Методом дифракции рентгеновских лучей через кристаллические материалы было выявлено 230 пространственных групп, объединенных в 32 класса или в 7 систем. Действительно, возможно 7 комбинаций 6 чисел (а₁,а₂, а₃,₁,₂,₃).

7 выделенных систем:

1 – триклинная:

а₁а₂а_з

₁₂_з

элементарная ячейка имеет форму косоугольного параллелепипеда;

2. – моноклинная:

а₁а₂а_з

₁=₂=90⁰

_з90⁰

элементарная ячейка имеет форму прямой призмы, в основании которой лежит параллелограмм (т.е. форму прямого параллелепипеда);

3. ромбическая:

а₁а₂а_з

₁=₂=_з=90⁰

элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда;

4. тетрагональная:

а₁=а₂а_з

₁=₂=₃=90⁰

элементарная ячейка имеет форму прямой призмы с квадратным основанием;

5. ромбоэдрическая:

а₁=а₂=а_з

₁=₂=₃90⁰

элементарная ячейка имеет форму куба, деформированного сжатием или растяжением вдоль диагонали;

6. гексагональная:

а₁=а₂а_з

₁=₂=90⁰

_з=120⁰

6. кубическая система:

а₁=а₂=а_з

₁=₂= а_з=90⁰

элементарная ячейка имеет форму куба.

Пример – ОЦК и ГЦК, ГПУ (рис.1)

Рисунок 1 – Основные типы кристаллических решеток металлов: