Лабораторна робота 1

КРИСТАЛІЗАЦІЯ МЕТАЛІВ

1.1 Мета роботи: вивчення процесу кристалізації солі тіосульфату натрію за допомогою біологічного мікроскопу і проектору.

1.2 Теоретичні відомості

Метали мають специфічні властивості: високу електропровідність і теплопровідність, металевий блиск, високу міцність і ковкість.

Особливістю атомної будови металів є наявність малої кількості валентних електронів на зовнішній електронній оболонці. Валентні електроні слабо зв’язані з ядром, тому під впливом зовнішніх сил вони можуть покидати свої орбіти при витраті невеликої енергії.

Наявність вільних електронів обумовлює високу електро- і теплопровідність металів і металевих сплавів.

Під впливом зовнішнього електричного поля переважна частина вільних електронів переходить на нові квантові оболонки з більшою енергією. Електрони отримують направлений рух і, таким чином в провіднику з’являється електричний струм. Електропровідність металів підвищується зі зниженням температури.

Усі метали і металеві спливи є кристалічні тіла. На відзнаку від аморфних тіл в кристалічному тілі атоми (точніше, позитивні іони) розташовуються в строго певному порядку і в просторі утворюють кристалічну ґратку.

Атоми (іони) металу перебувають на такій регулярній відстані між собою, при якій енергія взаємодії позитивно і негативно заряджених частинок мінімальна. Кристалічна ґратка твердого тіла складається з елементарних фігур. При багаторазовому зміщенні їх за трьома непаралельними напрямками у просторі можна отримати кристалічну гратку.

Елементарною кристалічною коміркою називається такий найменший об’єм, який дає нам уявлення про взаємне розташування атомів у всьому кристалі. В кристалографії розглядають 14 типів елементарних комірок. Переважна більшість металів має одну з елементарних кристалічних комірок: кубічну об’ємоцентровану (ОЦК), кубічну гранецентровану (ГЦК), гексагональну щільноукладену (ГПУ) , тетрагональну (рис. 1.1).

Будова і властивості кристалічних ґраток характеризується наступними параметрами:

1. періодом кристалічної комірки a, b, c – відстаню між центрами сусідніх атомів, які знаходяться в вузлах кристалічної гратки;

2. координаційним числом, яке показує, скільки атомів знаходиться на найбільш близькій і однаковій відстані від будь якого атома;

3. базисом кристалічної гратки – числом атомів, які знаходяться в одній елементарній комірці.

а – об’ємноцентрована кубічна; б – гранецентрована кубічна; в – гексагональна щільно укладена

Рисунок 1.1 – Основні типи елементарних кристалічних комірок

Правильне розташування атомів в монокристалах обумовлює неоднакову щільність заповнення атомами різних кристалографічних площин і напрямків. Властивості монокристалів залежать від вибраного напрямку, тобто від того, як щільно розташовані атоми в напрямку, вздовж котрого ведеться вимір.

В аморфних тілах властивості не залежать від напрямку, такі тіла називаються ізотропними.

Кристалічні тіла анізотропні, тобто їх властивості залежать від кристалографічного напрямку.

Реальні метали і сплави складаються з великої кількості кристалів, разоріентованих у просторі. Таке тверде тіло називається полікристалічним. Кристали полікристалічного тіла, які мають неправильну форму, називаються зернами, або кристалітами. Властивості реальних полікристалічних тіл, внаслідок довільного розташування зерен, будуть однаковими, тобто реальні метали і сплави ізотропні. Після холодної пластичної деформації полікристалічні тіла приймають певне кристалографічне орієнтування зерен (текстуру) і стають анізотропні.

Кристалізація металів – це процес термодинамічний, самостійно протікаючий згідно з другім законом термодинаміки (система прямує до мінімізації надлишкової енергії) (рис.1.2)..

Рисунок 1.2 – Графік зміни вільної енергії F рідкого і твердого станів в залежності від температури

F_Р – надлишкова енергія рідини; F_КР. – надлишкова енергія кристалічного стану речовини; Т_S – теоретична температура кристалізації; Т_Ф – фактична температура кристалізації; ∆t – температура переохолодження.

Кристалізація можлива тільки при переохолодженні рідкого металу. Це пов’язано з закономірностями надлишкової енергії в рідкому стані і твердому стані в залежності від температури.

При Т_Ф F_КР. < F_Р., тому речовина знаходиться у твердому стані; при температурі більш Т_S F_КР. > F_Р., тому речовина знаходиться у рідкому стані.

Із графіку також видно: чим більше значення ∆t, тим більше різниця F_КР. - F_Р., тим інтенсивніше протікає перехід речовини з рідкого в твердий стан.

Кристалізація – процес дифузійного переходу атомів (молекул) з рідини в кристалічний стан.

Механізм кристалізації складається з двох одночасно протікаючих процесів: процесу утворення центрів кристалізації (ц.к.) і процесу росту кристалів (р.к.).

Процес кристалізації вивчають за кривими охолодження (рис. 1.3). Зниження температури викликає охолодження розплаву (ділянка АВ). Процес кристалізації починається при температурі Т_КР, яка менше від температури Т_S на величину температури переохолодження t. З початком кристалізації відвід тепла в навколишнє середовище буде компенсуватися виділенням схованої теплоти плавлення. На кривій охолодження з’явиться горизонтальна ділянка (ВС). При завершенні процесу кристалізації (крапка С) почнеться охолодження твердого металу (СД).

Рисунок 1.3 – Крива охолодження чистого металу

Збільшення температури переохолодження (t) викликає збільшення центрів кристалізації і швидкості росту кристалів. Здрібнювання зерна в сплавах досягається шляхом модифікування, тобто введення в розплав дисперсних частинок, яки грають роль додаткових центрів кристалізації.

При кристалізації металів і їх сплавів утворюються дендритні кристали (деревоподібні).