Тема I. Кристалічна будова металів

1.1. Загальна характеристика металів

З відомих у даний час більш як 109 елементів близько 80 є металами, яким у твердому і почасти в рідкому станах властиві:

1) високі тепло- і електропровідність;

2) позитивний температурний коефіцієнт електричного опору (з підвищенням температури опір чистих металів зростає); велике число металів (~30) мають надпровідність( при температурі, близькій до абсолютного нуля, опір падає практично до нуля);

3) термоелектронна емісія - спроможність випускати електрони при нагріванні;

4) висока відбивна спроможність; непрозорість і металевий блиск;

5) підвищена спроможність до пластичної деформації.

Всі метали поділяють на дві великі групи – чорні й кольорові. До чорних відносять залізо та сплави на його основі - сталь і чавун. Група кольорових металів складається з таких металів:

а) легких, які мають невелику густину ( 3 г/см³) – алюміній, магній, берилій;

б) легкоплавких, температура плавлення яких від -38,9 до 419 С – цинк, кадмій, ртуть, олово, свинець, вісмут, сурма, талій, германій, галій;

в) тугоплавких – температура плавлення яких вище ніж у заліза – титан, хром, цирконій, ніобій, молібден, вольфрам, ванадій, гафній, тантал, реній;

д) благородних, які мають високу хімічну інертність – срібло, золото, метали платинової групи;

е) рідкісно-земельних (РЗМ) і лантаноїдів – церій, празеодим, неодим, самарій;

є) уранових - уран, торій, паладій, плутоній, францій, радій, актиній;

ж) лужно-земельних – літій, натрій, калій.

У металів виділяють чотири групи властивостей: механічні, фізичні, хімічні та технологічні.

До фізичних відносять колір, густину, температуру плавлення, електро- та теплопровідність, магнітні властивості, теплоємність; до хімічних – здатність до окислення, розчинність, корозійна стійкість, жаростійкість; до технологічних – прогартовуваність, рідкотекучість, ковкість, здатність до обробки різанням, зварюваність; до механічних – міцність, твердість, пружність, пластичність, в’язкість.

Всі метали і металеві сплави - тіла кристалічні: атоми (іони) розміщені в металах закономірно з утворенням кристалічної гратки.

1.2. Електронна будова атома

Характерні властивості, які відрізняють метали від інших елементів, визначаються електронною будовою їх атомів. Число електронів у електрично нейтральному атомі будь-якого елемента дорівнює його порядковому номеру в періодичній системі Дмитра Менделєєва. Електрони атома перебувають на строго визначених енергетичних рівнях, які відповідають головним квантовим числам п (п= 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).

Енергетичні рівні, в свою чергу, поділяються на підрівні, які позначаються літерами s, р, d і f . Максимальна кількість електронів на підрівнях така: s - 2, р - 6, d - 10, f - 14. Зі збільшенням величини п збільшується відстань електрона від ядра, а отже, підвищується його енергія.

Зростання енергії електронів і послідовність заповнення ними енергетичних рівнів (п=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) та підрівнів (s, р, d f) відбувається за такою схемою:

Іs→2s→2р→3s→Зр→4s→3d→4р→5s→4d→5р→6s→4f→5d→6р→7s→5f→6d

Користуючись цією схемою і знаючи порядковий номер елемента, можна побудувати електронну модель атома. В ній числами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 позначають енергетичні рівні, літерами s, р, d, f - енергетичні підрівні, а число електронів у підрівні пишуть у вигляді степеня. Наприклад, електронна модель натрію (№ 11):

1 s² 2s² 2р^в 3s¹,

тобто на першому енергетичному рівні перебуває два електрони, що займають підрівень 1s, на другому рівні - вісім електронів, що займають підрівні 2s (два електрони) і 2р (шість електронів), на третьому рівні - один електрон (підрівень 3s). Саме розподіл електронів на енергетичних рівнях і підрівнях є причиною періодичних змін валентності елементів і їх властивостей зі збільшенням атомного номера.