4 Особенности металлической кристаллической решетки.

Большинство элементов периодической таблицы Д.И.Менделеева относятся к металлам, которые характеризуются рядом особых свойств: высокими электро- и теплопроводностями, ковкостью и пластичностью, металлическим блеском и высокой отражательной способностью по отношению к свету. Эти специфические свойства металлов можно объяснить особым типом химической связи, получившей название металлической.

У большинства металлов на внешней электронной оболочке имеется значительное число вакантных орбиталей и малое число электронов. Поэтому энергетически более выгодно, чтобы электроны не были локализованы, а принадлежали всему металлу. Согласно теории свободных электронов в узлах решетки металла находятся положительно заряженные ионы, которые погружены в «электронный газ», распределенный по всему металлу. Таким образом, валентные электроны у металлов не локализованы. Между положительно заряженными ионами и нелокализованными электронами существует электростатическое взаимодействие, обеспечивающее устойчивость вещества. Энергия этого взаимодействия является промежуточной между энергиями ковалентных и молекулярных кристаллов. Поэтому элементы с чисто металлической связью (s и р-металлы) характеризуются относительно невысокими температурами плавления и твердостью. Наличие электронов, которые могут свободно перемещаться по объему кристалла, обеспечивает высокие тепло- и электропроводность, а также ковкость и пластичность металлов. Из-за ненаправленности связей, сферической формы и одинакового размера ионов металлы кристаллизуются, как правило, в плотно упакованных гексагональных или кубических гранецентрированных структурах.

В металлическом кристалле атомы связаны друг с другом тем прочнее, чем больше электронов участвует в образовании этих связей. Поэтому среди металлов имеются легкоплавкие и легколетучие, атомы которых имеют 1-2 валентных электрона, такие, как ртуть ( Т_пл= - 38,9°С, Т_кип= 356,6°С ), цезий ( T_пл = 28,5°С, Т_кип = 627°С ) и др. щелочные металлы. В то же время переходные металлы центральной части периодической таблицы 1У - УШ групп, имеющие 4-8 валентных электронов, образуют очень прочные кристаллические решетки и относятся к числу наиболее тугоплавких и труднолетучих веществ. Например, цирконий плавится при 1855°С, а вольфрам - при 3700°С, а кипит около 6000°С.

5 Особенности строение твёрдого тела

Продукция металлургического производства - металлы и сплавы - используются в виде твердых тел. Такие тела в отличие от жидкостей характеризуются особыми свойствами, которые используются как при различных способах обработки, так и при их эксплуатации в виде различных изделий.

В повседневной практике твердое состояние вещества - это такое состояние, в котором вещество имеет собственный объем и собственную форму. Изменение этой формы требует определенных усилий - иногда небольших, иногда значительных. Ничего не стоит загнуть уголок в книге. Можно даже вырвать страницу, хотя делать этого не надо! Немногим труднее согнуть или разорвать алюминиевый листок такой же толщины, но те же операции с листком специально обработанной легированной стали требуют серьезных усилий.

В определенном смысле твердое состояние представляет собой прямую противоположность газообразному. В газах изменение внешнего давления в 2 раза вдвое меняет объем, а силы взаимодействия между молекулами настолько малы, что чаще всего ими можно пренебречь. В твердых телах изменение давления в тысячи раз приводит к изменению объема всего на доли процента, а силы взаимодействия между частицами настолько велики, что чаще всего нашими воздействиями на твердое вещество можно пренебречь.

Различия в свойствах газов и твердых тел определяются прежде всего различной степенью заполнения пространства веществом. Если в газе объем вещества ( молекул ) составляет 0,001 от общего объема, то в твердом теле частицы «упакованы» с максимальной плотностью. Молярный объем газа 22,4 л, а твердого тела 0,01 - 0,05 л, т.е. в 1000 раз меньше. Если в газе молекулы «не чувствуют» друг друга, то в твердом теле каждая частица обязательно взаимодействует с большим числом соседей. Следует подчеркнуть, что термин «твердое тело», отличающий состояние вещества от жидкости и газа, весьма неопределенен, поскольку одно вещество может образовывать несколько, порой весьма различных, твердых тел. Наиболее характерные и известные примеры - графит и алмаз - два твердых тела, образуемых углеродом, красный и белый фосфор. Диоксид кремния образует несколько кристаллических тел (модификаций) и кварцевое стекло - аморфное твердое тело. Практически все вещества существуют в виде нескольких твердых тел. Реакционная способность и другие их свойства, как правило, различны и всегда необходимо указывать, какое именно твердое тело имеется в виду в каждом конкретном случае.

Твердые тела в отличие от жидкостей и газов сохраняют форму. Частицы твердых тел так прочно связаны друг с другом силами сцепления, что поступательное движение их отсутствует, и лишь происходит колебательное движение около определенных точек. Для твердых тел характерно явление деформации, т.е. изменение формы или объема под влиянием внешних воздействий. По способности к деформации все твердые тела делят на упругие (сталь), пластичные (хлебное тесто, мармелад) и хрупкие (чугун, сахар).

Твердые тела могут быть кристаллическими и аморфным, свойства которых различны. Кристаллические тела имеют строго определенную температуру плавления. Для них характерно также явление анизотропии, заключающееся в том, что свойства кристаллических тел в различных направлениях неодинаковы. Это зависит от свойств кристаллов, у которых теплопроводность, механическая прочность, скорость роста кристаллов, скорость растворения и другие свойства в различных направлениях различны. Например, слюда легко разделяется на пластинки только в одном направлении (параллельно ее поверхности), в других направлениях для ее разрушения требуются значительные усилия.

Аморфные тела, наоборот, не имеют постоянной, строго определенной температуры плавления, Они размягчаются в определенном интервале температур и постепенно, уменьшая свою вязкость, переходят в жидкотекучее состояние, не образуя кристаллической структуры. Они находятся в стеклообразном состоянии.

В отличие от кристаллических тел для аморфных, так же как для жидкостей и газов, характерно свойство изотропности, т. е. постоянство свойств по всем направлениям (теплопроводность, электропроводность, механические свойства). Однако резко противопоставлять аморфные тела кристаллическим не следует, т.к. некоторые вещества можно получить в аморфном и кристаллическом состоянии. Например, сахар может быть в кристаллическом (сахарный песок, кусковой сахар) и аморфном состоянии (карамелизованный сахар). Кроме того, некоторые вещества, полученные в аморфном состоянии, со временем могут кристаллизоваться (так, например, кристаллизуется карамель, что нежелательно в кондитерском производстве). Кристаллизуются со временем стекла, что сопровождается потерей их прозрачности. Это явление в технике называется расстекловыванием.