3. Кристаллическое строение металлов. Аллотропические или полиморфные превращения

Как известно, атомы всех элементов состоят из положительно заряженного ядра (с определенным числом протонов и нейтронов) и с огромной скоростью движущихся вокруг него по круговым или эллиптическим орбитам отрицательно заряженных электронов. Число электронов в атоме равно положительному заряду ядра.

Электроны каждого атома распределены по электронным слоям (с различными радиусами). В каждом слое может находиться не более строго определенного числа электронов: в первом - 2х1²= 2; во втором -2х2² = 8; в третьем - 2х3² = 18. Каждый слой электронов разделен на подгруппы в зависи­мости от энергетического уровня электронов. Особенностью атомов металлов является то, что они имеют небольшое количество электронов на последней электронной оболочке (эти электроны называют ещё валентными). Такие электроны слабо связаны с ядром и могут легко отрываться от «своих» атомов, которые при этом превращаются в положительно заряженные ионы. Свободные электроны в твердом металле называют «электронным газом». Подобные электроны коллективно «обслуживают» всю упорядоченно расположенную систему ионов; при этом общая система электронов и ионов остается электрически нейтральной. Следовательно, в твердом состоянии металл пред­ставляет собой структуру, состоящую из положительно заряженных ионов, омываемых «газом» из свободных коллективизированных электронов. Такое взаимодействие между ионным каркасом и электронным газом называют металлической связью.

В твердых металлах между соседними атомами (ионами) существует сложное взаимодействие, при котором одновременно действуют силы притя­жения и отталкивания. В общем виде результаты такого взаимодействия можно представить кривой на рис. 3.1.

Находящиеся в парообразном состоянии (при высоких темпе­ратурах) и обладающие большой кинетической энергией атомы ме­таллов участвуют в броуновском движении. Никакого взаимодей­ствия между атомами, находящи­мися на большом удалении друг от друга, не существует (кроме отталкивания в моменты случайных столкновений). При снижении температуры интенсивность движения атомов уменьшается, они приближаются друг к другу - между ними возникает слабое притяжение.

Рис. 3.1. Схема взаимодействия двух атомов в зависимости

От расстояния между ними

При дальнейшем падении температуры атомы сближаются еще больше - вещество переходит в жидкое состояние, силы взаимного притяжения между атомами становятся еще больше. Наконец, при уменьшении температуры ниже определенного уровня энергия броуновского движения становится незначительной, и атомы под действием сил притяжения сближаются до расстояния R₀, когда «соприкасаются» внешние электронные оболочки их атомов и когда силы притяжения и отталкивания уравновешиваются - вещество переходит в твердое состояние. Дальнейшее сближение или удаление атомов друг от друга требует затраты энергии.

Таким образом, в твердом металле атомы (ионы) располагаются равно­мерно, на строго определенном расстоянии друг от друга, образуя трехмерную кристаллическую решетку. Кристаллическую решетку можно представить как структуру, состоящую их трёх групп воображаемых параллельных плоскостей, определенным образом ориентированных в пространстве; для куби­ческой решетки - в трех взаимно перпендикулярных направлениях. В точках пересечения этих плоскостей - узлах - расположены атомы металла - рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема кристаллической решетки:

а, в, с - линейные параметры элемен­тарной ячейки; α, β, γ - угловые пара­метры