Какие физические свойства металлов определяются их кристаллическим строением
Металлы – особая группа элементов в периодической таблице Менделеева. В отличие от неметаллов элементы этой группы являются исключительно восстановителями с положительной степенью окисления, а также обладают пластичностью, твёрдостью, упругостью, что обусловлено кристаллическим строением металлов.
Общее строение
Металлы – твёрдые вещества, имеющие кристаллическое строение. Исключение составляет ртуть – жидкий металл. Кристаллические решётки представляют собой упорядоченные определённым образом атомы металла. Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и нескольких отрицательно заряженных электронов. В атомах металлов недостаточно электронов, поэтому они являются ионами.
Единица кристаллической решётки – элементарная кристаллическая ячейка, в условных узлах и на гранях которой находятся положительно заряженные ионы. Их удерживают вместе металлические связи, возникающие за счёт беспорядочного движения отделившихся от атомов электронов (благодаря чему атомы превратились в ионы).
Отрицательно заряженные электроны держат на равном расстоянии положительно заряженные электроны, предавая кристаллической решётке правильную геометрическую форму.
Рис. 1. Схема металлической связи.
Свободное движение электронов обусловливает электро- и теплопроводность металлов.
Виды решёток
Элементарные кристаллические ячейки могут иметь различную конфигурацию. В связи с этим выделяют три типа кристаллических решёток:
- объемно-центрированная (ОЦК) кубическая – состоит из 9 ионов;
- гранецентрированная (ГЦК) кубическая – включает 14 ионов;
- гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – состоит из 17 ионов.
ОЦК представляет собой куб, в узлах которого находится по атому. В центре куба, на пересечении диагоналей располагается девятый ион. Этот тип характерен для железа, молибдена, хрома, вольфрама, ванадия.
Элементарной кристаллической ячейкой типа ГЦК является куб с ионами в узлах и в середине каждой грани – на пересечении диагоналей. Такое строение имеют медь, серебро, алюминий, свинец, никель.
Третий тип имеет вид гексагональной призмы, в узлах которой находится по шесть ионов с каждой стороны. Посередине между шестью узлами располагается по одному иону. В середине призмы между шестиугольными гранями находится равносторонний треугольник, который составляют три иона.
Рис. 2. Типы решёток.
Металл может содержать большое количество дефектов атомного строения. Дефекты влияют на свойства металла.
Характеристика решётки
Кристаллические решётки характеризуются компактностью или степенью наполненности. Компактность определяют показатели:
- параметр решётки – расстояние между атомами;
- число атомов;
- координационное число – количество соседних ячеек;
- плотность упаковки – отношение объёма, занимаемого атомами, к полному объёму решётки.
При подсчёте количества атомов следует помнить, что атомы в узлах и на гранях входят в состав соседних ячеек.
Рис. 3. Кристаллические ячейки составляют решётку.
Что мы узнали?
Узнали кратко об атомно-кристаллическом строении металлов. Металлы – твёрдые кристаллические вещества. Единицей решётки является элементарная кристаллическая ячейка. Благодаря металлическим связям ионы в узлах ячеек удерживаются на одинаковом расстоянии. Различают три типа кристаллических решёток – ОЦК, ГЦК и ГПУ, отличающихся количеством атомов и геометрической формой.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.5. Всего получено оценок: 97.
Физические свойства металлов отличают их от неметаллов. Все металлы, кроме ртути, – твёрдые кристаллические вещества, являющиеся восстановителями в окислительно-восстановительных реакциях.
Положение в таблице Менделеева
Металлы занимают I-II группы и побочные подгруппы III-VIII групп. Металлические свойства, т.е. способность отдавать валентные электроны или окисляться, увеличиваются сверху вниз по мере увеличения количества энергетических уровней. Слева направо металлические свойства ослабевают, поэтому наиболее активные металлы находятся в I-II группах, главных подгруппах. Это щелочные и щелочноземельные металлы.
Определить степень активности металлов можно по электрохимическому ряду напряжений. Металлы, стоящие до водорода, наиболее активны. После водорода стоят слабоактивные металлы, не вступающие в реакцию с большинством веществ.
Рис. 1. Электрохимический ряд напряжений металлов.
Строение
Вне зависимости от активности все металлы имеют общее строение. Атомы в простом металле расположены не хаотично, как в аморфных веществах, а упорядоченно – в виде кристаллической решётки. Удерживает атомы в одном положении металлическая связь.
Такой вид связи осуществляется за счёт положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической ячейки (единицы решётки), и отрицательно заряженных свободных электронов, которые образуют так называемый электронный газ. Электроны отделились от атомов, превратив их в ионы, и стали перемещаться в решётке хаотично, скрепляя ионы вместе. Без электронов решётка бы распалась за счёт отторжения одинаково заряженных ионов.
Различают три типа кристаллической решётки. Кубическая объемно-центрированная состоит из 9 ионов и характерна хрому, железу, вольфраму. Кубическая гранецентрированная включает 14 ионов и свойственная свинцу, алюминию, серебру. Из 17 ионов состоит гексагональная плотноупакованная решётка цинка, титана, магния.
Рис. 2. Виды кристаллических решёток.
Свойства
Строение кристаллической решётки определяет основные физические и химические свойства металлов. Металлы блестят, плавятся, проводят тепло и электричество. Промышленность и металлургия нашли применение физическим свойствам металлов в изготовлении деталей, фольги, корпусов машин, зеркал, бытовой и промышленной химии. Особенности металлов и их использование представлены в таблице физических свойств металлов.
Свойства | Особенности | Примеры | Применение |
Металлический блеск | Способность отражать солнечный свет | Наиболее блестящими металлами являются Hg, Ag, Pd | Изготовление зеркал |
Плотность | Лёгкие – имеют плотность меньше 5 г/см3 | Na, K, Ba, Mg, Al. Самый лёгкий металл – литий с плотностью 0,533 г/см3 | Изготовление облицовки, деталей самолётов |
Тяжёлые – имеют плотность больше 5 г/см3 | Sn, Fe, Zn, Au, Pb, Hg. Самый тяжёлый – осмий с плотностью 22,5 г/см3 | Использование в сплавах | |
Пластичность | Способность изменять форму без разрушений (можно раскатать в тонкую фольгу) | Наиболее пластичные – Au, Cu, Ag. Хрупкие – Zn, Sn, Bi, Mn | Формовка, сгибание труб, изготовление проволоки |
Твёрдость | Мягкие – режутся ножом | Na, K, In | Изготовление мыла, стекла, удобрений |
Твёрдые – сравнимы по твёрдости с алмазом | Самый твёрдый – хром, режет стекло | Изготовление несущих конструкций | |
Температура плавления | Легкоплавкие – температура плавления ниже 1000°С | Hg (38,9°С), Ga (29,78°С), Cs (28,5°С), Zn (419,5°C) | Производство радиотехники, жести |
Тугоплавкие – температура плавления выше 1000°С | Cr (1890°С), Mo (2620°С), V (1900°С). Наиболее тугоплавкий – вольфрам (3420°С) | Изготовление ламп накаливания | |
Теплопроводность | Способность передавать тепло другим телам | Лучше всего проводят ток и тепло Ag, Cu, Au, Al | Приготовление пищи в металлической посуде |
Электропроводность | Способность проводить электрический ток за счёт свободных электронов | Передача электричества по проводам |
Рис. 3. Примеры применения металлов.
Что мы узнали?
Из урока 9 класса узнали о физических свойствах металлов. Кратко рассмотрели положение металлов в периодической таблице и особенности строения кристаллической решётки. Благодаря строению металлы обладают пластичностью, твёрдостью, способностью плавиться, проводить электрический ток и тепло. Свойства металлов неоднородны. Различают лёгкие и тяжёлые металлы, лёгкоплавкие и тугоплавкие, мягкие и твёрдые. Физические свойства используются для изготовления сплавов, электрических проводов, посуды, мыла, стекла, конструкций различной формы.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.2. Всего получено оценок: 128.
Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.
Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не рядом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях.
В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1–0,7 нм, размеры элементарных ячеек — 0,2–0,3 нм.
Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической решетки необходимо знание величин параметров a, b, c и углов между ними.
В 1848 г. Французский ученый Бравэ показал, что изученные трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов кристаллических решеток.
Для характеристики кристаллических решеток вводят понятия координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом I называется число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и ГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГП. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГП их 12.
Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. Е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.
Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки: где R — радиус атома (иона); n — базис, или число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку; V — объем элементарной ячейки.
Для простой кубической решетки n = (1/8) ? 8 = 1; V = a3 = (2R)3, коэффициент компактности Q = 52 %.
На решетку ОЦК приходится два атома: один центральный и один как сумма от вершин куба, так как ячейке принадлежит 1/8 атома от каждого угла.
Для ОЦК решетки n = (1/8) ? 8 + 1 = 2. Учитывая, что атомы соприкасаются по диагонали куба, длина которой равна 4 атомным радиусам, параметр решетки а коэффициент компактности QОЦК = 68 %.
Проведя аналогичные вычисления, найдем QГЦК = 74 %, QГП = 74 %.
Таким образом, решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.
Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом a (a-Fe), при более высокой индексом b, затем y и т.д (где а – альфа, b – бетта и y – гамма).
Известны полиморфные превращения железа:
Fea << Feg (a-Fe<< g-Fe, титана Tia << Tig
(a-Ti<< g- Ti) и других элементов.
Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения.
При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. Так, при температуре ниже 911 °С устойчиво Fea, в интервале 911–1392 °С устойчиво Feg. При нагреве выше 911 °С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.
При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свойства, в частности плотность и соответственно объем вещества. Например, плотность Feg на 3 % больше плотности Fea, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке.
Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Р. Скотта. Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре произошло полиморфное превращение пластичного белого олова с образованием хрупкого порошка серого олова. Горючее вылилось и испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива. Превращение белого олова в серое называют «оловянной чумой».
Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1.
Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов
А. Металлы с одним типом решетки
| ТИП РЕШЕТКИ | КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО | КОЭФФИЦИЕНТ КОМПАКТНОСТИ | МЕТАЛЛ |
| ГЦК | 12 | 74 | Ag,Au,Pt, Cu,Al,Pb,Ni |
| ОЦК | 8 | 68 | Na, K,V,Nb, Cr, Mo, W |
| ГП | 12 | 74 | Be,Mg,Zn,Cd |
Б. Металлы с полиморфным превращением
| МЕТАЛЛ | ТИП РЕШЕТКИ | ТЕМПЕРАТУРА ПРЕВРАЩЕНИЯ, °С |
| Ca | ГЦК << ГП | 450 |
| Ce | ГП <<ГЦК | 477 |
| Zr | ГП <<ОЦК | 882 |
| Ti | ГП <<ОЦК | 882 |
| Fe | ОЦК<<ГЦК<<ОЦК | 911, 1 392 |
Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят, и силы взаимодействия между ними. Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением атомов. Поэтому свойства их в различных направлениях одинаковы, или, другими словами, аморфные материалы изотропны. В кристаллических материалах расстояния между атомами в разных кристаллографических направлениях различны. Например, в ОЦК решетке в кристаллографической плоскости, проходящей через грань куба, находится всего один атом, так как четыре атома в вершинах одновременно принадлежат четырем соседним элементарным ячейкам: (1/4) 4 = 1 атом. В то же время в плоскости, проходящей через диагональ куба, будут находиться два атома: 1 + (1/4) 4 = 2.
Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях кристалла наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристалле в зависимости от направления испытания называется анизотропией.
Разница в физико-химических и механических свойствах в разных направлениях может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3–4 раза, а прочности кристалла железа — более, чем в два раза.
Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов или для так называемых монокристаллов. Большинство же технических литых металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов или зерен. При этом каждое отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла являются усредненными.
Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропностью — кажущейся независимостью свойств от направления испытания. Квазиизотропность сохраняется в литом состоянии, а при обработке давлением (прокатке, ковке), особенно, если она ведется без нагрева, большинство зерен металла приобретает примерно одинаковую ориентировку — так называемую текстуру, после чего металл становится анизотропным. Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления главной деформации могут существенно различаться. Анизотропия может приводить к дефектам металла (расслою, волнистости листа). Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.
Методическая разработка урока
Кристаллическое строение металлов.
Физические свойства металлов
Пузикова Наталья Ивановна
Цели урока:
Образовательные: организация изучения физических свойств и кристаллического строения металлов, причин особых физических свойств металлов.
Развивающие: формирование умений установления причинно-следственных связей, проведение наблюдений.
Воспитательные: развитие представлений о безграничности познания, продолжение знакомства с категориями диалектики(содержание и форма),их взаимосвязью, формирование интереса к избранной профессии, наблюдательности.
Тип урока: Комбинированный.
Методы:
обучения — диалогический;
преподавания — объяснительно-стимулирующий;
учения — репродуктивный, частично-поисковый.
Оборудование: периодическая система химических элементов, схемы – плакаты: «Влияние деформации на различные кристаллы», «Виды упаковок металлических кристаллов», справочник химика, реактивы:Cu, Fe, Al, Mg, Pb, Na в керосине, вода, химический стакан, пробирки, спиртовка, прибор для определения электропроводности, модели кристаллических решеток, фильм «Общие свойства металлов».
1.Актулизация знаний о строении твердых тел, типах кристаллических решеток.
Самостоятельная работа;
Фронтальная беседа.
2.Формирование новых понятий и способов действия;
Вновь вводимые понятия – типы упаковок металлических кристаллов: кубическая объемно-центрированная упаковка, кубическая гранецентрированная упаковка, плотнейшая гексагональная упаковка;
Предполагаемые приращения в знаниях – понимание зависимости физических и механических свойств металлов от их кристаллического строения;
Создание проблемной ситуации путем выявления различий в физических свойствах отдельных металлов в ходе эксперимента;
Основная проблема: в чем причина заметного различия физических свойств отдельных металлов.
Способ решения – выводится из строения металлических кристаллов.
3.Формирование умений и навыков при закреплении:
Эвристическая беседа;
Индивидуальные задания с учетом уровня знаний.
4.Задание на дом: Выполнить упр. в тетради, повторить материал по конспекту.
Конспект урока.
1.Актулизация знаний.
Самостоятельная работа на 2 варианта(10-12 мин.)
1 вариант.
1) Ниже приведен порядок распределения электронов по электронным слоям для некоторых элементов:
А)2,8,3. Б)2,8,18,8. В)2,8,14,2. Г)2,8,5. Д)2,7.
Какие из них являются металлами, назовите их.
2)Почему металлы являются проводниками электрического тока?
3)Определите вид химической связи у веществ: O2 ,Ca, Ni, HCl,CO2,H2,Zn.
2 вариант – задания типичные.
Фронтальная беседа по вопросам:
Преподаватель: При изучении новой темы нам понадобятся знания, полученные на уроках физики. Вспомните, на какие группы делятся твердые тела? К какой группе относятся металлы и их сплавы?
2.Изучение нового материала.
Преподаватель: На столах имеются образцы металлов. Изучите образцы металлов и опишите их физические свойства.
Учащиеся с помощью наводящих вопросов и справочных материалов записывают в тетрадь: твердость, непрозрачность, металлический блеск, проводят электрический ток, тепло, расширяются при нагревании, имеют определенную температуру плавления и кипения и другие.
Преподаватель: Перечислите известные вам механические свойства металлов, одинаковы ли они для всех?
Одинакова электропроводность для металлов?
Создается проблемная ситуация: в чем причина различия физико – механических свойств металлов.
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо знать строение атомов металлов и строение металлических кристаллов.
Преподаватель: Какое влияние оказывает металлическая связь на физико- механические свойства металлов, чем можно объяснить свойство металлов как электропроводность, теплопроводность
Учащиеся: Эти свойства объясняются наличием свободных электронов в металлических кристаллах.
Преподаватель: Запишем в тетрадь вывод «Чем выше концентрация свободных электронов в кристалле металла, тем ярче выражены металлические свойства тепло- и электропроводность.
Затем в совместной беседе учащиеся приходят к следующему выводу «Металлы пластичны, легко деформируются как при холодной, так и особенно при горячей обработке. Причиной пластичности является наличие металлической связи.
Физико — механические свойства металлов определяются:
1.Строением атомов и ионов металла, находящихся в узлах кристаллической решетки, числом свободных электронов, принимающих участие в образовании металлической связи;
2.Типом кристаллической решетки.
3.Закрепление материала.
Очень важно, чтобы учащиеся убедились в практической значимости знаний о свойствах металлов для своей профессии. Закрепление проводится в форме беседы.
Вопрос: Какое значение имеет знание Т плавления металлов.
Ответ: Зная Т пл. металлов, можно выбрать способ изготовления металлических изделий – паяние, сварку, литье. Т пл. определяет области применения легкоплавких и тугоплавких металлов.
Вопрос: Приведите пример, для каких целей необходимо знать теплопроводность металлов.
Ответ: Для правильного выбора металлов при изготовлении режущих инструментов и трущихся деталей машин.
Вопрос: Какое значение имеет знание теплового расширения металлов.
Ответ: Данные о тепловом расширении металлов необходимо знать при проведении работ по горячей ковке и штамповке металлических изделий. Необходимо уметь определять ,насколько изменяются объемные и линейные размеры детали при ее нагревании и охлаждении.
Вопрос: Какое значение имеет знание электропроводности.
Ответ: Зная электропроводность металлов, можно определить выбор их для передачи электроэнергии.
Вопрос: Какое значение имеет знание твердости металлов.
Ответ: Твердость металлов влияет на их обработку. От степени твердости зависит выбор металла для изготовления деталей машин и в особенности инструментов.
Вопрос: Какие свойства металлов называются технологическими. Какое значение имеет их знание для практической деятельности.
Ответ: Технологические свойства металлов представляют собой совокупность физических и механических свойств, которые определяют поведение металлов в процессе обработки.
4.Задание на дом – см. план урока.