"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Металлы состоят из частиц, упорядоченно расположенных в кристаллической решётке. В её узлах находятся атомы или положительные ионы, а между ними движутся общие электроны. Разные способы упаковки частиц образуют разные типы решёток и влияют на свойства металла. Подвижные электроны помогают проводить электрический ток и тепло, а возможность смещения слоёв частиц связана с пластичностью. Знание строения металла помогает объяснять его свойства и выбирать материалы для разных задач.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристалле. В узлах металлической решётки находятся атомы или положительные ионы, окружённые обобществлёнными, то есть общими для кристалла, электронами. Эта модель помогает представить, как устроен металл внутри.
Элементарная ячейка — наименьшая часть кристаллической решётки, повторением которой в пространстве можно получить весь кристалл. Её удобно изучать вместо огромного количества частиц: расположение в одной ячейке показывает, как построена структура целиком.
Координационное число — число ближайших соседей частицы в кристаллической решётке. Например, если вокруг выбранной частицы расположено восемь ближайших частиц, её координационное число равно 8. Эта величина позволяет сравнивать плотность окружения частиц в разных структурах.
Металлическая связь — притяжение между положительными частицами металла и общими для кристалла подвижными электронами. Электроны не принадлежат только одной паре атомов и могут перемещаться по кристаллу. Понятие связи помогает объяснить целый ряд свойств металлов.
В кристалле частицы расположены не беспорядочно: их положения повторяются по определённому правилу. Если мысленно выделить элементарную ячейку и повторить её в трёх направлениях, получится упорядоченная структура всего кристалла. При хаотичном расположении такого повторяющегося рисунка нет, поэтому оно не образует кристаллическую решётку.
Атомы металла отдают часть внешних электронов в общее пользование, и возникают положительные частицы и подвижные электроны. Притяжение между ними удерживает кристалл вместе: электроны распределены по всему объёму, а не закреплены между отдельными парами частиц. Частицы при этом колеблются около своих положений равновесия, а электроны могут перемещаться.
У разных металлов частицы упакованы по-разному. В объёмно-центрированной кубической структуре ячейка имеет частицы в вершинах куба и одну в центре, а ближайших соседей у частицы — восемь. В гранецентрированной кубической структуре частицы расположены в вершинах и центрах граней, а в гексагональной плотноупакованной они образуют плотные слои, уложенные в особом порядке; у обеих структур координационное число равно 12.
Подвижные электроны могут двигаться по металлу, поэтому при воздействии электрического поля они переносят заряд от одного участка к другому. Так объясняется электропроводность. Эти же электроны передают энергию между частями кристалла, поэтому вместе с колебаниями частиц они участвуют в теплопроводности металла.
При внешней силе слои частиц могут сдвигаться относительно соседних слоёв. Поскольку подвижные электроны продолжают притягивать положительные частицы, металлическое взаимодействие не исчезает сразу при смещении. Кристалл меняет форму, а не обязательно раскалывается, что связано с пластичностью металлов и возможностью обрабатывать их давлением.
| Характеристика | Объёмно-центрированная кубическая | Гранецентрированная кубическая | Гексагональная плотноупакованная |
|---|---|---|---|
| Расположение частиц в элементарной ячейке | В вершинах куба и в его центре | В вершинах куба и в центрах его граней | В вершинах и внутри ячейки; частицы образуют плотно уложенные слои |
| Координационное число | 8 | 12 | 12 |
| Степень упаковки частиц | Около 68% | Около 74% | Около 74% |
| Примеры металлов | Железо при комнатной температуре, натрий, хром | Алюминий, медь, никель | Магний, цинк, титан |
| Связь особенностей структуры со свойствами | Упаковка менее плотная, чем в двух других структурах; свойства зависят также от металла и условий | Плотная упаковка и множество ближайших соседей; конкретные свойства зависят и от состава и обработки | Плотная упаковка и слоистое строение; особенности деформации зависят от условий и направления нагрузки |
Сначала сравните расположение частиц в ячейках, затем — координационные числа и степень упаковки. Одинаковые значения координационного числа у гранецентрированной и гексагональной структур не означают, что их ячейки устроены одинаково. Таблица показывает типичные примеры, но сама по себе не позволяет предсказать все свойства металла.
Задача 1. Определите координационное число для металла с объёмно-центрированной кубической решёткой, если в элементарной ячейке частица в центре имеет ближайшими соседями частицы в вершинах.
Ответ: координационное число равно 8.
Задача 2. Сравните гранецентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную структуры по координационному числу и плотности упаковки.
Ответ: координационное число в обоих случаях равно 12, степень упаковки — около 74%; типы расположения частиц различаются.
Задача 3. Металл хорошо проводит электрический ток и может пластически деформироваться. Объясните, какие особенности металлической связи и кристаллического строения помогают проявляться этим свойствам.
Ответ: подвижность электронов помогает проводить ток, а сохранение металлического взаимодействия при смещении слоёв способствует пластической деформации.
Ошибка — считать частицы металла неподвижными. Так можно решить, глядя на схематичную решётку, где частицы изображают точками на постоянных местах. Проверьте себя: частицы колеблются около положений равновесия, а подвижные электроны перемещаются по кристаллу.
Ошибка — путать число частиц в ячейке с координационным числом. Эти величины легко смешать, потому что обе связаны с подсчётом частиц. Спросите себя, что именно считаете: частицы, относящиеся к ячейке, или ближайших соседей одной выбранной частицы.
Ошибка — утверждать, что все металлы имеют одинаковую решётку. Такое впечатление может возникнуть из-за общей для металлов металлической связи. Для проверки сопоставьте примеры структур: металлы встречаются с кубическими и гексагональными решётками, а их структура может зависеть от условий.
Ошибка — считать, что тип решётки однозначно задаёт все свойства металла. Структура действительно влияет на свойства, но она не единственный фактор. Проверьте объяснение, учитывая также состав металла, дефекты кристалла и условия обработки.
Для понимания темы понадобятся знания об агрегатных состояниях вещества и строении атома: они помогают представить частицы металла и их взаимодействия. Также важно различать кристаллические и аморфные вещества и понимать, что такое металлическая связь. Эти представления объясняют, почему строение металла нельзя описать как случайное расположение частиц.
Тема помогает связывать строение вещества с его физическими свойствами и объяснять обработку металлов давлением. Эти знания пригодятся при выборе материала для изделия: учитывают не только тип решётки, но также состав и обработку. Так можно понять, почему строение вещества важно в практических задачах.
Чем элементарная ячейка отличается от кристаллической решётки?
Кристаллическая решётка — весь упорядоченный рисунок расположения частиц в кристалле. Элементарная ячейка — его наименьшая повторяющаяся часть: многократное повторение ячейки в пространстве образует решётку.
Что показывает координационное число?
Оно показывает, сколько ближайших соседей окружает выбранную частицу в кристаллической решётке. Это число не равно количеству частиц в элементарной ячейке.
Почему металлы проводят электрический ток?
В металлах есть общие подвижные электроны, которые могут перемещаться по кристаллу. Под действием электрического поля их направленное движение переносит заряд.
Как кристаллическое строение связано с пластичностью металла?
При нагрузке слои частиц могут смещаться относительно друг друга. Металлическое взаимодействие при этом не исчезает сразу, поэтому кристалл способен менять форму, не разрушаясь мгновенно.
Одинаковая ли кристаллическая структура у всех металлов?
Нет, металлы могут иметь разные типы кристаллических решёток, например объёмно-центрированную кубическую, гранецентрированную кубическую или гексагональную плотноупакованную. Структура зависит от металла и условий, а свойства определяются также составом, дефектами и обработкой.
Кристаллическая структура металлов и ее влияние на свойства веществ (Дополнительный материал к § 47)
