Объясните физические свойства металлов опираясь на строение их кристаллической решетки

Авторы: Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.

Издательство: Просвещение

Тип: Учебник

Металлы в периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева располагаются преимущественно в I, II, III группах.

Строение атомов металлов от строения атомов неметаллов отличается тем, что у атомов металлов на внешнем энергетическом уровне чаще всего располагается от одного до трёх элементов, атомы металлов обладают большим радиусом.

2. Чем по строению и свойствам кристаллические решётки металлов отличаются от ионных и атомных кристаллических решёток?

3. Каковы общие физические свойства металлов? Объясните эти свойства, основываясь на представлениях о металлической связи

Особое строение кристаллической решётки — наличие свободных электронов — объясняет физические свойства металлов, такие как пластичность (изменение формы при ударе), хорошая ковкость, металлический блеск, непрозрачность (свободные электроны взаимодействуют с падающими на металл квантами света), электропроводность (направленное движение свободных электронов от отрицательного к положительному полюсу под влиянием разности потенциалов), теплопроводность (высокая подвижность свободных электронов и колебание атомов, из-за чего температура по массе металла быстро выравнивается).

4. Почему некоторые металлы пластичные (например, медь), а другие — хрупкие (например, сурьма)?

При увеличении числа электронов на внешнем энергетическом уровне обеспечивается прочность отдельных слоёв ионов, препятствует их свободному скольжению, уменьшая пластичность. У меди на внешнем энергетическом уровне 1 электрон, у сурьмы — 5.

5. При «растворении» в соляной кислоте 12,9 г сплава, состоящего из меди и цинка, получили 2,24 л водорода (н. у.). Вычислите массовые доли (в процентах) цинка и меди в этом сплаве

6. Медно-алюминиевый сплав обработали 60 г соляной кислоты (массовая доля НСl — 10%). Вычислите массу и объём выделившегося газа (н. у.)

Тестовые задания

1. Наиболее ярко металлические свойства проявляет простое вещество, атомы которого имеют строение электронной оболочки

1) 2е, 1е

2) 2е, 2е

3) 2е, Зе

4) 2е, 4е

1) 2е, 1е

2. Наиболее ярко металлические свойства проявляет простое вещество, атомы которого имеют строение электронной оболочки

1) 2е, 2е

2) 2е, 8е, 2е

3) 2е, 8е, 8е, 2е

4) 2е, 8е, 18е, 8е, 2е

4) 2е, 8е, 18е, 8е, 2е

3. Хорошо проводит электрический ток твёрдое вещество, имеющее кристаллическую решётку

1) молекулярную

2) атомную

3) металлическую

4) ионную

3) металлическую

Вам также может понравиться

Общность физических свойств металлов

Кристаллические решетки металлов

Задача 757.  Чем обусловлена общность физических свойств металлов? Охарактеризовать эти свойства.

Решение:

Общность физических свойств металлов обусловлена их строением кристаллической решётки. Структурной

единицей кристаллической решётки металла является атом. Кристаллические решётки металлов образуются положительно заряжёнными катионами, которые «погружены» в электронный газ.

Валентные электроны в пределах металлического кристалла перемещаются почти свободно.

Электронный газ компенсирует силы отталкивания положительных ионов и является причиной термодинамической и механической устойчивости металлического состояния.

Представление об электронном газе позволяет объяснить специфические свойства металлического состояния: электропроводность, теплопроводность, металлический блеск.

Электроны электронного газа легко перемещаются в металле под действием разности потенциалов, Высокая теплопроводность металлов обусловлена способностью электронов переносить кинетическую энергию.

Металлический блеск есть следствие способности электронного газа хорошо отражать световые волны.

Пластичность металлов – проявление лёгкости изменения многоцентровых связей. Многоцентровый характер связей придаёт металлам способность легко перестраивать свои кристаллические решётки с сохранением большого числа таких связей. При повышении температуры в большинстве металлов происходит перестройка кристаллов, их структуры решётки.

Высокие или низкие температуры плавления и кипения металлов определяются прочностью металлической связи. Мерой прочности связей в металлах служит энергия атомизации – энергия, необходимая для превращения 1 моль металла в атомный пар. Эта энергия изменяется от 76,6 кДж/моль у цезия до 851 кДж/моль у вольфрама. 

Металлы обладают ковкостью, т.е. способностью вытягиваться в проволоку, тонкую нить. При этом кристаллическая решётка металла не разрушается, связь между катионами сохраняется, и металл сохраняет свою структуру.

Особенности строения металлов в кристаллическом состоянии

Задачи 758.  На основе метода молекулярных орбиталей (МО) объяснить особенности строения металлов в кристаллическом состоянии.

Решение: Металлы обладают высокой электрической проводимостью, причем переносчиками тока в металлах служат электроны.

Это говорит о том, что в металлах имеются «свободные» электроны, способные перемещаться по кристаллу под действием даже слабых электрических полей.

В то же время неметаллы в кристаллическом состоянии обычно представляют собою изоляторы и, следовательно, не содержат свободных электронов. Причины этих различий можно объяснить на основе метода молекулярных орбиталей (метод МО). 

Согласно методу МО при взаимодействии двух одинаковых атомов вместо двух энергетически равноценных исходных атомных орбиталей образуются две молекулярные орбитали, отвечающие различным уровням энергии.

Если взаимодействуют три атома, причем их валентные орбитали заметно перекрываются, то возникают не две, а три молекулярные орбитали, в равной степени принадлежащие всем трем атомам (делокализованные орбитали) характеризующиеся тремя различными значениями энергии.

При последовательном увеличении числа взаимодействующих атомов добавление каждого из них приводит к образованию еще одного энергетического уровня и к дальнейшей делокализации молекулярных орбиталей (т. е.

к распространению их на большее число атомов); общее число энергетических уровней будет при этом равно числу взаимодействующих атомов. Схема подобного процесса представлена на рис. 1. 

Рис. 1. Изменение энергий молекулярных орбиталей При  увеличении числа реагирующих атомов

Как показывает эта схема, с ростом числа атомов возрастает число разрешенных энергетических состояний, а расстояния между соседними энергетическими уровнями уменшаются.

При небольшом числе взаимодействующих атомов для перевода электрона с какого-либо энергетического уровня на ближайший более высокий уровень необходима затрата сравнительно большой энергии.

Но при большом числе атомов N (в макроскопическом кристалле N имеет порядок числа Авогадро) соседние уровни настолько мало различаются, что образуется практически непрерывная энергетическая зона, и переход электрона на ближайший более высокий уровень может осуществиться при затрате ничтожно малой энергии.

Если такой ближайший уровень не занят электронами, то находящийся на предшествующем уровне электрон ведет себя как вследствие делокализованности орбиталей он может перемещаться по кристаллу при сколь угодно малых энергетических воздействиях. Ширину запрещенной зоны определяет тип кристалла: металла, полупроводника или диэлектрика рис. 2.

Заполнение электронами МО, составляющих энергетическую зону, происходит в порядке последовательного возрастания энергии. При этом, в соответствии с принципом Паули, на каждой МО может размещаться по два электрона.

Соответственно в s- зоне может быть не более 2N электронов, в р-зоне — не более 6N электронов, а в d-зоне — не более 10N электронов.

Зона, полностью заполненная электронами, называется валентной. Зона, свободная от электронов и находящаяся по энергии выше валентной зоны, называется зоной проводимости. Валентная зона и зона проводимости могут либо перекрываться, либо не перекрываться друг с другом. Если эти зоны не перекрываются друг с другом, то между ними существует запрещенная зона с шириной. 

 Рис. 2. Зонная структура металла.

У металлов валентные зоны и зоны проводимости перекрываются. Так, у s — и р-металлов перекрываются внешние s- и р-орбитали. Так как число электронов на этих орбиталях меньше удвоенного числа МО, то имеется большое число незанятых МО в зоне проводимости.

Энергии МО в зоне проводимости относительно мало отличаются друг от друга, поэтому электроны при очень незначительных возбуждениях легко переходят с одной МО на следующую МО, что и обеспечивает электрическую проводимость и теплопроводность.

При повышении температуры все большее число электронов переходит на вакантные МО в зоне проводимости, что приводит к уменьшению числа вакантных МО и соответственно к снижению электрической проводимости. У d-элементов происходит перекрывание ns-, np- и (n-1)d-зон.

Однако d-зона относительно неширокая, поэтому можно считать, что часть d-электронов в металлах локализованы, т.е. образуются ковалентные связи между соседними атомами и обусловливают повышение температуры плавления и механической прочности d-элементов и особенно элементов в середине и в конце периодов (IV-VIII групп).

Способы добывания металлов из руд

Задача 759.  Указать важнейшие способы добывания металлов из руд.

Решение:

а) Важнейший способ добывания металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углём или оксидом углерода (II):

• Cu2O + C = Cu + CO↑
• Например, выплавка чугуна производится восстановлением железных руд оксидом углерода (II):
• Fe2O3 3CO = 2Fe + 3CO↑
• б) При переработке сульфидных руд сначала переводят сульфиды в оксиды путём обжига, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем, например:
• 2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2; ZnO + C — Zn + CO↑.

в) Гидрометаллургические методы извлечения металлов из руд в виде их соединений водными растворами с различными реагентами и  с последующим извлечением металла из раствора. Например, извлечение золота из руд с помощью растворов цианидов калия или натрия (1987 год П. Р. Багратион):

1. 4Au + 8NaCN + O2 + 2H2O = 4Na[Au(CN)2] + 4NaOH
2. Из полученного раствора золото выделяют цинком:
3. 2Na[Au(CN)2] + Zn = Na2[Zn(CN)4] + Au.

г) Метод восстановления оксидов металлов сильными восстановителями. Для металлов не восстанавливаемых ни углём, ни СО, применяются более сильные восстановители как-то водород, магний, алюминий, кремний и др. Восстановление металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермией, например:

Cr2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Cr.

д) Метод электролиза. Электролизом получают металлы, оксиды которых очень прочны (алюминий, магний и др.), получают электролизом расплавов их руд. Для получения щелочных металлов используют электролиз расплавов солей, например, электролизом расплава сильвинита можно получить калий.

е) Метод обжига руды. Для получения некоторых металлов используют метод обжига руды. Например, получение ртути из киновари:

HgS + O2 = SO2 + Hg.

Общая характеристика металлов. Строение кристаллической решетки. Физические свойства металлов. Основные руды

Общие свойства металлов: Металлы — это ковкие, пластичные, тягучие вещества, имеющие металлический блеск и способны проводить тепло и электрический ток.

Атомы элементов-металлов отдают электроны внешнего электронного слоя, превращаясь в положительные ионы.

Это свойство атомов металлов, определяется тем, что они имеют сравнительно большие радиусы и малое число электронов. Всвязи с этим атомы металлов сравнительно легко отдают наружные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы.

Оторвавшиеся от атомов электроны располагаются между положительными ионами и относительно свободно перемещаются между ними. Между положительными ионами металлов и этими электронами возникает связь.

Так как электроны находятся в непрерывном движении , то при их столкновении с положительными ионами последние могут на некоторое время превратится в нейтральные атомы. Эти кристаллические решетки – металлические.

Физические свойства: металлический блеск. электрическая проводимость и теплопроводность. Ковкость и пластичность.

металлы так же имеют ряд других Свойств: плотность, твердость, температура.

Билет № 51

Общая характеристика элементов II А группы. Щелочноземельные металлы. Физические и химические свойства. Кальций. Биологическая роль. Применение соединений кальция в медицине и фармации.

Ко II Агруппе периодической системы элементов относятся бериллий, щелочноземельные металлы: магний, кальций, стронций, барий и радий

На внешнем электронном уровне элементов главной и побочной подгрупп находятся по 2 электрона (s2), которые они отдают, образуя соединения со степенью окисления +2.

Для всех элементов II группы характерны сравнительно низкая температура плавления и высокая летучесть. У щелочноземельных элементов растворимость гидроксидов увеличивается от магния к барию: гидроксид магния почти не растворяется в воде, гидроксид кальция растворяется слабо, а гидроксид бария — хорошо.

Растворимость многих солей уменьшается от магния к радию.

Бериллий был открыт Л. Н. Вокленом в 1798 г.

Стронций впервые был выделен в виде оксида А. Крофордом в 1790 г., а в чистом виде получен Г. Дэви в 1808 г

Барий был открыт К. В. Шееле в 1774 г. и Г. Деви в 1808 г.

Радий открыт М. и П. Кюри совместно с Ж. Белебном в 1898 г.

Кадмий открыл Ф. Штромейер в 1817 г.

Физические свойства:

Все щёлочноземельные металлы — серые, твёрдые при комнатной температуре вещества. В отличие от щелочных металлов, они существенно более твёрдые, и ножом преимущественно не режутся (исключение — стронций). Плотность щёлочноземельных металлов с порядковым номером растёт

Химические свойства:Имея два валентных электрона, щёлочноземельные металлы легко их отдают, и во всех соединениях имеют степень окисления +2 .

Бериллий в компактном виде не реагирует ни с кислородом, ни с галогенами. Магний защищён оксидной плёнкой. Кальций медленно окисляется и сгорает при небольшом нагревании в кислороде, но устойчив в сухом воздухе. Стронций, барий и радий быстро окисляются на воздухе, давая смесь оксидов и нитридов

Ка́льций — элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы, с атомным номером 20.— мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

Кальций — распространенный макроэлемент в организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его часть находится в скелете и зубах. Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови.

• • CaCl – противоаллергическое,
• • CaCO3 – антацидное, противоязвенное
• • Ca3(PO4)2 – для реминерализации зубной ткани, как наполнитель таблеток.
• Билет №52

Физические свойства металлов. Кристаллическая решетка Металлическая — в ее узлах находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются. — презентация

1 Физические свойства металлов

2

3 Кристаллическая решетка Металлическая — в ее узлах находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны. Наличие последних объясняет высокую электропроводность и теплопроводность, а также способность поддаваться механической обработке.

4 Агрегатное состояние Все металлы твердые, исключение ртуть — единственный жидкий металл.

5 Ковкость Изготовление различных изделий из железа в кузнице.

6 Способность намагничиваться — железо, кобальт, никель. Находит применение при изготовлении магнитов.

7 Пластичность Способность изменять свою форму при ударе, прокатываться в тонкие листы, вытягиваться в проволоку: золото, серебро, медь, алюминий. Из 1 г золота можно вытянуть проволоку длиной 2 км.

8 Пластичность Всем известна алюминиевая фольга. Алюминиевая фольга — это тонкий слой алюминия, в котором отлично сохраняются продукты питания, кофе, чай, лекарства, корма для домашних животных и многое другое.

9 Пластичность Оловянная фольга, которая используется для заворачивания лучших сортов шоколада.

10 Металлический блеск Световые лучи падают на поверхность металла и отталкиваются от неё свободными электронами, создавая эффект металлического блеска.

11 Металлический блеск Зеркало состоит из гладкого стекла, на которое наносят очень тонкий слой металла. Часто зеркала покрывают серебром, потому что оно прекрасно отражает свет.

12 Электропроводность Высокая электропроводность уменьшается в ряду металлов: Аg Сu Аu Аl Мg Zn Fе РЬ Hg При нагревании уменьшается, т.к. колебание ионов затрудняет движение электронов.

13 Теплопроводность Хорошая теплопроводность, уменьшается в ряду металлов: Аg Сu Аu Аl Мg Zn Fе РЬ Hg

14 Все металлы делятся на две большие группы: Черные металлы : Имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления и относительно высокую твердость. Типичным представителем черных металлов является железо.

15 Цветные металлы: Имеют характерную окраску: красную, желтую, белую; обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления. Типичным представителем цветных металлов является медь.

16 Плотность В зависимости от своей плотности металлы делятся на: Легкие (плотность не более 5 г/см 3 )К легким металлам относятся: литий, натрий, калий, магний, кальций, цезий, алюминий, барий. Самый легкий металл литий, плотность г/см 3.

17 Плотность Тяжелые (плотность больше 5 г/см 3 ).К тяжелым металлам относятся: цинк, медь, железо, олово, свинец, серебро, золото, ртуть и др. Самый тяжелый металл осмий, плотность 22,5 г/см 3.

18 Твёрдость Металлы различаются по своей твердости: мягкие: режутся даже ножом (натрий, калий, индий ); твердые: металлы сравниваются по твердости с алмазом, твердость которого равна 10. Хром самый твердый металл, режет стекло.

19 Температура плавления В зависимости от температуры плавления металлы условно делятся на: Легкоплавкие (температура плавления до 1539°С). К самым легкоплавким металлам относятся: ртуть температура плавления 38,9°С; галлий температура плавления 30°С; цезий температура плавления 28,6°С

20 Температура плавления Тугоплавкие (температура плавления выше 1539 С). К тугоплавким металлам относятся: хром температура плавления 1890°С; молибден температура плавления 2620°С; ванадий температура плавления 1900°С; тантал температура плавления 3015°С; и многие другие металлы. Самый тугоплавкий металл вольфрам температура плавления 3410°С.

Особенности металлов. Металлическая химическая связь

В одной из предыдущих частей мы уже говорили, что металлы характеризуются металлическими свойствами, то есть способностью отдавать электроны, а чуть позднее, это было вот тут, упомянули о том, что говорить о металлической связи мы можем тогда, когда эта самая связь образуется между атомами химических элементов металлов.Сегодня мы попробуем раскрыть большую часть первоначальных сведений, касающихся металлической связи, что, кстати, позволит понять в том числе и природу физических свойств металлов, поэтому наберитесь терпения, возможно, будет интересно!

Различные металлические воплощенияРазличные металлические воплощения

Начнём мы несколько издалека, а именно с определения химии (неожиданно). Я не удивлю Вас, если скажу, чтоХимия — это наука о веществах, их свойствах и превращениях.Попробуем коротко раскрыть смысл, заложенный в данном определении. Для этого мы должны прийти к единой точки зрения относительно таких понятий, как вещества и их свойства.

Вещество — это то, из чего состоит физическое тело. И вне всяких сомнений металлы непосредственно относятся к веществам, положенным в основу огромного количества физических тел, так железо (Fe) или медь (Cu) являются веществом для таких физических тел, как гвоздь или проволока. Но мы идём дальше.

А как определить, что такое свойства вещества? Давайте размышлять. Например, у меня есть различные свойства. Рост, вес, возраст и т.д. Совокупность всех моих свойств в конечном итоге отличает меня от Вас. Понимаете? Проводя аналогию с веществами, можно сказать, чтоСвойства вещества — это то, что отличает одни вещества от других.

Физические свойства металлов.Физические свойства металлов.

И если физические свойства металлов нам из нашей повседневной практики известны достаточно хорошо, то вопрос о том, чем могут быть обусловлены эти свойства, я думаю, большинству из нас не покажется столь уж простым. Дело в том, что в химии существует понимание: свойства вещества обусловлены, во-первых, составом вещества, во-вторых, его строением.

Свойства любого вещества обусловлены его составом и строениемСвойства любого вещества обусловлены его составом и строением

И состав и строение в каждом конкретном случае по понятным причинам может значительно изменяться, внося свои существенные коррективы в итоговый результат, но наша задача выделить в этом общее, характерное для металлов!Общую составляющую состава мы уже коротко обсудили, она включает в себе систему, состоящую из атомов химических элементов металлов, объединённых химической связью, что коротко может быть описано как Ме — Ме.Чтобы добраться до общего, характеристического для металлов по части строения, нам вновь придётся поразмышлять. Итак, если металлы характеризуются металлическими свойствами, то есть, способностью отдавать электроны, то возникает логичный вопрос: кому они отдают электроны? Представьте, если я хочу отдать электроны, и Вы хотите отдать электроны, как мы можем найти общий язык?Как выяснилось, атомы химических элементов металлов при образовании химической связи между собой отдают электроны в общее пользование, а в некотором роде освобождают эти электроны, и последние заполняют собой межузловое пространство металлической кристаллической решётки.

Схема металлической кристаллической решёткиСхема металлической кристаллической решётки

Таким образом мы вводим новое для нас понятие:

Кристаллическая решётка — совокупность упорядоченно расположенных в пространстве структурных единиц твёрдого вещества.

Структурные единицы, входящие в состав кристаллической решётки называются узлами. Для удобства работы нашего представления узлы кристаллической решётки соединяют воображаемыми линиями.

В узлах же металлической кристаллической решётки находятся так называемые атом-ионы. Почему?Дело в том, что освобождая электроны, или отдавая электроны в общее пользование для всей металлической кристаллической решётки, атом металла (Ме) перестаёт быть атомом и приобретает положительный заряд , то есть, становится ионом (катионом).

Схема металлической химической связиСхема металлической химической связи

Данный процесс обратим. (Стрелочка, направленная как в одну сторону, так и в другую, — символ обратимости). То есть, в действительности происходит беспокойный переход атома металла в состояние иона (катиона) с освобождением электронов и наоборот.

Почему же при отдаче электронов атом металла приобретает положительный заряд? Дело в том, что в случае отдачи электронов совокупный отрицательный заряд электронной оболочки уменьшается, а положительный заряд ядра остаётся неизменным и начинает преобладать над отрицательным зарядом электронной оболочки, что приводит к совокупному положительному заряду всей частицы, то есть к состоянию иона (катиона).

Переход атома кальция (Ca) в состояние иона (катиона) кальцияПереход атома кальция (Ca) в состояние иона (катиона) кальция

Теперь мы наконец-то готовы определить, что же такое металлическая связь:

Металлическая связь — это химическая связь, образованная за счёт обобществлённых (свободных) электронов, между атом-ионами металлов.

Именно наличием в межузловом пространстве металлической кристаллической решётки свободных обобществлённых электронов и объясняются все физические свойства металлов, такие как электропроводность, металлический блеск, ковкость и так далее.Возможно, поподробнее мы об этом когда-нибудь и поговорим. А на этом у меня всё. Спасибо. Пока.

Металлы, их свойства и кристаллическое строение

• Все металлы и металлические сплавы — кристаллические тела: атомы (ионы) расположены в металлах закономерно, образуя пространственную кристаллическую решетку, характеризуемую наличием каркаса из малоподвижных положительно заряженных ионов, в промежутках которого движутся свободные электроны.
• В пространстве атомы металлов располагаются в геометрически правильном порядке, соприкасаясь внешними электронными сферами.
• Если через атомы в кристаллических решетках провести плоскости, то атомы в них будут располагаться в геометрически правильном порядке, образуя кристаллографические плоскости.
• Наименьший объем металла, который характеризует атомно-кристаллическое строение всего объема, называется элементарной кристаллической ячейкой.

Кристаллические решетки металлов могут быть разных типов. Наиболее распространены решетки объемно центрированная кубическая (рис. 1.

3, а, б), гранецентрированная кубическая (рис. 1.3, в, г), гексагональная плотноупакованная (рис. 1.4).

В объемно центрированной кубической решетке атомы расположены в вершинах куба и центре объема куба. Каждый угловой атом входит в восемь соседних ячеек, т.е.

одной ячейке принадлежит от угловых атомов только У8 атома, лишь внутренний атом целиком принадлежит данной ячейке. Следовательно, на одну ячейку такой решетки приходится 8л/8 + 1 = 2 атома.

Объемно центрированную кубическую решетку имеют металлы: Li, Na, К, V, Cr, Fe, Rb, Kb, Mo, W и др.

В гранецентрированной кубической решетке атомы расположены в вершинах и центрах каждой грани куба. На одну ячейку приходится 8л/8 + 6л/2 = 4 атома. Такую решетку имеют металлы: Al, Са, Ni, Си, Pb, Ag, Pt, Аи, Pd и др.

В гексагональной плотноупакованной решетке элементарная ячейка — шестигранная призма, в которой атомы находятся в вершинах и в центре оснований призмы, а также внутри призмы.

На одну ячейку кристаллической решетки приходятся 6 атомов: 2 атома, лежащие в центре шестиугольников, входят в две соседние ячейки (2-1/2) — 1 атом, а 12 атомов, образующие вершины призмы, — в 6 соседних ячеек (12-'/6) = 2 атома; 3 атома, лежащие внутри призмы, целиком принадлежат данной ячейке (3-1 = 3 атома). В гексагональной системе кристаллизуются Be, Ni, Cd, Ti, Co, Zn и другие металлы.

Рис. 1.3. Типы и ячейки кристаллических решеток в металле: а — объемно центрированная кубическая решетка; б — ячейка объемно центрированной кубической решетки; в — гранецентрированная кубическая решетка; г — ячейка гранецентрированной кубической решетки

На рис. 1.3 и 1.4 показано условное изображение кристаллических решеток. В действительности линий, соединяющих атомы в узлах решеток, нет.

Атомы соприкасаются один с другим, так как только при этом условии возможен переход внешних электронов одного атома на внешние орбиты других атомов, что и представляет собой электронный газ.

Если бы атомы находились на больших расстояниях один от другого, то никакого обмена внешними электронами не было. Различные типы кристаллических решеток имеют разную плотность упаковки атомов.

В гранецентрированной кубической и гексагональной решетках атомы занимают 74 % всего объема кристаллической решетки, а межатомные промежутки («поры») 26 %. В объемно центрированной кубической решетке атомы занимают 68 % всего объема, а «поры» 32 %. Размеры кристаллической решетки характеризуются периодами (параметрами) решетки.

Рис. 1.4. Гексагональная плотноупакован- ная решетка

Периодом решетки называется расстояние между атомами по ребру элементарной ячейки, измеряемое в нанометрах (1 нм =

= 10-9 см = 0,1 °А). Период кубической решетки характеризуется длиной ребра куба и обозначается буквой а.

Для определения характеристики гексагональной решетки принимают два параметра — сторону шестигранника а и высоту призмы с. У гексагональной плот- ноупакованной решетки атомы упакованы наиболее плотно: отношение с/а = 1,633 (см. рис. 1.4).

Некоторые металлы имеют гексагональную решетку с менее плотной упаковкой атомов {с/а > 1,633). Период решетки металлов а, кристаллизующихся в кубической системе, находится в пределах от 0,286 до 0,607 нм.

Для металлов с гексагональной решеткой а лежит в пределах 0,228—0,398 нм, с в пределах 0,357— 0,652 нм.

Расстояние между соседними атомами (ионами) в разных направлениях кристаллической решетки различно.

Так, в объемно центрированной кубической решетке расстояние между атомами по диагонали куба меньше, чем по ребру, а по ребру меньше, чем по диагонали грани.

Элементарная кристаллическая ячейка характеризуется также координационным числом, под которым понимают число атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от избранного атома.

В объемно центрированной кубической решетке (рис. 1.5, а) атом А (в центре) находится в наиболее близком и равном расстоянии от восьми атомов, расположенных в вершине куба, т.е. координационное число для этой решетки равно 8 (К8).

Рис. 1.5. Координационное число в различных решетках для атома А: а — объемно центрированной кубической (К8); б — гранецентрированной кубической (К12); в — гексагональной плотноупакованной (Г12)

В гранецентрированной кубической решетке (рис. 1.

5, б) атом А (на грани куба) находится в наиболее близком и равном расстоянии от четырех атомов 1,2,3, 4, которые расположены в вершинах куба, от четырех атомов 5, 6, 7, 8, расположенных на гранях куба, а также от четырех атомов 9, 10, 11, 12, принадлежащих расположенной рядом кристаллической ячейке. Атомы 9, 10, 11, 12 симметричны атомам 5, 6, 7, 8. Таким образом, для гранецентрированной кубической решетки координационное число равно 12 (К12).

В гексагональной плотноупакованной решетке при с/а = = 1,633 (рис. 1.

5, в) атом А в центре шестигранного основания призмы находится на наиболее близком равном расстоянии от шести атомов 1, 2, 3, 4, 5, 6, размещенных в вершинах шестигранника, и от трех атомов 7, 8, 9, расположенных в средней плоскости призмы.

Кроме того, атом А находится на таком же расстоянии еще от трех атомов 10,11, 12, которые принадлежат кристаллической ячейке, лежащей ниже основания. Атомы 10, 11, 12 симметричны атомам 7, 8, 9. Следовательно, для гексагональной плотноупакованной решетки координационное число равно 12 (Г12).

В гексагональной решетке с отношением осей с/а ф 1,633 на наиболее близком и равном расстоянии от атома А помещаются только шесть атомов 1, 2, 3, 4, 5, 6, а атомы 7, 8,9 и симметричные им 10, 11 и 12 находятся на несколько большем расстоянии. Поэтому для такой решетки координационное число равно 6 (Гб).

Кристаллографические плоскости. Расположение кристаллографических плоскостей в пространстве относительно выбранных осей координат определяется особыми индексами — целыми рациональными числами, значения которых обратны отрезкам, отсекаемым данной плоскостью на осях координат.

1. Для определения индексов кристаллографической плоскости нужно:
2. О определить отрезки, которые данная плоскость отсекает от осей координат (в единицах масштаба);
3. О найти обратные значения этих чисел;
4. О привести отношение этих трех обратных значений к соотношению трех простых целых чисел.

На рис. 1.6 показаны обозначения плоскостей в кубической объемно центрированной решетке.

Рис. 1.6. Атомные плоскости в кубической объемно центрированной решетке

Если плоскость пересекает только одну ось координат и параллельна двум другим осям (рис. 1.6, а), то отрезки соответственно равны:

О 1, ©о, оо — плоскость куба отсекает на оси х отрезок, равный единице, и пересекает оси у и z в бесконечности, т.е.

• 1 .I J_ = i о о-
• л 5 5 А)
• ОО СЮ

О оо, 1, оо — плоскость куба отсекает на оси у отрезок, равный единице, и пересекает оси х и z в бесконечности, т.е.

I 1 1=0 ю-

• 00 1 ОО
• 0 оо, оо, 1 — плоскость куба отсекает на оси z отрезок, равный единице, и пересекает оси хи у в бесконечности, т.е.—= 0, 0,1.

оо оо ]

Индексы плоскости пишут в круглых скобках и не разделяют запятыми: (100), (010), (001). Если плоскость отсекает на осях отрезки 1,1, 1 (рис. 1.6, б), то обратные значения отрезков

будут |, j, j, а индексы (111).

Если плоскость отсекает на осях х и у отрезки, равные еди- нице(1,1), и пересекает ось z в бесконечности °° (рис. 1.6, в), то

1. обратные значения отрезков равны -, , а индексы (110).
2. 1 1 оо
3. В разных плоскостях кубической объемно центрированной решетки плотность атомов различна. Так, плоскость (100) имеет 4 атома, но каждый атом принадлежит одновременно четырем плоскостям, поэтому на долю каждой плоскости приходится

1 атом (У44). Плоскости (110) принадлежат 2 атома — 1 атом от угловых атомов (У44) и 1 атом находится в центре куба и целиком относится к данной плоскости. Следовательно, в плоскости (110) плотность атомов выше, чем в плоскости (100).

Анизотропия свойств кристаллов. Так как в разных плоскостях решетки плотность расположения атомов неодинакова, свойства кристаллов (механические, физические, химические) в разных направлениях различны. Разнообразие свойств кристаллов в зависимости от направления называется анизотропией. Все кристаллы анизотропны. Степень анизотропности свойств может быть значительной.

Свойства реальных металлов, которые состоят из большого числа по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов (поликристаллов), во всех направлениях одинаковые (усредненные). Эта кажущаяся независимость свойств от направления называется квазиизотропией (ложной изотропией).

Физические свойства металлов и общее применение металлической связи в таблице (9 класс, химия) — Помощник для школьников Спринт-Олимпик.ру

Физические свойства металлов отличают их от неметаллов. Все металлы, кроме ртути, – твёрдые кристаллические вещества, являющиеся восстановителями в окислительно-восстановительных реакциях.

Содержание

• Положение в таблице Менделеева
• Строение
• Свойства
• Что мы узнали?

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.

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.

ПредыдущаяСледующая

Вам также может понравиться