Кристаллы твердых тел металлов

Подробности Просмотров: 1417

Твердые тела отличаются постоянством формы и объема и делятся на кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела

Кристаллические тела (кристаллы) — это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают упорядоченные положения в пространстве. Частицы кристаллических тел образуют в пространстве правильную кристаллическую пространственную решетку.

Каждому химическому веществу, находящемуся в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая решетка, которая задает физические свойства кристалла.

Знаете ли вы?

Много лет назад в Петербурге на одном из неотапливаемых складов лежали большие запасы белых оловянных блестящих пуговиц. И вдруг они начали темнеть, терять блеск и рассыпаться в порошок. За несколько дней горы пуговиц превратились в груду серого порошка. «Оловянная чума» — так к прозвали эту «болезнь» белого олова. А это была всего лишь перестройка порядка атомов в кристаллах олова. Олово, переходя из белой разновидности в серую, рассыпается в порошок. И белое и серое олово — это кристаллы олова, но при низкой температуре изменяется их кристаллическая структура, а в результате меняются физические свойства вещества.

Кристаллы могут иметь различную форму и ограничены плоскими гранями.

В природе существуют: а) монокристаллы — это одиночные однородные кристаллы, имеющие форму правильных многоугольников и обладающие непрерывной кристаллической решеткой

Монокристаллы поваренной соли:

б) поликристаллы — это кристаллические тела, сросшиеся из мелких, хаотически расположенных кристаллов. Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру (металлы, камни, песок, сахар).

Поликристаллы висмута:

Анизотропия кристаллов

В кристаллах наблюдается анизотропия — зависимость физических свойств (механической прочности, электропроводности, теплопроводности, преломления и поглощения света, дифракции и др.) от направления внутри кристалла.

Анизотропия наблюдается в основном в монокристаллах. В поликристаллах (например, в большом куске металла) анизотропия в обычном состоянии не проявляется. Поликристаллы состоят из большого количества мелких кристаллических зерен. Хотя каждый из них обладает анизотропией, но за счет беспорядочности их расположения поликристаллическое тело в целом утрачивает анизотропию.

Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления: железо — при 1530°,олово — при 232°, кварц — при 1713°, ртуть — при минус 38°.

Нарушить порядок расположения в кристалле частицы могут, только если он начал плавиться.

Пока есть порядок частиц, есть кристаллическая решетка — существует кристалл. Нарушился строй частиц — значит, кристалл расплавился — превратился в жидкость, или испарился — перешел в пар.

Аморфные тела

Аморфные тела не имеют строгого порядка в расположении атомов и молекул (стекло, смола, янтарь, канифоль).

• В амофных телах наблюдается изотропия — их физические свойства одинаковы по всем направлениям.
• При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства (при ударах раскалываются на куски как твердые тела) и текучесть (при длительном воздействии текут как жидкости).
• Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления, а значит,и температуры кристаллизации.
• Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями.

При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела, а при высоких температурах — подобны очень вязким жидкостям. При нагревании они постепенно размягчаются.

Интересно

Одно и то же вещество может встречаться и в кристаллическом и в некристаллическом виде. В жидком расплаве вещества частицы движутся совершенно беспорядочно. Если, например, расплавить сахар, то:

1. если расплав застывает медленно, спокойно, то частицы собираются в ровные ряды и образуются кристаллы. Так получается сахарный песок или кусковой сахар;

2. если остывание происходит очень быстро, то частицы не успевают построиться правильными рядами и расплав затвердевает некристаллическим. Так, если вылить расплавленный сахар в холодную воду или на очень холодное блюдце, образуется сахарный леденец, некристаллический сахар.

1. Удивительно!
2. Любопытно!
3. Могут существовать разные кристаллические формы одного и того же вещества.

С течением времени некристаллическое вещество может «переродиться», или, точнее, закристаллизоваться, частицы в них собираются в правильные ряды. Только срок для разных веществ различен:для сахара это несколько месяцев, а для камня — миллионы лет. Пусть леденец полежит спокойно месяца два-три.Он покроется рыхлой корочкой. Посмотрите на нее в лупу: это мелкие кристаллики сахара. В некристаллическом сахаре начался рост кристаллов. Подождите еще несколько месяцев — и уже не только корочка, но и весь леденец закристаллизуется. Даже наше обыкновенное оконное стекло может закристаллизоваться. Очень старое стекло становится иногда совершенно мутным,потому что в нем образуется масса мелких непрозрачных кристаллов. На стекольных заводах иногда в печи образуется «козел», то есть глыба кристаллического стекла. Это кристаллическое стекло очень прочное.Легче разрушить печь, чем выбить из нее упрямого «козла». Исследовав его, ученые создали новый очень прочный материал из стекла — ситалл. Это стеклокристаллический материал, полученный в результате объёмной кристаллизации стекла. Например, углерод.

Графит — это кристаллический углерод. Из графита сделаны стержни карандашей, которые оставляют след на бумаге при легком надавливании. Структура графита слоиста. Слои графита легко сдвигаются, поэтому чешуйки графита пристают к бумаге при письме.

Но существует и другая форма кристаллического углерода — алмаз.

• Так расположены атомы углерода в кристалле графита (слева) и алмаза (справа).
• Алмаз — самый твердый на земле минерал.

Алмазом режут стекло и распиливают камни, применяют для бурения глубинных скважинах, полируют сверхтвердые сплавы, алмазы необходимы для производства тончайшей металлической проволоки диаметром до тысячных долей миллиметра, например, вольфрамовых нитей для электроламп.

Назад в раздел «10-11 класс»

Молекулярная физика. Термодинамика — Класс!ная физика

Основные положения МКТ. Масса и размер молекул. Количество вещества. — Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. — Идеальный газ. Основное уравнение МКТ. — Температура. Тепловое равновесие.

Абсолютная шкала температур. — Уравнение состояния идеального газа. — Изопроцессы. Газовые законы. — Взаимные превращения жидкостей и газов. Влажность воздуха. — Твердые тела. Кристаллические тела. Аморфные тела.

Кристаллическая решетка — что это? Типы и свойства

Как известно, все вещества состоят из частиц — атомов, которые могут располагаться хаотично или в определенном порядке.

У аморфных веществ частицы расположены беспорядочно, а у кристаллических они образуют определенную структуру. Эта структура называется кристаллической решеткой.

Она определяет такие характеристики вещества, как твердость, хрупкость, температура кипения и/или плавления, пластичность, растворимость, электропроводность и т. д.

Кристаллическая решетка — это внутренняя структура кристалла, порядок взаимного расположения атомов, ионов или молекул. Точки, в которых находятся эти частицы, называются узлами решетки.

Частицы удерживаются на своих местах благодаря химическим связям между ними. В зависимости от того, какой вид связи удерживает атомы или ионы данного вещества, в химии выделяют основные типы кристаллических решеток:

• атомная (ковалентные связи),
• молекулярная (ковалентные связи и притяжение между молекулами),
• металлическая (металлические связи),
• ионная (ионные связи).

Не путайте эти два понятия — кристаллическая решетка и химическая связь. Тип решетки говорит о том, как расположены атомы/ионы в молекуле вещества, а тип связи — по какому принципу они между собой взаимодействуют.

Атомная кристаллическая решетка

Согласно своему названию, атомная кристаллическая решетка — это структура, в узлах которой расположены атомы. Они взаимодействуют с помощью ковалентных связей, то есть один атом отдает другому свободный электрон или же электроны из разных атомов образуют общую пару. В кристаллах с атомной решеткой частицы прочно связаны, что обуславливает ряд физических характеристик.

Свойства веществ с атомной решеткой:

• прочность,
• твердость,
• неспособность к растворению в воде,
• высокая температура кипения и плавления.

К примеру, атомную кристаллическую решетку имеет алмаз — самый твердый минерал в мире.

Другие примеры: германий Ge, кремний Si, нитрид бора BN, карборунд SiC.

Если нужно рассказать о свойствах веществ с атомной кристаллической решеткой, достаточно вспомнить песок и перечислить его характеристики.

Молекулярная кристаллическая решетка

Как и в предыдущей группе, в этой находятся вещества с ковалентными связями между атомами. Но физические характеристики этих веществ совершенно иные — они легко плавятся, превращаются в жидкость, растворяются в воде. Почему так происходит? Все дело в том, что здесь кристаллы строятся не из атомов, а из молекул.

Молекулярная кристаллическая решетка — это структура, в узлах которой находятся не атомы, а молекулы.

Внутри молекул атомы имеют прочные ковалентные связи, но сами молекулы связаны между собой слабо. Поэтому кристаллы таких веществ непрочные и легко распадаются.

Молекулярная кристаллическая решетка характерна для воды. При комнатной температуре это жидкость, но стоит нагреть ее до температуры кипения (которая сравнительно низка), как она тут же начинает превращаться в пар, т. е. переходит в газообразное состояние.

Некоторые молекулярные вещества — например, сухой лед CO2, способны преобразоваться в газ сразу из твердого состояния, минуя жидкое (данный процесс называется возгонкой).

Свойства молекулярных веществ:

• небольшая твердость;
• низкая прочность;
• легкоплавкость;
• летучесть;
• у некоторых — наличие запаха.

Помимо воды к веществам с молекулярной кристаллической решеткой относятся аммиак NH3, гелий He, радон Rn, йод I, азот N2 и другие. Все благородные газы — молекулярные вещества. Также к этой группе принадлежит и большинство органических соединений (например, сахар).

Ионная кристаллическая решетка

Как известно, при ионной химической связи один атом отдает другому ионы и приобретает положительный заряд, в то время как принимающий атом заряжается отрицательно. В итоге появляются разноименно заряженные ионы, из которых и состоит структура кристалла.

Ионная решетка — это кристаллическая структура, в узловых точках которой находятся ионы, связанные взаимным притяжением.

Ионную кристаллическую решетку имеют практически все соли, типичным представителем можно считать поваренную соль NaCl. О ней стоит вспомнить, если нужно перечислить физические характеристики этой группы. Также ионную решетку имеют щелочи и оксиды активных металлов.

Свойства веществ с ионной структурой:

• твердость;
• хрупкость;
• тугоплавкость;
• нелетучесть;
• электропроводность;
• способность растворяться в воде.

Примеры веществ с ионной кристаллической решеткой: оксид кальция CaO, оксид магния MgO, хлорид аммония NH4Cl, хлорид магния MgCl2, оксид лития Li2O и другие.

Металлическая кристаллическая решетка

Для начала вспомним, как проходит металлическая химическая связь. В молекуле металла свободные отрицательно заряженные электроны перемещаются от одного иона к другому и соединяются с некоторыми из них, а после отрываются и мигрируют дальше. В результате получается кристалл, в котором ионы превращаются в атомы и наоборот.

Металлическая кристаллическая решетка — это структура, которая состоит из ионов и атомов металла, а между ними свободно передвигаются электроны. Как несложно догадаться, она характерна лишь для металлов и сплавов.

Свободные электроны, мигрирующие между узлами решетки, образуют электронное облако, которое под воздействием электротока приходит в направленное движение. Это объясняет такое свойство металлов, как электрическая проводимость.

В химии типичным примером вещества, которое имеет металлическую кристаллическую решетку, считается медь. Она очень ковкая, пластичная, имеет высокую тепло- и электропроводность. Впрочем, все металлы ярко демонстрируют эти характеристики, поэтому назвать физические свойства данной группы несложно.

Свойства веществ с металлической кристаллической решеткой:

• характерный блеск;
• хорошая ковкость;
• высокая теплопроводность;
• электропроводность.

При этом температура плавления веществ может существенно различаться. Например, у ртути это −38,9°С, а у бериллия целых +1287°С.

Подведем итог: о характеристиках разных типов кристаллических решеток расскажет таблица.

Кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка металлов. Металлы в периодической системе Менделеева :

Из школьного курса химии известно, что все элементы, которые сгруппированы по определенным правилам в периодическую таблицу Менделеева, можно условно разделить на металлы и неметаллы. В этой статье будет рассказано о кристаллическом строении металлов, их физико-химических свойствах, а также о дефектах на атомном уровне, которые в них присутствуют.

Периодическая таблица и металлы

В XIX веке благодаря своему блестящему уму и многим годам труда Дмитрий Иванович Менделеев составил таблицу, собрав в нее все известные на то время химические элементы. Каждому из них в таблице отведено определенное положение в соответствии с числом протонов в атомном ядре. Вся таблица делится на 7 периодов (горизонтальные строки) и 8 групп (вертикальные строки). Чем больше период, тем больше радиус атома соответствующего элемента, и тем на более высоких орбиталях расположены его валентные электроны. Наоборот, чем старше группа (движение по таблице слева направо), тем больше валентных электронов находится на последней орбитали и тем меньше радиус атома.

Любой элемент таблицы можно условно отнести либо к металлам, либо к неметаллам. Металлы расположены по левую сторону от диагонали бор (B) — полоний (Po). Если взглянуть на таблицу, то можно сразу понять, что количество металлов в несколько раз превышает число неметаллов.

Иными словами, как можно понять, что перед нами находится металлический материал? Ответы на все эти вопросы можно получить, если рассмотреть уникальные свойства металлов. К ним относятся следующие основные:

• Наличие металлического блеска при полировке поверхности. Все металлы блестят, в своем большинстве они имеют серый цвет, однако, некоторые металлы обладают специфической окраской, например, висмут розовый, медь красноватая, а золото желтое.
• Высокая теплопроводность и электропроводность. При комнатной температуре наиболее высокие показатели для этих физических свойств характерны для меди и серебра.
• При комнатной температуре практически все металлы находятся в твердом агрегатном состоянии материи. Исключение составляет ртуть, которая плавится уже при -39 oC.
• Будучи в твердом состоянии, металлы кристаллическим строением характеризуются. Если расплав рассматриваемого материала слишком быстро охлаждать, то он приобретает аморфную структуру, в которой все же сохраняется ближний порядок.
• Температуры плавления и плотности металлов варьируются в широких пределах. Так, элемент вольфрам является самым тугоплавким (3410 oC). Самым же тяжелым считается осмий (в 22,6 раза плотнее воды), а самым легким — литий (почти в 2 раза менее плотный, чем вода).
• Все металлы химически активны. Поскольку они обладают низкой электроотрицательностью, то в химических реакциях их атомы отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы (катионы).

Выше в списке были перечислены основные свойства металлов, которые их отличают от неметаллических материалов. Примерами последних являются кислород, азот, благородные газы, сера, кремний, углерод и некоторые другие. Заметим, что все живые организмы состоят в основном из неметаллов.

Какие металлы бывают?

Металлы в периодической системе Менделеева делятся на несколько групп. Перечислим и кратко охарактеризуем их:

• Щелочные. Эти металлы имеют всего 1 валентный электрон, они чрезвычайно химически активны, имеют низкую плотность и являются отличными проводниками тепла и электричества. Примерами их являются литий, натрий и калий.
• Щелочноземельные. К ним относятся кальций, магний, стронций. Эти металлы имеют 2 валентных электрона, поэтому они также являются химически активными.
• Переходные. Это металлы с переменной валентностью, которые имеют пустые или полупустые орбитали d и f типа. Это самая многочисленная группа металлов. К ним относятся титан, ванадий, хром, никель, вольфрам, осмий, золото и многие другие.
• Лантаноиды и актиноиды. Большая часть этих элементов является нестабильными и проявляет различную степень радиоактивности.
• Постпереходные. Это те элементы, после которых по периоду идут металлоиды, а затем неметаллы. Самыми известными из них являются свинец, алюминий и олово.

Черные и цветные металлы

Выше была приведена классификация рассматриваемых элементов в соответствии с их электронным строением и положением в периодической системе. Помимо нее, существует еще одно разделение, которое не связано с атомным строением — это понятие о черных и цветных металлах.

Черным является железо и все сплавы с его участием. Примеры цветных металлов — это алюминий, золото, серебро, медь и другие, а также сплавы, которые не содержат железа.

Причина такого разделения проста, черные металлы являются дешевыми и недолговечными (разрушаются в результате коррозии, ржавеют).

Наоборот, цветные металлы характеризуются способностью образовывать пленки оксидные, которые предотвращают основную массу материала от дальнейшего химического разрушения.

Металлическая связь

Изучая атомно-кристаллическое строение металлов, следует сказать несколько слов об особенностях химической связи между рассматриваемыми элементами.

Поскольку электроотрицательность металлов низкая, то, объединяясь в кристаллическую решетку, каждый атом отдает один или несколько валентных электронов.

Эти электроны слабо связаны с ядром, поэтому они легко от него отрываются уже при комнатных температурах.

Совокупность валентных электронов, которые свободно движутся в пространстве между ионными остовами в кристаллической решетке металлов, называется электронным газом. Благодаря ему кусок металла легко проводит тепло и электричество.

Электрическое поле положительно заряженных ионных остовов компенсируется отрицательным полем «размазанного» по объему металла электронного газа. Такая связь называется металлической. Она кардинальным образом отличается от других типов химической связи.

Например, в ковалентной атомы не отдают электроны в межатомное пространство, они становятся общими только для двух атомов.

Наоборот, в ионной связи один атом полностью лишает второго валентных электронов, присоединяя их к себе, и приобретая отрицательный заряд.

Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток

Когда металл образует твердую структуру, то все его атомы стремятся занять такие положения в пространстве относительно друг друга, чтобы они соответствовали минимуму потенциальной энергии. Этому минимуму соответствует кристаллическая решетка.

Под кристаллической решеткой понимают такую пространственную атомную структуру, которая может быть получена, если известны координаты ограниченного числа ее атомов и вектора их трансляции в пространстве. Указанное число атомов называется базисом решетки, а их положения образуют так называемую элементарную ячейку.

Все металлы кристаллизуются в трех основных типах решеток:

• гранецентрированная кубическая (ГЦК);
• объемно-центрированная кубическая (ОЦК);
• гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

Благодаря кристаллическому строению металлы обладают такими свойствами, как пластичностью, упругостью и металлическим блеском.

Решетки ГЦК, ОЦК, ГПУ

Изучая кристаллическое строение металлов, охарактеризуем подробнее каждый тип кристаллической решетки. Начнем с ГЦК. Она показана ниже на рисунке.

Как видно, это решетка представляет собой кубик, в котором атомы расположены в его вершинах и в центрах всех шести граней. Применяя методы кристаллографии, несложно показать, что для получения такой решетки в пространстве достаточно всего четырех атомов и векторов трансляций, совпадающих с ребрами куба.

Примерами металлов, которые кристаллизуются в ГЦК, являются алюминий, медь, золото и серебро. Железо образует ГЦК решетку только при высоких температурах.

ОЦК решетка показана ниже.

Мы видим, что она соответствует кубику, в вершинах и в центре которого находится атом. Всего два атома необходимо, чтобы в прямоугольных декартовых координатах построить ОЦК решетку. Такие металлы, как ванадий, тантал, ниобий, вольфрам имеют именно эту кристаллическую структуру.

Наконец, ГПУ решетка. Она представлена ниже на рисунке.

Эта кристаллическая решетка металлов отличается от двух предыдущих тем, что она в пространстве образует не куб, а правильную шестиугольную призму, которая состоит из шести атомов. В данной структуре кристаллизуются такие элементы, как титан, цирконий, магний и кобальт.

Понятие об индексах Миллера

Чтобы удобно было описывать численно показанные выше пространственные решетки, в кристаллографии используют так называемые индексы Миллера.

Они представляют собой наборы чисел, которые позволяют точно определить положение в пространстве данного атомного ряда или атомной плоскости. По этим числам судят о поверхностных энергиях, о способности металлов проявлять пластические свойства.

Например, в ГЦК решетке краевые дислокации движутся по плоскостям (1,1,1) (эти плоскости являются максимально плотноупакованными, нормалью к ним будут диагонали куба).

Дефекты в металлах

Выше мы показали идеальную ситуацию, когда все атомы находятся на своих местах, и пространственную структуру всего металлического куска можно получить с помощью простых трансляций элементарной ячейки. В действительности же существуют множество несовершенств кристаллического строения металлов. Они называются дефектами.

Все дефекты можно по геометрическому признаку отнести к одному из четырех типов:

1. Точечные. Вакансии, межузельные атомы, наличие внедренных атомов других элементов, создающих микроскопические локальные напряжения.
2. Линейные. Дислокации — обрывы кристаллических плоскостей, которые обеспечивают пластичность всех металлов.
3. Плоские — границы зерен. Любой металл состоит из множества монокристаллов, которые друг с другом соединены в различной ориентации через межзеренные границы.
4. Объемные. Поры, различные фазовые включения, которые упрочняют металл и снижают его пластичность.

Влияние дефектов на свойства

Как правило, дефекты кристаллического строения металлов приводят к снижению их теплопроводности и электропроводности, материал становится более прочным и менее пластичным. Ярким примером является сталь, которая за счет междоузельных атомов углерода и наличия разных фаз (цементита, графита) в кристаллической решетке железа, значительно прочнее, чем чистый металл.

С развитием нанотехнологий влияние дефектов на свойства металлов может быть неоднозначным. Так, с уменьшением размера зерна может наблюдаться увеличение пластичности материала, что связано с появлением совершенно иного механизма пластической деформации — зернограничного проскальзывания, которое по своей сути отличается от дислокационного.

Реальный кристалл металла

Какой бы химический металлический элемент не рассматривался, в действительности он представляет собой твердое вещество, в котором маленькие монокристаллы (зерна) соединены друг с другом в различных ориентациях. Такая структура образует поликристалл.

В нем, помимо границ зерен, присутствуют дефекты всех четырех типов, включая примеси таких неметаллов, как кислород, азот и водород.

Последний из-за своих размеров легко проникает в любую кристаллическую решетку, образует с ее ионами твердые фазы, которые приводят к охрупчиванию металла, что является одной из актуальных проблем металловедения.

Кристаллическое строение металлов

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 213.

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 213.

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.

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.

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.

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.

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.

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 213.

А какая ваша оценка?

Гость завершил

Тест Старый генийс результатом 9/10

Гость завершил

Тест «Котлован»с результатом 11/15

Гость завершил

Тест «Бедная Лиза»с результатом 8/11

Гость завершил

Тест «Евгений Онегин»с результатом 12/16

Не подошло? Напиши в х, чего не хватает!

Физика. 10 класс

В повседневной жизни мы считаем твёрдым любое тело, сохраняющее форму и объём в отсутствие внешних воздействий, например, тела, изготовленные из металлов, пластмассы, льда, стекла. Твёрдые тела делят на две группы, различающиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные. Чем же отличаются кристаллические твёрдые тела от аморфных?

Кристаллы. К кристаллическим телам относят минералы, например поваренную соль, медный купорос, кварц, квасцы (рис. 40), горный хрусталь и металлы в твёрдом состоянии.

Рис. 40

Кристаллы — твёрдые тела, атомы, ионы или молекулы которых совершают тепловые колебания около определённых, упорядоченных в пространстве положений равновесия.

Упорядоченное размещение частиц твёрдого кристаллического тела обусловливает его правильную геометрическую форму, вследствие чего поверхность кристалла образована плоскими гранями (рис. 41).

Рис. 41

Частицы кристалла удерживаются на определённом усреднённом расстоянии друг от друга (∼ 0,1 нм) силами межатомного и межмолекулярного взаимодействий.

Несмотря на тепловые колебания, они образуют упорядоченную пространственную структуру. Геометрическим образом этой структуры является кристаллическая решётка.

Узлы кристаллической решётки — положения устойчивого равновесия колеблющихся частиц (ионов, атомов или молекул), образующих кристалл.

Основой строения кристалла служит так называемая элементарная кристаллическая ячейка — многогранник наименьших размеров, последовательным переносом без изменения ориентации которого вместе с частицами, находящимися внутри этого многогранника, можно построить весь кристалл.

На рисунках 42 представлены самые простые элементарные ячейки: кубические (а — примитивная, б — объёмно-центрированная, в — гранецентрированная) и гексагональная призма (г).

Рис. 42

В кристаллических телах упорядоченное размещение частиц повторяется во всём объёме кристалла, поэтому говорят, что в кристалле существует дальний порядок в расположении частиц.

Интересно знать

Рис. 43

Чтобы понять, почему в кристаллических телах упорядоченное размещение частиц, проделаем опыт. Насыплем на вогнутое стекло одинаковые маленькие шарики (рис. 43, а) и слегка встряхнём их несколько раз.

Можно увидеть, что шарики разместятся в строгом порядке (рис. 43, б).

Шарики располагаются на стекле в самом низком из возможных положений, что соответствует минимуму их потенциальной энергии в гравитационном поле Земли.

Кристаллическая структура также связана с минимумом потенциальной энергии, т. е. при образовании кристаллов частицы самопроизвольно располагаются так, чтобы потенциальная энергия их взаимодействия была минимальной.

Структурное строение металлов

В природе существуют две разновидности твердых тел, различающиеся своими свойствами, — кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела остаются твердыми, сохраняя приданную им форму до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Переход из одного состояния в другое протекает при определенной температуре (температура плавления).

Аморфные тела характеризуются тем, что при нагреве они в большом интервале температур вначале размягчаются, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.

Аморфные тела в отличие от жидкостей имеют пониженную подвижность частиц. Аморфное состояние можно зафиксировать в металлических сплавах ускоренным охлаждением из жидкого состояния.

Однако при повторном нагреве аморфное тело частично или полностью переходит в кристаллическое состояние.

Правильное, закономерное расположение частиц в пространстве характеризует кристаллическое состояние. В физике кристаллическое состояние и твердое состояние — синонимы.

Эффективность использования материалов зависит от понимания факторов, влияющих на их свойства. Электронное строение атомов, характер взаимодействия их в кристалле, пространственное расположение элементарных частиц, а также химический состав, размеры и форма кристаллов определяют строение кристаллического тела, описываемое структурой.

Таким образом, механические и физические свойства кристаллических материалов зависят от состава структуры.

В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления различают следующие понятия: тонкая структура, микро- и макроструктура.

Тонкая структура описывает расположение элементарных частиц в кристалле и электронов в атоме; изучается дифракционными методами (рентгенография, электронография, нейтронография). Эти методы позволяют установить форму и размеры атомной ячейки кристалла, определить, из скольких атомов состоит ячейка и где они расположены, а также различные виды нарушения в расположении атомов.

Кристаллические тела состоят из мелких кристалликов (зерен).

Размеры, форма и взаимное расположение зерен, их объемное количество, форма включений и микропустот, наличие специальных кристаллографических признаков (двойнико- вание, линии скольжения) — все это определяет микроструктуру материала, изучаемую металлографическими методами. Так как все металлы непрозрачны, то металлографические методы предусматривают использование микроскопов различного разрешения для рассмотрения микрошлифов исследуемых материалов.

Возможные неоднородности строения, наблюдаемые по объему всей детали, которые можно видеть невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы, составляют макроструктуру.

Изучая макроструктуру, можно обнаружить всевозможные виды нарушения сплошности (трещины, усадочные раковины, газовую пористость), химическую неоднородность (ликвацию), неоднородность, вызванную обработкой давлением.

В 1860 г. русским ученым Е.С. Федоровым была выдвинута гипотеза о том, что в кристаллах расположение атомов закономерное, но только после открытия рентгеновских лучей (Рентген, 1895 г.) и применения их к изучению строения кристаллов (М. Лауэ, 1912 г.) это было установлено экспериментально.

Кристаллические твердые тела: строение, свойства, типы, примеры

Видео: Кристаллические твердые тела: строение, свойства, типы, примеры

Видео: Строение и свойства кристаллических и аморфных тел | Физика 10 класс #37 | Инфоурок

Содержание:

В кристаллические твердые вещества Это те, микроскопические структуры которых упорядочены и подчиняются определенному шаблону для данной кристаллической решетки; например: кубический, гексагональный, триклинический, ромбоэдрический и другие.

Говорят, что эти твердые тела существуют в виде кристаллов с гранями и геометрическими узорами, которые отражают то, насколько они упорядочены внутри. Другими примерами кристаллических твердых веществ являются алмаз, кварц, антрацен, сухой лед, хлорид калия или оксид магния.

Хорошо известная пара кристаллических твердых веществ — это сахар и соль (NaCl). На первый взгляд оба показывают белые кристаллы; но их свойства сильно различаются. Сахар представляет собой молекулярное кристаллическое твердое вещество, а соль — ионное кристаллическое твердое вещество. Первый состоит из молекул сахарозы; а второй — ионов Na+ и Cl–.

Изображение выше дает представление о том, насколько яркими могут быть кристаллы сахара. Однако кристаллы соли не отстают. Хотя сахар и соль кажутся братьями, их структура различна: сахар, который представляет собой сахарозу, имеет моноклинную структуру; в то время как соль, кубическая структура.

Сахарная пудра и соль (глазурь) остаются кристально чистыми; его кристаллы стали намного меньше для наших глаз. Таким образом, кристалличность твердого тела определяется больше его внутренней структурой, чем его внешним видом или яркостью.

Структура кристаллических твердых тел

Кристаллические твердые тела имеют упорядоченную структуру. Их геометрические характеристики будут зависеть от типа кристаллической решетки, к которой они принадлежат, которая, в свою очередь, проецируется вовне в формы кристалла (кристаллическая система). Верхнее изображение иллюстрирует две важные концепции таких структур: периодичность и кристаллические зерна.

Пространственное упорядочение частиц кристаллического твердого тела периодическое; то есть он повторяется снова и снова во всех направлениях. Это создает свой собственный структурный образец для каждой твердой и кристаллической решетки; например, именно здесь соль и сахар начинают различаться за пределами их химической природы.

На рисунке А ромбы расположены так, чтобы образовался ромб большего размера. Каждый фиолетовый ромб представляет собой частицу или набор частиц (атомов, ионов или молекул). Таким образом, можно ожидать, что макроскопический кристалл A будет иметь ромбоэдрический вид.

Между тем, в B ромбы расположены таким образом, что образуют кристаллические зерна; это очень мелкие кристаллы (кристаллиты). В таком случае говорят, что В является поликристаллическим твердым телом; то есть он образуется в результате агломерации множества кристаллитов.

В заключение, твердое вещество может быть просто кристаллическим (А) или поликристаллическим (В); A образует кристаллы, а B — поликристаллы.

Свойства

Свойства кристаллических твердых тел зависят от их типа кристалла. Уже известно, что их структуры упорядочены, и что они также имеют тенденцию демонстрировать блестящие черты, которые полюбятся любителям минералов. Однако было упомянуто, что порошкообразное твердое вещество, даже «выключенное», также можно классифицировать как кристаллическое.

Способ, которым их частицы ориентированы в пространстве, позволяет им иметь некоторые важные свойства для их характеристики. Например, кристаллические твердые тела способны дифрактировать рентгеновские лучи, создавая дифракционные спектры, по которым можно определить микроскопическую структуру кристалла.

Кроме того, поскольку структура является периодической, тепло одинаково распространяется по твердому телу; при условии, что в нем нет примесей. Таким образом, температуры плавления кристаллического твердого вещества постоянны и не меняются независимо от того, как они измеряются.

Типы кристаллических твердых тел

Типы кристаллических твердых веществ зависят от того, из каких частиц они состоят и каковы их взаимодействия или связи. По сути, существует четыре типа: ионные, металлические, молекулярные и ковалентные сети.

Даже когда они содержат определенную степень примесей, они продолжают оставаться кристаллическими, хотя на их свойства влияют и они не показывают тех же значений, которые ожидаются для чистого твердого вещества.

Ионика

Соль является примером ионного кристаллического твердого вещества, так как состоит из ионов Na.+ и Cl–. Следовательно, в этом типе твердых тел ионная связь управляет: это электростатические силы, которые управляют структурным упорядочением.

Металлический

Все металлические атомы образуют металлические кристаллы. Это означает, что, например, серебряная вилка представляет собой конгломерат сплавленных кристаллов серебра. Внутренняя или микроскопическая структура одинакова на каждом дюйме объекта и остается неизменной от ручки вилки до кончиков ее зубцов.

Молекулярный

Сахар является примером молекулярного кристаллического твердого вещества, поскольку он состоит из молекул сахарозы. Следовательно, этот тип твердого тела состоит из молекул, которым посредством межмолекулярных взаимодействий (а не ковалентных связей) удается установить упорядоченную структуру.

Ковалентные сети

Наконец, у нас есть кристаллические твердые тела ковалентных сетей. В них преобладают ковалентные связи, поскольку они отвечают за установление порядка и удержание атомов в их соответствующих пространственных положениях. Мы говорим не об ионах, атомах или молекулах, а о трехмерных сетях.

Примеры

Далее и в заключение несколько примеров будут приведены для каждого из типов кристаллических твердых веществ.

Ионика

Все соли представляют собой твердые ионные вещества. Аналогичным образом существуют сульфиды, гидроксиды, оксиды, галогениды и другие соединения, которые также состоят из ионов, или их взаимодействия по существу ионные. Итак, у нас есть:

• -KCl
• -Случай4
• -Ба (ОН)2
• -КУРС4
• -FeCl3
• -На2S
• -MgO
• -CaF2
• -NaHCO3
• — (NH4)2CrO4
• В дополнение к этим примерам, подавляющее большинство минералов считаются ионными кристаллическими твердыми веществами.

Металлический

1. Любой металлический элемент встречается в природе в виде металлических кристаллов. Некоторые из них:
2. -Медь
3. -Железо
4. -Алюминий
5. -Хром
6. -Металлический водород (под невообразимым давлением)
7. -Вольфрам
8. -Цирконий
9. -Титан
10. -Магний
11. -Натрий

Молекулярный

Существует большое разнообразие молекулярных кристаллических твердых веществ. Практически любое затвердевающее органическое соединение может образовывать кристаллы, если его чистота высока или если его структура не слишком сложная. Итак, у нас есть:

• -Лед (H2ИЛИ)
• -Сухой лед (CO2)
• -Я2
• -П4
• -S8 (и его полиморфы)
• -Антрацен
• -Твердый кислород
• -Твердый аммиак
• -Фенолфталеин
• -Бензойная кислота

Ковалентные сети

1. И, наконец, среди кристаллических твердых тел ковалентных сетей мы имеем:
2. -Бриллиант
3. -Графит
4. -Углеродные нанотрубки
5. -Фуллеренос
6. -Кварц
7. -Кремний
8. -Германий
9. -Нитрид бора

Из этого списка углеродные нанотрубки и фуллерены также можно рассматривать как молекулярные кристаллические твердые тела. Это потому, что, хотя они состоят из ковалентно связанных атомов углерода, они определяют единицы, которые можно визуализировать как макромолекулы (футбольные мячи и трубки).

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
2. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертый выпуск). Мак Гроу Хилл.
3. Википедия. (2020). Кристалл. Получено с: en.wikipedia.org
4. Химия LibreTexts. (16 июня 2019 г.). Кристаллические и аморфные твердые тела. Получено с: chem.libretexts.org
5. Рэйчел Бернштейн и Энтони Карпи. (2020). Свойства твердых тел. Получено с: visionlearning.com