Bktp-omsk.ru

Делаем сами
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что представляет собой металлическая кристаллическая решетка?

Что представляет собой металлическая кристаллическая решетка?

Уральский государственный лесотехнический университет

Кафедра технологии металлов

Блюм Э.Э., Потехин Б.А., Резников В.Г.

Основы термической обработки сталей
(конспект лекций)
для самостоятельной работы студентов очного и заочного факультетов

1. Превращения при нагреве и охлаждении стали

1.1. Кристаллическое строение металлов

Металлы и сплавы тела кристаллические — атомы в них расположены в определенном порядке в пространстве. Порядок в расположении атомов в пространстве называют кристаллической решеткой .

В чистых металлах, т.е. при наличии атомов одного элемента, возможно 14 вариантов расположения атомов. Это обусловлено тем, что в кристалле каждый атом должен иметь одинаковое количество атомов-соседей, расположенных от него на одинаковом расстоянии.

В химических соединениях, т.е. при наличии атомов различных элементов, число возможных комбинаций в расположении атомов (типов решеток) становится бесконечно большим. Подавляющее большинство металлов и сплавов имеют сравнительно простые кристаллические решетки (см. рис. 1)

Наибольший интерес представляет строение железа и его сплавов (стали и чугуны)

Железо ниже температуры 911 0 С имеет кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку (ОЦК) и называется a Fe . Такое же строение могут иметь некоторые другие металлы ( Ti , V , W , Mo , Cr , Mn ).

При температурах 911-1390 0 С железо имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку (ГЦК) и называется g Fe . Такая же решетка имеется у некоторых других металлов ( Cu , Al , Pb ).

Кратчайшее расстояние между центрами атомов в кристаллической решетке называется параметром решетки (а). Параметры измеряют в ангетремах (А) или килоиксах (КХ)

Параметры решетки соизмеримы с радиусом атомов. Например, у a Fe а=2,8608А, R ат =1,26А,у g Fe а=3,649А, R ат =1,29А

1.2. Аллотропия металлов

Аллотропия — способность некоторых металлов изменять тип кристаллической решетки при изменении внешних условий (температуры и давления). Обычно каждый тип решетки устойчив в определенном интервале температур, но в некоторых случаях, например при быстром охлаждении может одновременно существовать несколько типов решеток. Различные модификации (типы решеток) одного и того же металла обозначают греческими буквами: a , b , g , d и т.д. Буквой обозначается самая низкотемпературная модификация.

Например, при нагреве железа происходят следующие превращения:

a Fe ® b Fe ® g Fe ® d Fe ® Ж

магнитно не магнитны

Признаки аллотропического превращения следующие:

1. Изменяется тип кристаллической решетки;

2. Наблюдается тепловой эффект;

3. Свойства изменяются скачком

Таким образом в железе наблюдается два аллотропических превращения (при температурах 911 и 1390 0 ).

С изменением типа кристаллической решетки железа резко изменяется растворимость в нем углерода. Так максимальная растворимость углерода в a Fe 0,02% (при t =723 0 ), а в g Fe 2,14% (при t =1130 0 ). Это черезвычайно важно для понимания процессов происходящих при термической обработке стали.

Аллотропия наблюдается в ряде металлов ( Sn , Ti , Ni , Mn , Cr и др.).

1.3. Строение металлических сплавов

Химические элементы из которых состоит сплав называют компонентами. При взаимодействии компонентов в сплавах образуются фазы. Фаза — однородная часть сплава отделенная от других поверхностью раздела. При изучении процессов, происходящих при нагреве и охлаждении сплавов, используются диаграммы состояния, которые строят опытным путем. Диаграммой состояния называют график, который показывает фазовое состояние сплава в зависимости от температуры и химического состава. Следует иметь в виду, что диаграммы состояния построены для условий медленного нагрева или охлаждения.

В сплавах могут быть следующие типы твердых фаз: кристаллы чистых компонентов, кристаллы твердых растворов, кристаллы химических соединений.

Кристаллы чистых компонентов состоят из одинаковых атомов, расположенных в виде кристаллической решетки.

Кристаллы твердых растворов состоят из разноименных атомов, образующих общую кристаллическую решетку, тип которой такой же, как у одного из входящих компонентов. При рассмотрении в микроскоп твердые растворы выглядят, как чистые металлы, т.е. являются однофазными. В отличие от химических соединений твердые растворы существуют не при определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Поэтому они на диаграммах состояния всегда занимают определенные области. Твердые растворы, как правило, имеют невысокую твердость.

В промышленных сплавах наиболее часто встречаются два типа твердых растворов: замещения и внедрения.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают в кристаллической решетке места атомов растворителя. Такие твердые растворы могут быть ограниченной и неограниченной растворимости. При неограниченной растворимости любое количество атомов одного компонента может быть заменено атомами другого компонента. Это возможно при выполнении следующих условий: у обоих компонентов одинаковый тип кристаллической решетки, сходное строение валентной электронной оболочки атомов, малое различие в размерах атомов.

Если у двух металлов с одинаковым типом кристаллической решетки диаметры атомов различаются значительно, то растворение второго компонента приводит к сильным искажениям кристаллической решетки. Когда эти искажения достигают определенной величины, решетка становится неустойчивой, что приводит к пределу растворимости.

Твердые растворы замещения всегда образуются между металлами, например, железо с Cr , Mn , Ni , W , Co .

В твердых растворах внедрения атомы растворимого элемента размещаются в междуузельных пространствах кристаллической решетки элемента растворителя. Такие твердые растворы образуются в том случае, когда диаметр атомов растворимого элемента много меньше, чем диаметр атомов элемента растворителя. Поэтому такие твердые растворы образуются между металлами и неметаллами (С,Н,О,N), имеющими малые размеры атомов. Образование таких твердых растворов приводит к некоторому искажению кристаллической решетки и к увеличению параметра решетки. Примером таких твердых растворов в стали служит феррит (твердый раствор внедрения углерода в a Fe ) и аустенит (твердый раствор внедрения углерода в g Fe ).Схемы твердых растворов замещения и внедрения показаны на рис. 2.

Следует, однако, иметь в виду, что в промышленных сплавах, например в сталях, нет в чистом виде твердых растворов замещения и внедрения. Даже простые углеродистые стали представляют собой сложные многокомпонентные сплавы, в которых образуются твердые растворы внедрения на базе твердых растворов замещения.

Химические соединения — такие фазы, которым можно приписать простые стехиометрические формулы. Они имеют обычно сложную кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, тип которой отличается от решеток входящих в них компонентов. Состав химических соединений, в отличие от тверды растворов, постоянный и не изменяется с изменением температуры. Поэтому на диаграммах состояния химические соединения показывают вертикальной прямой линией.

Свойства химических соединений всегда сильно отличаются от свойств входящих в них компонентов.

В сталях наибольший интерес представляет химическое соединение Fe 3 C, обладающее высокой твердостью и хрупкостью.

При рассмотрении сплавов в микроскоп видны структурные составляющие . Структурными составляющими называют участки сплава, которые выглядят одинаково (светлыми, темными, пестрыми). Структурные составляющие выявляют путем травления полированных образцов-шлифов кислотами или другими реактивами. Структурные составляющие могут состоять из одной или нескольких фаз.

Все сплавы в твердом состоянии могут состоять из следующих структурных составляющих:

1. Кристаллов твердых растворов,

2. Кристаллов химических соединений,

3. Механической смеси кристаллов различных типов (кристаллов чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений).

При образовании механических смесей особо выделяют однородные механические смеси, которые являются самостоятельными структурными составляющими и при рассмотрении в микроскоп выглядят однородными участками.

Если однородная механическая смесь образовалась при кристаллизации из жидкого состояния, то она называется эвтектикой. Например, при кристаллизации белого чугуна содержащего 4,3%С образуется эвтектика (однородная механическая смесь состоящая из аустенита и цементита), которая имеет специальное название ледебурит .

Если однородная механическая смесь кристаллов образовалась в твердом состоянии, то она называется эвтектоидом . Например, в углеродистой стали содержащей 0,83%С при охлаждении ниже 723 0 аустенит распадается на феррит и цементит. Такая однородная механическая смесь в сталях имеет специальное название — перлит .

1.4. Превращения в стали при нагреве

Термическая обработка стали состоит в нагреве до определенной температуры, выдержке и охлаждении с определенной скоростью.

При кажущейся простоте этих операций в процессе их выполнения в стали протекают сложные процессы, которые и определяют свойства после термической обработки.

На рис. 3. Показан фрагмент диаграммы Fe-C, где находятся углеродистые стали. Линии на диаграмме имеют специальные обозначения. Линия А 1 (723 0 ) показывает начало образования аустенита при нагреве, линия А 3 — конец образования аустенита, линия А ст — конец растворения цементита в аустените.

После медленного охлаждения, а диаграмма и построена при медленном охлаждении, структуры стали в зависимости от содержания углерода будут различными.

Что представляет собой металлическая кристаллическая решетка?

Химическая связь может возникнуть при электростатическом притяжении двух разноименных ионов — катиона и аниона, например, K + и I − . Перекрывание атомных орбиталей в этом случае незначительно, и электронная плотность распределена неравномерно, недостаток её будет у атома калия, а избыток — у атома иода.

Ионную связь (K + )−(I − ) рассматривают как предельный случай ковалентной связи.

Общая пара электронов в случае ионной связи практически полностью смещена к аниону. Обычно это происходит в соединениях элементов с большой разностью электроотрицательности (например, в соединениях CsF, NaBr, K2O, Rb2S, Li3N и др.).

Все эти соединения при обычных условиях представляют собой ионные кристаллы (кристаллы, построенные из катионов и анионов), например кристаллы иодида калия или хлорида натрия.

Металлическая связь. Металлические кристаллы

В металлах валентные электроны удерживаются атомами крайне слабо и способны мигрировать. Атомы, оставшиеся без внешних электронов, приобретают положительный заряд. Они образуют металлическую кристаллическую решётку.

Совокупность обобществлённых валентных электронов (электронный газ), заряженных отрицательно, удерживает положительные ионы металла в определённых точках пространства — узлах кристаллической решётки, например, металла серебро.

Внешние электроны могут свободно и хаотично перемещаться, поэтому металлы характеризуются высокой электропроводностью (особенно золото, серебро, медь, алюминий).

Атомные и молекулярные кристаллы

В твердом агрегатном состоянии у веществ могут образоваться не только ионные, но также молекулярные и атомные кристаллические решетки.

Так, твердый иод имеют молекулярную кристаллическую решетку, в узлах которых находятся молекулы I2.
Аналогичным образом построена кристаллическая решетка твердого диоксида углерода (сухой лед) — в узлах кристаллической решетки находятся молекулы CO2.

Алмаз и графит — кристаллы с атомной решеткой, имеющей в узлах атомы углерода с разным расположением этих узлов в пространстве.


кристаллическая решетка алмаза

кристаллическая решетка графита

Водородная связь

При изучении многих веществ были обнаружены так называемые водородные связи.

Например, молекулы HF в жидком фтороводороде связаны между собой водородной связью, аналогично связаны молекулы Н2О в жидкой воде или в кристалле льда, а также молекулы NH3 и Н2О между собой в межмолекулярном соединении — гидрате аммиака NH3 · Н2О.

Водородная связь образуется за счёт сил электростатического притяжения водородсодержащих полярных молекул, содержащих атомы наиболее электроотрицательных элементов — F, O, N. Например, водородные связи имеются в HF, Н2О, NH3, но их нет в HCl, Н2S, PH3.

Водородные связи малоустойчивы и разрушаются довольно легко (например при плавлении льда, кипении воды). Однако на разрыв этих связей затрачивается некоторая дополнительная энергия, и поэтому температуры плавления и кипения веществ с водородными связями между молекулами оказываются значительно выше, чем у подобных веществ, но без водородных связей:

Положение металлов в периодической системе. Металлическая кристаллическая решетка и металлическая химическая связь. Общие физические свойства металлов

Разделы: Химия

Цель: Опираясь на ранее полученные знания, подвести обучающихся к пониманию представлений о металлах как химических элементах и простых веществах.

Читать еще:  ГОСТ по проверке пожарной сигнализации

1) Познакомить обучающихся со строением и общими свойствами металлов, исходя из их положения в периодической системе и строения атомов.
2) Дать понятие о металлической связи и металлической кристаллической решетке. Добавить, обобщить и углубить знания о физических
свойствах металлов.

1) Расширить и углубить знания учащихся о роли металлов в организме, значении в жизнедеятельности человека, показать разнообразие их свойств.
2) Продолжить формирование мировоззренческих взглядов (умения устанавливать причинно-следственные связи между строением и
свойствами металлов, доказывать переход количественных изменений в качественные).
3) Акцентировать внимание обучающихся на возможности интеграции курсов химии, литературы и истории, развивать представления о познаваемости мира.
4) Прививать навыки самостоятельной работы, учить четко и грамотно выражать свои мысли. Уметь слушать своего товарища.

1) Научить работать с дополнительной литературой и другими источниками информации, готовить доклады,
2) Выступать перед аудиторией,
3) Формировать критическое мышление, умение анализировать, выделять главное, обобщать и делать выводы.

Тип урока: Урок усвоения новых знаний с мультимедийным сопровождением.

Оборудование. Компьютер, проектор, экран; учебная презентация по данной теме, выполненная на компьютере в программе Power Point, созданная учителем, коллекции “Металлы и сплавы”; шаростержневые модели кристаллической решетки металлов железа, магния, меди; таблицы: “Изменение атомного радиуса в периоде, группе”, “Строение металлической кристаллической решетки”, учебник химии 9 класс автор О.С. Габриелян 2010 год.

I. Ориентировочно-мотивационный этап.

Учитель: – Здравствуйте, ребята. Я рада вас видеть на своем уроке здоровыми и бодрыми. Я думаю, что и у вас прекрасное настроение как у ромашки на слайде презентации. Слайд 1.

А сейчас обратите внимание на лотки, что стоят на ваших столах. В них образцы веществ. Причем, предложенные вашему вниманию вещества, против обыкновения, не подписаны. Ваша задача состоит в том, чтобы распределить эти вещества по каким-то признакам, то есть как-то их проклассифицировать. Признаки выберите сами.

Учитель: – Какие признаки? (Твердость, металлический блеск.)

Учитель: – На какие группы распределились вещества? (Металлы и неметаллы.)

Учитель: – Каких веществ больше?

В настоящее время известно более 80 металлов, точно сосчитаете дома. Чем они отличаются друг от друга?

Учитель: – Они отличаются друг от друга свойствами: цветом, блеском, твердостью.

Учитель: Как вы думаете, что мы сегодня будем изучать? Металлы. Да, мы начинаем изучение большой темы “Металлы” (на экране проецируем тему урока) Слайд 2.

Презентацию можно получить у автора статьи.

Записываем дату и тему урока в тетради.

Эпиграф нашего урока. “Мощь и сила науки – во множестве фактов, цель – в обобщении этого множества”. Д.И.Менделеев. Слайд 3

“Внимательно осмотритесь вокруг. Где бы вы ни были: дома или в школе, на улице или в транспорте – вы увидите, какое множество металлов трудится вокруг нас и для нас.Слайд 4.

Учитель: Основываясь на собственный опыт, знания из курса физики, биологии, литературы давайте вспомним, что мы знаем о металлах? Поделитесь своими знаниями. (Беседа с классом.)

Учитель: Что мы должны узнать?

Цели: (Слайд 5.)

Учитель: Чтобы ответить на эти вопросы мы должны с вами выполнить большую работу по изучению нового материала и приобретению знаний.

“Свойства веществ зависят от строения”. Сегодня эту зависимость мы рассматриваем применительно к металлам. Давайте проследим причинно-следственную связь между строением атома, химической связью и физическими свойствами.

Строение атома – металлическая связь – металлическая кристаллическая решетка – физические свойства – практическое применение

Учитель: – Ответьте на следующие вопросы:

1) Где расположены элементы– металлы? Слайд 6.
2) Какое место занимают металлы в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева?

В периодической системе химических элементов каждый период, кроме первого, начинается с активного металла. Эти элементы образуют главную подгруппу I группы и называются щелочными металлами. Свое название они получили от названия соответствующих им гидроксидов, хорошо растворимых в воде, – щелочей.

Следующие за щелочными металлами элементы, составляющие главную подгруппу II группы, также являются металлами. Из этих металлов кальций, стронций, барий и радий называют щелочноземельными металлами. Такое название они получили потому, что их оксиды, которые алхимики называли “землями”, при растворении в воде образуют щелочи.

Далее к металлам относят элементы главных подгрупп: III группы, исключая бор; IV группы – германий, олово, свинец; V группы – сурьму и висмут; VI группы – полоний.

Что касается элементов побочных подгрупп, то все они – металлы. Таким образом, если в периодической системе провести диагональ от В к Астату через элементы главных подгрупп, то по диагонали и над ней будут располагаться неметаллы, а под ней – металлы. В периодах: в малых – металлы расположены в начале, в больших – в четных рядах и начале нечетных. Слайд 7.

Из положения металлов в периодической системе можно определить и особенности строения их атомов. Слайд 8.

1) На внешнем энергетическом уровне – 1–3 электрона.
2) У металлов сравнительно большой радиус атома
3) В периоде восстановительные свойства уменьшаются, т.к. увеличивается заряд ядра, число электронов на внешнем слое.
4) В группе в главной подгруппе восстановительные свойства увеличиваются, т.к. возрастает радиус атома.

Учитель: Давайте распишем электронное строение атомов металлов Na, Ca, Al (3 обучающихся возле доски.) Вместе проверяем даем оценку.

Загадочная пауза Слайд 9. (Загадки про металлы.)

Учитель: Атомы – металлы образуют простые вещества, соединяясь посредством химической связи. Какой? Слайд 10.

Учитель: Что такое металлическая связь? Связь в металлах и сплавах между атом – ионами посредством обобществленных электронов называется металлической. Веществам с металлической связью присущи металлические кристаллические решетки. Свойства металлов обусловлены строением их кристаллов. В узлах металлических кристаллических решеток располагаются атомы и ионы металлов, связанные посредством обобществленных электронов, электронов, которые оторвались от конкретных атомов и стали принадлежать всему кристаллу. Эти электроны компенсируют силы электростатического отталкивания между положительными ионами, связывают их, обеспечивают устойчивость металлической решетки. Такой тип связи называется металлической. Она обусловливает все важнейшие физические свойства металлов. Слайд 11.

Учитель: У меня на столе представлены кристаллические решетки металлов магния, меди и железа дайте вместе рассмотрим строение кристаллических решеток этих металлов. (Три обучающихся возле доски рассказывают о строении предложенных решеток металлов.)

Физкультминутка.

Учитель: Какими физическими свойствами обладают металлы? Слайд 11

Учитель подчеркивает, что физические свойства металлов определяются их строением.

Индивидуальные задания обучающимся. По материалу параграфа 6 заполнить таблицу

Физическое свойство металловЧем оно обусловленоПримеры
Пластичность
Электрическая проводимость
Металлический блеск

Остальные обучающиеся, для изучения физических свойств металлов по материалу параграфа 6 (страница 30–32) делятся на 3 группы по свойствам, готовятся, пишут свою часть схемы, выходят к доске приклеивают свои листочки и отвечают. Класс может задавать вопросы. Обучающиеся 4 группы готовят и задают вопросы остальным обучающимся групп.

Заполнение схемы по ходу изучения нового материала (по выступлениям обучающихся от каждой группы).

После заполнения схемы возвращаемся к образцам металлов в лотках на столах обучающихся и выполняем Лабораторный опыт “Ознакомление с образцами металлов” на карточках подписаны названия металлов (железо, цинк, олово, алюминий, свинец, серебро).

Физические свойства металлов.

Пластичность. Слайд 13. Металлы обладают пластичностью, ковкостью и прочностью. Благодаря свободному перемещению электронов по всему кристаллу разрыв связей не происходит, т. к. отдельные слои в кристалле могут смещаться относительно друг друга. Это придает металлам пластичность — способность изменять свою форму без разрыва химических связей. Металлы, обладающие высокой пластичностью — золото, серебро, медь, олово, железо, алюминий.

Просмотр фрагмента “Кузнечное дело” с диска “Неорганическая химия”.

Электропроводность. Лучшие проводники электричества – серебро и медь, худшие – марганец, свинец и ртуть. Металлы обладают электрической проводимостью благодаря наличию свободных электронов или электронного “газа”. Хаотически движущиеся в металле электроны под воздействием приложенного электрического напряжения приобретают направленное движение, в результате чего возникает электрический ток.

Теплопроводность металлов, как правило, соответствует электропроводности. Она обусловлена большой подвижностью свободных электронов, которые, сталкиваясь с колеблющими ионами и атомами, обмениваются с ними энергией. Поэтому происходит быстрое выравнивание температуры по всему куску металла. Лучшая проводимость у серебра, меди, худшая — у висмута, ртути.

Для всех металлов характерен металлический блеск: серый цвет или непрозразрачность. Свободные электроны, заполняющие межатомное пространство в решетке, отражают световые лучи, поэтому металлы имеют металлический блеск (серебристо-белый и серый). Только золото и медь в большей степени поглощают короткие волны (близкие к фиолетовому цвету) и отражают длинные волны светового спектра, поэтому имеют желтый и оранжевый цвет. Самые блестящие металлы — ртуть, серебро.

Плотность. Слайд 14. Все металлы делятся на легкие (с плотностью до 5г/см 3 ) и тяжелые (с плотностью больше 5г/см 3 ). Легкие: Li, Na, K, Mg, Al Тяжелые: Zn, Cu, Sn, Ag, Au

Температура плавления. Слайд 15, 16.

Металлы делятся на легкоплавкие и тугоплавкие.

Твердость. Все металлы, кроме ртути, твердые. Но это свойство различно у каждого металла. Слайд 17.

Самые мягкие металлы — натрий, калий, индий, их можно резать ножом самый твердый металл — хром, царапает стекло. Рассмотреть образцы щелочных и щелочноземельных металлов.

С представителями некоторых металлов мы сейчас познакомимся

Вступление к сообщениям обучающихся “Заморочки из бочки”

– Алхимики старались его получить используя философский камень для того, чтобы править миром и вечно жить;
– Из-за этого металла пролилось много крови;
– Его используют в ювелирной промышленности) Это – Золото. (Сообщение про золото. Слайд 18–27.)

Вступление к сообщению обучающегося о меди “МАСКА, Я ТЕБЯ ЗНАЮ!” Звон колокольчика под тканью.

Следующий металл, о котором мы поговорим, – медь. Медь называют музыкальным металлом. Почему, сейчас мы узнаем. Слайд 28. Когда на Русь нападали полчища врагов, когда нужно было собрать народ на важные собрания, ударяли в колокола. Давайте послушаем запись звонов ростовских колоколов. В народе говорят, что колокольный звон делает человека добрее, справедливее. Все злое, нехорошее от него уходит. Искусство колокольных дел мастеров осталось составной частью национальной культуры. И поныне остается загадкой, как удалось нашим предкам без измерительных приборов и точного анализа сплавов создать “стозвонные” колокола – каждый со своим звоном (прослушивание звона колоколов). После Слайда 31.

Сегодня медь широко используется в электротехнике и приборостроении. Но давайте рассмотрим, как и где применяли раньше медь и ее значение сегодня. Слайд 32–36.

Вступление к сообщению про железо (загадка – стихотворение).

Важнейший, древний элемент.
В тяжелой индустрии главный,
Знаком с ним школьник и студент.
Родился в огненной стихии,
Расплав его течет рекой.
Важнее нет в металлургии –
Он нужен всей стране родной.

Сообщение про железо. Слайд 37–42

А теперь, внимание! Знакомимся с самыми, самыми металлами. Слайд 43.

Проверка знаний по результатам изучения нового материала (тест на компьютере) обмениваемся работами и проверяем с выставлением оценок по ключу

Подведение итогов. “Свойства веществ зависят от строения”. Сегодня эту зависимость мы рассмотрели применительно к металлам. Проследили причинно-следственную связь между строением атома, химической связью и физическими свойствами.

Выставление оценок за урок.

Проведение рефлексии по результатам урока. Слайд 44. Рефлексия. Чтобы осмыслить все увиденное, услышанное и выполненное на нашем уроке мы предлагаем вам рефлексивный тест, направленный на оценку своих собственных действий. Рефлексивный тест. Я узнал (а) много нового. Мне это пригодится в жизни. На уроке было над чем, подумать. На все возникшие у меня в ходе урока вопросы я получил (а) ответы. На уроке я поработал (а) добросовестно и цели урока достиг(ла).

Сейчас прозвенит долгожданный звонок,
Увы, но к концу подошел наш урок.
Прошу, уберите рабочее место.
Давайте без слов, и, пожалуй, без жестов.
А я благодарность вам всем объявляю,
Проверив работы,
В журнал выставляю
Отметки все ваши, надеюсь привычно,
Что будут они хорошо и отлично.
Большое спасибо я вам говорю,
Мы цели достигли, благодарю.

Домашнее задание: параграф 5, 6 составить ребусы или загадки про металлы, подготовить сообщения про сплавы меди и сплавы железа, составить презентацию по теме “Сплавы”

Читать еще:  Как выбрать морозильник для балкона

Металлические кристаллические решетки — материалы презнетации

специалист в области арт-терапии

Описание презентации по отдельным слайдам:

Металлическая кристаллическая решетка. Презентацию подготовила ученица 11-1 класса Александра Давыдова

Химическая связь и строение вещества. Разные вещества имеют разное строение. Только благородные газы – гелий Не, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe и радон Rn- из-за высокой устойчивости их электронных структур существуют в виде свободных (изолированных) атомов. Все другие вещества состоят из связанных атомов. Химическая связь – электростатические силы, которые обусловливают связь между атомами.

Химическая связь и строение вещества. Результатом связывания атомов является образование более сложных структур – молекул, молекулярных ионов, свободных радикалов, а также ионных, атомных и металлических кристаллических решеток. Существование этих структур обусловлено различными типами химической связи.

Типы химической связи. Химическая связь ковалентная ионная металлическая водородная Является причиной образования большинства молекул, молекулярных ионов, свободных радикалов и атомных кристаллических решеток. Существует внутри молекул отдельных веществ, возникает между молекулами некоторых веществ Обусловливает существование молекул ионных соединений и ионных кристаллических решеток Существует в простых веществах- металлах

Металлическая связь. Большинство металлов характеризуется небольшим числом электронов на внешнем энергетическом уровне. Т.е. число вакантных орбиталей у них значительно больше числа валентных электронов. Все металлы в твердом состоянии имеют металлическую решетку. При ее образовании атомы сближаются до такой степени, что их вакантные орбитали начинают перекрываться. Валентный электрон при этом может относительно свободно перемещаться с орбитали своего атома на свободную и близкую по энергии орбиталь соседних атомов. Потеряв электрон, исходный атом теряет свою электронейтральность и превращается в катион, возможен и обратный процесс : M — ne M атом катион o n+

Металлическая связь. В узлах кристаллической решетки металла наряду с нейтральными атомами присутствуют катионы. Электроны, потеряв связь с атомами, могут относительно свободно перемещаться по всему объему металла, связывая ионы и нейтральные атомы металла в единое целое. Связь между всеми положительно заряженными ионами металлов и свободными электронами в кристаллической решетке металлов называется металлической.

Схема кристаллической решетки металлов. + + + + + + + + + + + В узлах кристаллической решетки металлов находятся положительные ионы и атомы металлов, а между узлами – электроны. Электроны становятся общими и свободно перемещаются по решетке, их называют свободными электронами или «электронным газом»

Металлическая связь и физические свойства металлов. Металлическая связь обусловливает важнейшие физические свойства металлов: — электропроводность; — теплопроводность; — пластичность; — металлический блеск.

Пластичность. Пластичность металлов выражается в их способности деформироваться под действием механической нагрузки. Это важнейшее свойство металлов лежит в основе их обработки давлением ( ковки, прокатки и др.), вытягивания из металлов проволоки под действием силы. Пластичность металла объясняется тем, что под внешним воздействием одни слои ионов в кристаллах легко смещаются, как бы скользят друг относительно друга без разрыва связи между ними. Кованая решетка Михайловского сада Санкт-Петербург

Электропроводность. Электропроводность металлов обусловлена наличием в них совокупности подвижных электронов, которые под действием электрического поля приобретают направленное движение. Все металлы являются электрическими проводниками первого рода, т.е. обладают электронной проходимостью. Электропроводность с повышением температуры уменьшается, т.к. в результате тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки сопротивление направленному движению электронов возрастает. Лучшими проводниками электрического тока являются серебро и медь, немного уступает алюминий. Хуже всего электрический ток проводят марганец, свинец и ртуть, а также вольфрам и некоторые тугоплавкие металлы.

Электрическое сопротивление вольфрама настолько велико, что он начинает светиться при прохождении через него электрического тока. Это свойство вольфрама используют для изготовления нитей в лампах накаливания Электропроводность. Фонарь на Испанской лестнице в Риме.

Теплопроводность. Теплопроводность металла объясняется высокой подвижностью электронов. Которые, сталкиваясь с колеблющимися в узлах решетки атом-ионами металлов обмениваются с ними энергией. С повышением температуры эти колебания ионов с помощью электронов передаются другим ионам и температура металла быстро выравнивается.

Металлический блеск. Гладкая поверхность металла или металлического изделия имеет металлический блеск, который является результатом отражения световых лучей. Высокой светоотражательной способностью обладают ртуть, серебро, палладий и алюминий. В порошке металлы , за исключением магния и алюминия теряют блеск, приобретая черную или серую окраску. Музей Ватикана. «Мир»

Способность к образованию сплавов. Металлическая химическая связь и металлическая кристаллическая решетка характерны не только для чистых металлов, но и для их сплавов. Металлические сплавы обладают нередко более полезными свойствами, чем составляющие их чистые металлы – повышенной прочностью, коррозионной стойкостью и твердостью( дюралюминий). Медь плохо поддается литью, а оловянная бронза ( сплав меди и олова) имеет прекрасные литейные качества, из нее отливают художественные изделия. Фрагмент бронзового подножия Александровского столба, Санкт-Петербург

Энергия кристаллических решеток некоторых металлов. Металл – энергия кристаллической решетки, кДж/моль Энергия металлической кристаллической решетки – количество энергии, которое необходимо затратить на разрушение кристалла, содержащего 1 моль атомов данного металла. Наибольшей энергией обладают решетки, состоящие из небольших ионов с большим зарядом ядра атома. Сверху вниз в подгруппе энергия уменьшается, так как увеличивается размер иона. В периоде же слева направо кристаллические решетки становятся более прочными из-за увеличения заряда катиона металла.

Литература. О.С.Габриелян «Химия 11 класс базовый уровень», учебник, ООО Дрофа 2008 О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов «Химия» Материалы для подготовки к ЕГЭ, ООО Дрофа 2008 А.С. Егоров « Репетитор по химии» ООО «Феникс», 2009 Н.Е.Кузьменко, В.В. Еремин, В.А. Попков « Учебное пособие по химии» школьный курс, ООО «Мир и образование» 2005 г. Фото из семейного архива.

  • Все материалы
  • Статьи
  • Научные работы
  • Видеоуроки
  • Презентации
  • Конспекты
  • Тесты
  • Рабочие программы
  • Другие методич. материалы

  • Тележинская Елена ЛеонидовнаНаписать 2070 18.04.2018

Номер материала: ДБ-1472613

  • Химия
  • 8 класс
  • Презентации
    18.04.2018 135
    18.04.2018 158
    18.04.2018 241
    17.04.2018 490
    16.04.2018 580
    15.04.2018 195
    15.04.2018 207
    14.04.2018 635

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Металлическая связь

Большинство металлов имеют общие свойства, которые отличны от свойств других простых или сложных веществ. Это такие свойства как:

  • повышенные температуры плавления,
  • значительные электро- и теплопроводность,
  • способность отражать свет и
  • способность прокатываться в листы
  • характерный металлический блеск.

Эти свойства связаны с существованием в металлах металлической связи:

Металлическая связь — это связь между положительно заряженными ионами и атомами металлов и свободно движущимися по кристаллу электронами.

Образование металлической связи

Простое вещество — металл существует в виде кристалла, имеющим металлическую кристаллическую решетку, в узлах которой находятся атомы или ионы металлов.

Валентные атомные орбитали каждого атома металла в кристалле перекрываются сразу с орбиталями нескольких близлежащих соседей, и число этих атомных орбиталей чрезвычайно велико. Поэтому число возникающих молекулярных орбиталей тоже велико.

Мы уже знаем, что число валентных электронов атомов металлов небольшое, к тому же они достаточно слабо связаны с собственными ядрами и могут легко отрываться. Поэтому электроны заполняют всю зону взаимодействующих орбиталей образуя металлическую связь. Т.о. в кристаллической решетке металла перемещение электронов происходит свободно.

Такие особенности, как тепло- и электропроводность металлов связано с существованием свободно движущихся электронов в кристаллической решетке.

Особенности металлической связи

Отличие металлической связи от ковалентной

  • Несмотря на то, что металлическая связь как и ковалентная связь образована посредством обобществления электронов, однако в металлической связи электроны принадлежат всему множеству ионов/атомов металлов, а в ковалентной только двум атомам неметаллов.
  • Важное отличие металлической связи от ковалентной – это то, что здесь не существует направленности связи, т.к. электроны по кристаллу распределены почти равномерно.
  • Прочность металлической связи также отличается: ее энергия в 3-4 раза меньше энергии ковалентной связи.

Отличие металлической связи от ионной

В образовании как ионной связи, так и металлической принимают участие ионы — катионы. Однако ионная связь — это связь между катионами и анионами, а в металлической связи анионы отсутствуют, зато имеются электроны, свободно движущиеся между катионами/атомами металлов.

Прочность металлической связи

  • Если рассмотреть щелочные металлы, то наиболее активный среди них – цезий, легче всего будет отдавать свои валентные электроны, а труднее всего – рубидий, наименее активный среди щелочных металлов.

Чем легче атом металла переходит в состояние иона, т.е. отдает электроны, тем менее прочна его решетка, вследствие отталкивания положительно заряженных ионов.

В связи с этим металл будет обладать пониженной температурой плавления и становится более мягким.

  • Чем больше валентных электронов имеет атом металла, тем более прочна его кристаллическая решетка, и тем выше его температуры кипения и плавления

Ниже приведена зависимость температуры плавления металлов от их положения в периодической таблице и числа валентных электронов.

Твёрдость

Твёрдость – это способность материала объекта контроля противостоять пластичной или упругой деформации при действии на его внешний слой другим, более твёрдым материалом (индентором). Твёрдые вещества имеют, в основном, кристаллическое строение, которое определяется правильным расположением частиц вещества – молекул, атомов, ионов – в определённых его точках. Такая структура расположения частиц в веществе называется кристаллической решёткой, а точки, в которых расположены эти частицы, называются её узлами.

В зависимости от того, какие частицы размещены в узлах решётки и какие связи между ними, кристаллические решётки делятся на четыре типа:

    • металлические;
    • молекулярные;
    • атомные;
    • ионные.

От типа кристаллической решётки, а также характера и вида связей между частицами вещества зависят физические свойства твёрдого тела.

Металлические решётки – это решётки, в узлах которых находятся атомы и ионы, имеющие между собой металлическую связь разной прочности.

Читать еще:  Стеклопластиковая арматура: сравнение с металлической арматурой

К таким веществам относятся металлы и сплавы, отличающиеся твёрдостью и тугоплавкостью в очень широких пределах. При этом, чем сильнее связь между частицами вещества, тем выше эти показатели. Электроны металла, движущиеся между узлами решётки, образуют «электронный газ», обеспечивающий устойчивость такой решётки.

Атомные решётки в своих узлах содержат атомы, связанные очень прочными ковалентными связями.

Такая решётка характерна для простых веществ: кремний (Si), графит (С), алмаз (С), бор (В), германий (Ge) – с неполярной ковалентной связью; также для сложных веществ: карбид кремния (SiC), оксид кремния (SiO2), оксид алюминия (Al2O3), нитрид бора (BN) – с полярной ковалентной связью. Эти вещества очень твёрдые и очень тугоплавкие.

Молекулярные решётки имеют в своих узлах молекулы веществ со слабыми межмолекулярными связями.

В обычных условиях это твёрдые органические (кроме солей) летучие вещества, имеющие небольшую твёрдость, жидкости или газы.

Ионные решётки образуются веществами с ионным видом связи (рис. 2), такими как гидроксиды и оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, галогениды (IA, IIA групп), соли (напр. КОН, СаСО3, NH4NO3, С2Н5ОК, СН3СООК, [CH3NH3]Cl).

Между ионами, которые расположены в узлах решётки, существует электростатическое притяжение — такая связь очень прочная. Ионные кристаллы твёрдые, тугоплавкие, но хрупкие.

Определение твёрдости объекта контроля производится по различным методам, разработанным многими учёными, именами которых эти методы названы. Все эти методы определения твёрдости подразделяются на две основные группы – статические и динамические, в зависимости от применения индентора.

Статические методы

Получили наибольшее распространение в практике. Они основаны на непрерывном и медленном вдавливании индентора в объект контроля с определённым постоянным усилием. Наиболее востребованными из них являются: метод Бринелля, определяемый стандартом ГОСТ 9012-59; метод Роквелла, регламентируемый ГОСТом 9013-59 (ИСО 6508-86); метод Виккерса в соответствии с ГОСТ 2999-75.

Динамические методы

Метод Шора (способ упругого отскока) регламентируется требованиями стандарта ГОСТ 23273-78. Суть метода при определении твёрдости вещества объекта контроля состоит в измерении высоты отскока индентора, падающего с определённой высоты, от поверхности объекта контроля.

Метод Польди состоит в том, что одновременно в образец и эталон с известной твёрдостью посредством ударной нагрузки вдавливается стальной закалённый шарик. Твёрдость объекта контроля определяется путём сопоставления диаметров отпечатков в эталоне и образце. Существенным недостатком метода Польди является его большая погрешность, составляющая 7-15%, иногда до 30%, что значительно ограничивает область его применения.

Кристаллические решетки

Кристаллической решеткой называют пространственное расположение атомов или ионов в кристалле. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки подразделяют на молекулярные, атомные, ионные и металлические.

Очень важно не перепутать вид химической связи и кристаллической решетки. Помните, что кристаллические решетки отражают пространственное расположение атомов.

Молекулярная кристаллическая решетка

В узлах молекулярной решетки расположены молекулы. При обычных условиях молекулярную решетку имеют большинство газов и жидкостей. Связи чаще всего ковалентные полярные или неполярные.

Классическим примером вещества с молекулярной решеткой является вода, так что ассоциируйте свойства этих веществ с водой. Вещества с молекулярной решеткой непрочные, имеют небольшую твердость, летучие, легкоплавкие, способны к возгонке, для них характерны небольшие температуры кипения.

Примеры: NH3, H2O, Cl2, CO2, N2, Br2, H2, I2. Особо хочется отметить белый фосфор, ромбическую, пластическую и моноклинную серу, фуллерен. Эти аллотропные модификации мы подробно изучили в статье, посвященной классификации веществ.

Ионная кристаллическая решетка

В узлах ионной решетки находятся атомы, связанные ионной связью. Этот тип решетки характерен для веществ, обладающих ионной связь: соли, оксиды и гидроксиды металлов.

Ассоциируйте этот ряд веществ с поваренной солью — NaCl. Веществе с ионной решеткой имеют высокие температуры плавления и кипения, легко растворимы в воде, хрупкие, твердые, их растворы и расплавы проводят электрический ток.

Металлическая кристаллическая решетка

В узлах металлической решетки находятся атомы металла. Этот тип решетки характерен для веществ, образованных металлической связью.

Ассоциируйте свойства этих веществ с медью. Они обладают характерным металлическим блеском, ковкие и пластичные, хорошо проводят электрический ток и тепло, имеют высокие температуры плавления и кипения.

Примеры: Cu, Fe, Zn, Al, Cr, Mn.

Атомная кристаллическая решетка

В узлах атомной решетки находятся атомы, связанные ковалентной полярной или неполярной связью.

Ассоциируйте эти вещества с песком. Они очень твердые, очень тугоплавкие (высокая температура плавления), нелетучие, прочные, нерастворимы в воде.

Примеры: SiO2, B, Ge, SiC, Al2O3. Особенно хочется выделить: алмаз и графит (C), красный и черный фосфор (P).

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

мтомд.инфо

Строение металлов. Атомно-кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка металлов.

Раздел:Материаловедение. Металловедение.

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место. Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике. Причина этого — в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:

  • «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
  • пластичность;
  • высокая теплопроводность;
  • высокая электропроводность.

Строение металлов. Атомно-кристаллическое строение металлов.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Кристаллическая решетка металлов

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка. Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

  • размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов (в одном направлении выдерживаются строго определенными);
  • углы между осями (α, β, χ);
  • координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке;
  • базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки;
  • плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74).

Схема кристаллической решетки

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа:

  • примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;
  • базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
  • объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;
  • гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней.

Типы кристаллических решеток

Рис. 2: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Основными типами кристаллических решеток являются:

  1. Объемно — центрированная кубическая (ОЦК) (рисунок 2, позиция а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Feα)
  2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (рисунок 2, позиция б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au, Feγ)
  3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
      — простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
      — плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

Исследовано движение линейных дефектов в сплавах меди и никеля

Сегодня известны разные способы повышения прочности металлов. Одним из них является твердорастворное упрочнение. Суть этого метода заключается во внедрении в металл атомов другого металла. Они препятствуют движению дефектов и неоднородностей кристаллической решетки металла, благодаря чему он становится крепче.

Дислокации представляют собой линейные дефекты решетки материала. Самый простой пример — это прямолинейная краевая дислокация. В кристаллическую решетку вклинивается дополнительная атомная полуплоскость (лежит по одну сторону от прямой), создавая под собой небольшую цилиндрическую полость. Если производить сдвиг материала, то произойдет движение этой атомной полуплоскости. В конце концов она выйдет на поверхность материала, что приведет к необратимой пластической деформации. Примесные атомы, которые добавляют в основной металл, влияют на скорость движения дислокаций. До недавнего времени в науке считалось, что они могут только замедлять перемещения дислокаций.

Российские ученые из лаборатории наномеханики Института механики Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова обнаружили, что добавляемые атомы могут не только уменьшать, но и увеличивать скорость движения дислокаций. В исследовании использовались сплавы твердого раствора, где основным металлом была медь, а добавленным — никель. Авторы работы выбрали их из-за того, что никель имеет полную растворимость в меди, позволяя рассмотреть широкий диапазон растворимости без изменения структуры сплава. Ученые провели компьютерное моделирование движения дислокации при температурах сплава от 100 К до 1100 К (от -173,15 до 827 °C) и концентрации никеля в диапазоне от 0 до 30% от всех атомов в веществе.

Ученые обнаружили два варианта, как атомы никеля влияют на скорость краевой дислокации. Все зависит от величины приложенного сдвигового напряжения. Когда оно не превышает критическое, атомы никеля действуют как барьеры, снижающие скорость движения дислокаций. Однако когда приложенное напряжение начинает превышать критическое, они, наоборот, увеличивают их скорость. В этом режиме дислокации движутся со скоростями, близкими к скорости поперечных звуковых волн. При этом они, по-видимому, перестают взаимодействовать с добавленными атомами. Ученые показали, что с ростом концентрации никеля в меди увеличивается скорость распространения звуковых волн, а она, в свою очередь, вызывает ускорение движения дислокаций при значении сдвигового напряжения выше критического.

«В дальнейшем мы собираемся рассмотреть подвижность дислокаций в других сплавах твердых растворов меди с высокой растворимостью. Так мы сможем изучить влияние других факторов на это явление», — прокомментировал руководитель проекта Илья Брюханов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института механики Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector