Особенности атомно-кристаллического строения металлов

Точки, в которых  размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки. В узлах  воображаемой решетки могут находиться ионы, атомы или молекулы. Они совершают колебательные движения. С повышением температуры амплитуда колебаний возрастает, что проявляется в тепловом расширении тел.  

В зависимости  от вида частиц и характера связи  между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные и металлические. 

Кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются ионными. Их образуют вещества с ионной связью. Примером может служит кристалл хлорида натрия, в котором, как  уже отмечалось, каждый ион натрия окружен шестью хлоридионами, а каждый хлоридион - шестью ионами натрия. Такому расположению соответствует наиболее плотная упаковка, если ионы представить в виде шаров, размещенных в кристалле. Очень часто кристаллические решетки изображают, как показано на рис, где указывается только взаимное расположение частиц, но не их размеры. 

Число ближайших  соседних частиц, вплотную примыкающих  к данной частице в кристалле  или в отдельной молекуле, называется координационным числом. 

В решетке хлорида натрия координационные числа обоих ионов равны 6. Итак, в кристалле хлорида натрия нельзя выделить отдельные молекулы соли. Их нет. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую макромолекулу, состоящую из равного числа ионов Na+ и Cl-, NanCln, где n - большое число (рис). Связи между ионами в таком кристалле весьма прочны. Поэтому вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью. Они тугоплавки и малолетучи. 

Плавление ионных кристаллов приводит к нарушению  геометрически правильной ориентации ионов относительно друг друга и уменьшению прочности связи между ними. Поэтому расплавы их проводят электрический ток. Ионные соединения, как правило, легко растворяются в жидкостях, состоящих из полярных молекул, например в воде. 

Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называются атомными. Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями. Примером может служить алмаз - одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами. Координационное число углерода в алмазе. В решетке алмаза, как и в решетке хлорида натрия, молекулы отсутствуют. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую молекулу. Атомная кристаллическая решетка характерна для твердого бора, кремния, германия и соединений некоторых элементов с углеродом и кремнием.  

Кристаллические решетки, состоящие из молекул (полярных и неполярных), называются молекулярными. 

Молекулы в  таких решетках соединены между  собой сравнительно слабыми межмолекулярными силами. Поэтому вещества с молекулярной решеткой имеют малую твердость и низкие температуры плавления, нерастворимы или малорастворимы в воде, их растворы почти не проводят электрический ток. Число неорганических веществ с молекулярной решеткой невелико. 

Примерами их являются лед, твердый оксид углерода (IV) ("сухой  лед"), твердые галогеноводороды, твердые простые вещества, образованные одно- (благородные газы), двух- (F2, Сl2, Br2, I2, Н2, О2, N2), трех- (О3), четырех- (Р4), восьми- (S8) атомными молекулами. Молекулярная кристаллическая решетка йода показана на рис. Большинство кристаллических органических соединений имеют молекулярную решетку. 

Заключение : 

Все металлы  относят к кристаллическим телам, поскольку они состоят из большого количества отдельных зерен, плотно прилегающих друг к другу и прочно связанных между собой силами сцепления. 

Образование кристаллов происходит во время остывания и  затвердевания жидких металлов (кристаллизации). Этот процесс можно рассматривать так: при охлаждении жидкого металла начинается образование центров кристаллизации, в которых атомы металла располагаются в определенном порядке, образуя кристалл, имеющий форму куба, призмы, октаэдра и др. Однако в процессе кристаллизации возникает много центров кристаллизации и полнограничных кристаллов не образуется или образуется незначительно, так как соседние кристаллы мешают друг другу развиваться правильно, поэтому кристаллизация происходит несвободно. В результате нарушения очертания кристаллов получают искаженную геометрию - их углы закругляются, сдавливаются и поэтому образовавшиеся зерна (кристаллиты) имеют неправильную форму. 

Если увеличить  скорость охлаждения металлов, больше возникнет центров кристаллизации, тем меньше будут их размеры. И  наоборот, чем медленнее остывает металл, например при кристаллизации в песчано-глинистых формах, тем зерна будут крупнее - до нескольких сантиметров. Известен исторический случай, когда был отлит большой стальной слиток с расширением кверху. В его верхней части, где металл застывал медленно в последнюю очередь (в центре усадочной раковины), был обнаружен кристалл длиной около 300 мм. Его обнаружил один из учеников Д.К. Чернова, которому этот кристалл и был подарен. Чернов первый подробно описал ход кристаллизации слитка, и описанный кристалл вошел в историю металлургии под именем «кристалла Чернова». 

Список литература 

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 2002, 1980. 

2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 2006. 

3. Новиков И.И.  Дефекты кристаллического строения металлов. М., 2003. 

4. Антикайн П.А. Металловедение. М., 2002.