Что удерживает атомы в кристалле?

Атомы в кристалле расположены на строго определенном расстоянии, на котором энергия взаимодействия между ними минимальна. Силы притяжения и отталкивания между двумя соседними атомами с увеличением расстояния уменьшаются. Но это уменьшение не одинаково: силы отталкивания уменьшаются быстрее. Равнодействующая сила проходит через нуль при некотором межатомном расстоянии d₀. На этом расстоянии силы притяжения и отталкивания уравновешиваются: F_пр = F_отт (рис. 3, а), а энергия связи E_св минимальна (рис. 3, б). Поэтому кристалл термодинамически стабилен.

Рис. 3. Зависимость сил межатомного взаимодействия (а)

и энергии взаимодействия (б) от расстояния между атомами

 

Каждое кристаллическое вещество имеет свое значение энергии связи, это важнейшая термодинамическая характеристика кристалла. От величины энергии связи зависят температура плавления T_s, модуль упругости E, температурный коэффициент линейного расширения e_л.

 

Типы кристаллических решеток

Наименьший объем кристаллической решетки, который характеризует расположение атомов в кристалле, называют элементарной кристаллической ячейкой (рис. 4). Перемещая элементарную кристаллическую ячейку вдоль трех пространственных осей, можно получить кристалл любой величины, так же как из одинаковых кирпичиков строятся разные по величине и архитектуре здания.

Рис. 4. Элементарная кристаллическая ячейка:

пространственное изображение (а) и схема (б)

 

По форме элементарных ячеек все кристаллические материалы подразделяются на 7 кристаллических систем. Любую из них можно охарактеризовать шестью параметрами: тремя линейными (размерами a, b и c ячейки по трем осям координат) и тремя угловыми (углами a, b и g между этими отрезками).

Межатомные расстояния измеряются в нанометрах (нм) или ангстремах (Å ). 1 нм = 10^{-9 м; 1 нм = 10} Å. Размеры элементарных ячеек металлов составляют от 2 до 6 Å, или от 0, 2 до 0, 6 нм.

У металлов чаще всего встречаются три типа кристаллических решеток из 14 возможных:

Кубическая система Гексагональная система

a = b = c, a = b = g = 90° а = b ¹ с, a = b = 90°, g = 120°

 

1) объемно-центрированная 2) гранецентрированная 3) гексагональная

кубическая решетка (ОЦК) кубическая решетка (ГЦК) плотноупакованная

решетка (ГПУ)

Такие решетки имеют следующие металлы:

Cr, Mo, W, V, Ta, Nb, Fe_a Cu, Ni, Ag, Au, Pb, Pt, Mg, Co, Zn, Cd, Be,

Al, Fe_g Zr, Ti_a

На изображении ГПУ решетки показаны три соседних элементарных ячейки, чтобы было понятно, почему эта решетка называется гексагональной. Одна из ячеек выделена жирными линиями и штриховкой.

Гексагональная решетка является плотноупакованной только в случае, когда отношение c/a = 1, 633, или близко к этому значению. Для такой плотной укладки атомов в решетке центры атомов второго слоя должны располагаться над центрами лунок между атомами первого слоя и т. д. (рис. 5).

 

Рис. 5. Плотная укладка атомов в ГПУ решетке

 

Плотность упаковки

Плотность упаковки элементарных частиц в кристалле определяется двумя параметрами:

1) координационным числом – числом ближайших соседей, т. е. атомов, равноудаленных от данного. В ОЦК решетке координационное число K8, что легко увидеть на изображении элементарной ячейки; в ГЦК решетке – K12, что очевидно при рассмотрении 8 соседних элементарных ячеек; в ГПУ решетке – тоже K12, а в простой кубической – K6;

2) коэффициентом компактности – отношением объема атомов, приходящихся на одну ячейку, к ее объему:

V_ат/V_яч = 0, 52 в простой кубической решетке,

V_ат/V_яч = 0, 68 в ОЦК решетке,

V_ат/V_яч = 0, 74 в ГЦК решетке и ГПУ решетке.

Обратите внимание на то, что между атомами (ионами) в металле всегда имеются поры: шары не могут заполнить весь объем.

 

Полиморфизм металлов

Некоторые металлы при изменении внешних условий (температуры или давления) изменяют тип кристаллической решетки. При этом химически они остаются теми же самыми веществами. Явление перестройки решетки называется полиморфным превращением. Один и тот же металл с разными кристаллическими решетками называют полиморфными модификациями данного металла. Обозначают полиморфные модификации греческими буквами, начиная с низкотемпературной: Me_a ® Me_b ® Me_g ® Me_d.

Например, железо Fe_a с ОЦК решеткой существует ниже 911 º C,

с 911 до 1392 º C оно имеет ГЦК решетку и обозначается Fe_g,

а при 1392 º C решетка снова превращается в ОЦК и сохраняется до температуры плавления (1539 º C).

Полиморфное превращение у титана происходит при 882 º C, при этом Ti_a c ГПУ решеткой превращается в Ti_b с ОЦК решеткой.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. MS Excel. Знак, указывающий что число не вмещается в ячейку
2. P.S., где рассказывается о том, что было услышано 16 февраля 1995 г., во второй половине седьмого дня нашего отступления.
3. Past Simple переводится глаголами несовершенного вида, прошедшего времени (что делал?).
4. VI. СЕКСУАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ. ЦЕНТРЫ НАСЫЩЕНИЯ. ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ, «СЕКСУАЛЬНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ»
5. XXX. ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ – ВЕЛИКАЯ ПУСТОТА БУДДИСТОВ (будителей, будетлян, людей, которые здесь, скоро будут).
6. XXXII. ЧТО НУЖНО ЗНАТЬ И ДЕЛАТЬ ЕЖЕДНЕВНО, ЧТОБЫ НЕ БОЛЕТЬ, А ЕСЛИ БОЛЕЕШЬ, ТО КАК ВЫТАЩИТЬ СЕБЯ В ТЕЧЕНИИ ДНЯ, ПОЧТИ, С ТОГО СВЕТА.
7. А 47. Что из перечисленного стало последствием победы СССР над Японией в 1945 г.?
8. А затем по милости Аллаха решил собрать всё, что смог по теме, которую я указал в заглавие.
9. А потом он обратился к ним с увещанием в связи с тем, что они смеялись, когда кто-нибудь испускал ветры, и сказал: «Почему некоторые из вас смеются над тем, что делают и сами?»
10. А что потом? (А. Бондаренко)
11. Адам никогда не станет. Ни за что не будет похож на них.
12. Алгоритм создания того, что вы хотите иметь