Будова атома. Зв'язок між атомами у металах. Кристалічні решітки

Атоми є складними утвореннями, які складаються з більш дрібних, ніж вони, структурних одиниць — електронів. Тепер вже складені схеми будови атомів всіх хімічних елементів.

Кількість електронів, що обертається навколо ядра атома, позначається порядковим номером елемента у періодичній системі Менделєєва. Кожний електрон обертається по своїй орбіті, яка може мати колову або еліпсоїдну форму. Всі орбіти по-різному розташовані у просторі, тобто нахилені одна до одної під різними кутами, оточуючи таким чином ядра атома з усіх боків.

Електрони розташовуються по електронних шарах. Кожний електронний шар складається з певної кількості електронів. Електрони одного шару мають майже однаковий запас енергії, тобто перебувають приблизно на однаковому енергетичному рівні.

Вся електронна оболонка атома складається з кількох шарів, або енергетичних рівнів, позначених буквами К, Б, М, N. Буквою К позначають найближчий до ядра шар. Електрони кожного наступного шару перебувають на більш високому енергетичному рівні, ніж електрони попереднього шару. Орбіти всіх електронів, які належать до одного шару, мають однакові розміри великих осей, але різні — малих осей. Максимальна кількість електронів, що містяться у даному шарі, дорівнює подвоєному квадрату порядкового номеру шару. Таким чин-ом, перший найближчий до ядра шар К може містити не більш як два електрони, другий шар Б — не більш ніж вісім, третій шар М — не більш ніж вісімнадцять і т. д. Також встановлено, що кількість електронів всіх елементів, крім паладію, у зовнішньому шарі не перевищує восьми, а у передостанньому шарі — вісімнадцяти.

Електрони зовнішнього шару, як найбільш віддалені від ядра, а отже, найменш міцно з ним зв'язані, можуть відриватись від атома й приєднуватись до зовнішнього шару інших атомів. Атоми, які позбулися одного або кількох електронів, дістають позитивний заряд, оскільки в цьому випадку заряд ядра перевищуватиме в них суму електронів, що залишились. Навпаки, атоми, які приєднали до себе зайві електрони, заряджаються негативно. Утворені таким шляхом заряджені частинки якісно відрізняються від відповідних атомів і називаються іонами.

Величина заряду іона залежить від кількості втрачених або придбаних атомів електронів. Так, наприклад, якщо' атом алюмінію, який має у своїй оболонці всього 13 електронів, втратить три електрони зовнішнього шару, то утворений іон алюмінію матиме заряд +3, оскільки від втрати електронів заряд ядра, що дорівнює +13, не зміниться, а загальний заряд електронів, які залишилися, дорівнюватиме —10 (заряд іона становитиме —10 + 13 = = +3). Атом сірки має всього 16 електронів, з яких шість знаходяться у зовнішньому шарі. Якщо він приєднає до себе ще два електрони, то матиме негативний двозаряд- ний іон сірки, оскільки загальний заряд електронів дорівнюватиме —18, а заряд ядра +16 (заряд іона становитиме — 18+16=—2).

Іони прийнято позначати тими ж символами, що й атоми, проставляючи праворуч зверху від них таку кількість знаків плюс або мінус, яка дорівнює кількості одиниць заряду іона. Наприклад, позитивний тризарядний іон алюмінію позначається символом А1+++ або А13+, негативний двозарядний іон сірки — символом S— або S2- і т. д.

Перехід зовнішніх електронів від одних атомів до інших відбувається за найрізноманітніших хімічних процесів. Кількістю цих електронів і визначається, головним чином, різниця у хімічних властивостях атомів.

На схемі (рис. 1, а) зображено будову атома водню. В атомі водню є тільки один електрон, який і обертається навколо ядра. Атом водню легко може віддавати свій електрон іншим атомам, перетворюючись на позитивний однозарядний іон водню, що складається тільки з ядра, яке дістало назву протон.

2Наступний за воднем елемент гелій (рис. 1, б) має вже два електрони, що утворюють перший шар К. Обидва електрони обертаються по колових орбітах, нахилених одна до одної під певним кутом, і характеризуються однаковим запасом енергії, тобто перебувають на одному й тому ж енергетичному рівні. Таке розташування електронів дуже стійке, через що гелій не схильний ні віддавати свої електрони, ні приєднувати до себе електрони інших атомів. Через цю свою здатність гелій є хімічно інертним елементом.

На рис. 1, в подано схему атома літію. Показані на рис. 1 атомні моделі досить громіздкі й незручні.

На рис. 2 зображено спрощені схеми будови атомів елементів 1—3 періодів. Однак, треба мати на увазі, що ці схеми не дають уявлення про дійсне розташування електронів в атомах, а лише вказують на кількість електронів у шарах; кожний обвід відповідає одному шару електронів, тобто одному енергетичному рівню.

Поняття про електронну орбіту, як про певну лінію у хвильовій механіці останнім часом замінюється поняттям про електронну сферу.

Електрон в атомі обертається не тільки навколо ядра, а й навколо власної осі, прн чому можливе обертання у двох протилежних напрямках. Отже, згідно з сучасною теорією будови атомів, кожний атом являє собою систему, яка складається з позитивно зарядженого ядра (що містить протони і нейтрони) та з негативно заряджених часточок — електронів, які обертаються навколо нього.

Електрони зовнішньої орбіти називають валентними. Кількість їх на орбіті може змінюватись від 0 до 8 відповідно до місця елемента у таблиці Менделєєва (табл. 2).

Встановлено, що ці електрони при близькому розташуванні атомів, які утворюють елемент-метал, можуть легко переміщатись у просторі між малорухливою частиною ядра атома й внутрішніми електронами. Отже, будова елемента металу являє собою скупчення атомів з малорухливими іонами, для яких є характерним переважно коливальний рух навколо деяких центрів, і з валентними електронами, які оточують їх, легко зміщуються з однієї зовнішньої орбіти на другу і своєю рухомістю нагадують зміщення часточок у газі або рідині. Сукупність рухомих електронів зветься електронним газом.

Електронний газ забезпечує зв'язок між атомами та їх взаємодію при утворенні внутрішньої міжатомної структури як у простих, так і в складних сплавах.

У твердому стані метали (сплави) складаються з позитивно заряджених іонів, утримуваних на певних відстанях один від одного колективізованими електронами, що швидко рухаються між ними.

Речовина, в міру зниження зовнішньої температури переходить з газового у рідкий, а потім 3 в твердий стан.

У рідкому стані атоми речовини розташовані хаотично. Тіла з хаотичним розташуванням атомів називають аморфними. Аморфними можуть бути й тверді тіла. Наприклад, скло відносять до твердих тіл, але розглядають його як рідину, що втратила свою основну властивість — текучість внаслідок надто великого внутрішнього тертя між часточками.

Метали і сплави на їх основі в твердому стані не бувають аморфними — вони є кристалічними. Кристалічна будова металів — це поєднання їхніх атомів у твердому стані в геометрично правильні угрупування.

Характерними властивостями металів є їхня висока пластичність, електропровідність і теплопровідність.

У металах електронний газ є сполучною ланкою між атомами. Зміщення атомів металу в процесі пластичної деформації внаслідок дії зовнішніх сил не призводить до знищення міжатомних сил зчеплення.

При іонному (або ковалентному) зв'язку атомів їх зміщення зумовлює знищення зв'язків між атомними рядами. В зв'язку з цим атомні ряди втрачають властивості пластичної деформації, відбувається їх крихке руйнування.

Кристалічні решітки металівНаявність вільних електронів в атомах металів забезпечує високу електропровідність останніх. Вільні елек трони переміщуються під дією різниці потенціалів. Однак, при іонному і ковалентному зв'язках електрони міцно зв'язані з окремими атомами, тому, щоб відірвати електрон від атома, потрібно прикласти значну різницю потенціалів. Отже, електропровідність речовини з такими видами зв'язків низька.

Теплопровідність металів також зумовлюється наявністю вільних електронів. При нагріванні вільні електрони стають легкорухливими, що сприяє швидкому поширенню теплової енергії по всій масі металу.

Таким чином, фізичні властивості металів визначаються своєрідністю міжатомного зв'язку в них

Кристалічні решітки різних металів. Основні характеристики і властивості кристалів. Метали, що перебувають у твердому стані, мають правильне розташування атомів, які утворюють кристалічну або просторову решітку. Будь-яка кристалічна решітка складається з ряду паралельних кристалографічних площин, які знаходяться одна від одної на певних відстанях. Метали можуть мати прості кристалічні решітки у вигляді центрованого куба (рис. З, а), куба з центрованими гранями (рис. З, б) або гексагональну решітку (рис. З, є).

Кристалізовані комірки для металів визначаються в основному за допомогою рентгеноструктурного аналізу.

У табл. 1 подано, крім трьох найпростіших найпоширеніших кристалічних систем, ще кілька типових решіток. Видно, що елементи однієї групи й елементи, розташовані близько один від одного, часто мають решітку однакового типу.

4Так, решітку у вигляді центрованого куба мають а-залізо, хром, вольфрам, молібден, ванадій, натрій, літій

та інші. Решітку у вигляді гранецентрованого куба мають у-залізо, алюміній, мідь, нікель, р-кобальт, свинець, срібло, золото, платина та ін. Гексагональну решітку мають цинк, а-кобальт, магній, а-титан цирконій, а також графіт. Алмазу притаманна характерна подвійна кубічна, решітка. Решітку такого ж типу мають кремній та а-олово.

У р-олова решітка центрована тетрагональна, а а-марганець має дуже складну кубічну решітку

Параметрами кристалічних решіток називають відстані між атомами в решітках і відношення між цими відстанями. Наприклад, кубічну систему визначає один параметр— довжина ребра куба І. Гексагональна система характеризується двома параметрами: довжиною ребра І і висотою грані с (рис. 3). Параметри кристалічних решіток вимірюють в ангстремах (1А=10~8 см).

Будова кристалічних решіток 'характеризується компактністю, яка визначається відношенням об'єму, зайнятого атомами, до об'єму решітки і позначається буквою К. Чим більший коефіцієнт компактності, тим щільніше укладені атоми в решітці. Проста кубічна решітка має коефіцієнт компактності 0,52; центрована кубічна — 0,68; гранецентрована і гексагональна щільно упакована — 0,74, проста гексагональна — близько 0,5.

Координаційне число К характеризує будову решітки, тобто зв'язок між її частинками. Це число показує, скільки атомів оточують кожний атом у решітці, тобто є його найближчими сусідами. У кристалічній решітці центрованого куба кожний атом має вісім близьких і шість більш далеких сусідів (рис. 4). Тому вважають, що координаційне число в решітці у формі центрованого куба дорівнює 8 і позначають його К8. У гранецентрованій кубічній щільно складеній решітці координаційне число дорівнює 12 (К12). У гексагональній щільно складеній решітці координаційне число також дорівнює 12 (Г12). Елементи з іншими видами кристалічних решіток мають більш низькі координаційні числа. Наприклад, координаційне число вуглецю (алмазу) дорівнює 4, сурми —3, селену —2 і т. ін. 5

Чим більше координаційне число просторової решітки, тим вища її щільність.

Найбільш компактними е решітки, які мають форму гранецентрованого куба, а також щільно упакована гексагональна. Ступінь заповнення атомами в цих решітках становить 74%, в кубічній решітці К8—68%.

Кількість атомів, що припадає на певну елементарну комірку в металі, називають базисним числом. Кристалічна решітка металу являє собою повторення елементарних комірок.

Отже, в кубічній кристалічній решітці на кожний вузол припадає тільки атома елементарної комірки, тоб-

то базисне число становить один атом ІX 8 — 11 у

решітці центрованого куба базисне число дорівнює двом атомам.

і (бХ у=ЗІ і один

Для кубічної решітки з центрованими гранями базисним числом є чотири атоми. На кожній грані цієї комірки є по одному атому, які належать двом коміркам. Кожна комірка має шість граней, тоді атом одержується від усіх атомів, розташованих у вершинах комірки

Зміна властивостей кристалів у різних напрямах всередині тіла зумовлюється частотою й характером взаємного розташування атомів. Зміну властивостей кристалів у різних напрямах металу називають анізотропією властивостей.

Скалярні властивості, до яких відносять масу, щільність і об'єм, від напряму не залежать.

У промислових сплавах численні кристали різно орієнтовані в просторі. Тому в цих сплавах у будь-якому напрямку маємо усереднені властивості.

На рис. 5, а показані площини І (грані) і II (діагональна) в решітці об'ємноцентрованого куба. З рисунку видно, як щільність і порядок взаємного розташування атомів відрізняють ці площини одну від одної. Частота розміщення атомів у напрямках А, В, С також різна.

Положення кристалографічних площин визначають характер перетікання процесів деформації, поліморфних перетворень і анізотропію. Тому виникла необхідність кількісної індексації площин і напрямків у решітках. 6

Для індексації кристалічних решіток користуються індексами Мілера.

На рис. 5, б зображена елементарна кубічна комірка. Координати осі тут збігаються з ребрами куба. Площина І відсікає від осі відрізок п, який дорівнює довжині ребра куба, і проходить паралельно осям у та г. Індексами тут є відношення цих відрізків до довжини ребра куба. Індексами площини І у даному прикладі будуть величина

=1 (по осі х) та =0 (по осях у, г). Отже, ця площина має індекси (100).

Індекси площини II позначені (110), оскільки в осей х та у ця площина відсікає відрізки п і п, а з віссю г вона перетинається у нескінченності. Площина III (рис. 5, є) має індекси (111). Індекси площини взято у круглі дужки

При визначенні кристалічного напрямку через початок координат проводять лінію, що відповідає цьому напрямку. На цій лінії беруть довільну точку (рис. 6, а) і визначають її координати. Для точки а координати дорівнюють 1; 1; 1, для точки а'—~2'Потімвизна-

чають найменші цілі числа, пропорційні цим координатам (для даного випадку вони дорівнюють 1, 1, 1). Ці цифри, взяті у квадратні дужки [111], є індексами напрямку. На рис. 6, б кристалографічні напрямки збігаються з віссю х. Для точки Ь координата по осі х дорівнює відрізку оЬ, а по осі у і г — нулю. Якщо прийняти відрізок оЬ за 1, то координати точки Ь дорівнюватимуть 1; 0; 0, а індекси напрямку [100].

На рис. 6, в показано напрямок у площині ху. Координати точки с дорівнюють 1; 1; 0.

26.12.2015
2542

Комментарии

Нет комментариев. Ваш будет первым!