Celulă cubică. Structura cristalină a metalelor. Rețea cristalină a metalelor. Defecte ale cristalelor

Acasă Majoritatea solidelor au structura cristalina , în care particulele din care este „construit” sunt într-o anumită ordine, creând astfel rețea cristalină . Este construit din unități structurale identice repetate - celule unitare

, care comunică cu celulele vecine, formând noduri suplimentare. Ca rezultat, există 14 rețele cristaline diferite.

Tipuri de rețele cristaline.

• În funcție de particulele care stau la nodurile rețelei, acestea se disting:
• rețea cristalină metalică;
• rețea cristalină ionică;
• rețea cristalină moleculară;

rețea cristalină macromoleculară (atomică).

Legături metalice în rețelele cristaline.

Cristalele ionice au o fragilitate crescută, deoarece o schimbare a rețelei cristaline (chiar și una ușoară) duce la faptul că ionii cu încărcare similară încep să se respingă unul pe celălalt, iar legăturile se rupe, se formează crăpături și rupturi.

Legătura moleculară a rețelelor cristaline.

Caracteristica principală a legăturii intermoleculare este „slăbiciunea” sa (van der Waals, hidrogen).

Aceasta este structura gheții. Fiecare moleculă de apă este conectată prin legături de hidrogen la 4 molecule care o înconjoară, rezultând o structură tetraedrică.

Legăturile de hidrogen explică punctul de fierbere ridicat, punctul de topire și densitatea scăzută;

Legătura macromoleculară a rețelelor cristaline. Există atomi la nodurile unei rețele cristaline. Aceste cristale sunt împărțite în

• 3 tipuri:
• cadru;
• lanţ;

structuri stratificate. Structura cadrului diamantul este una dintre cele mai dure substanțe din natură. Atomul de carbon formează 4 legături covalente identice, ceea ce indică forma unui tetraedru obișnuit ( 3 sp

- hibridizare). Fiecare atom are o pereche de electroni singuratică, care se poate lega și cu atomii vecini. Ca urmare, se formează o rețea tridimensională, în nodurile căreia există doar atomi de carbon.

Este nevoie de multă energie pentru a distruge o astfel de structură, punctul de topire al unor astfel de compuși este ridicat (pentru diamant este de 3500°C). Structuri stratificate

vorbim despre prezența legăturilor covalente în fiecare strat și a legăturilor slabe de van der Waals între straturi. diamantul este una dintre cele mai dure substanțe din natură. Atomul de carbon formează 4 legături covalente identice, ceea ce indică forma unui tetraedru obișnuit ( 2 - hibridizare. Al 4-lea electron nepereche formează o legătură van der Waals între straturi. Prin urmare, al 4-lea strat este foarte mobil:

Legăturile sunt slabe, deci sunt ușor de rupt, ceea ce poate fi observat într-un creion - „proprietatea scrisului” - al 4-lea strat rămâne pe hârtie.

Grafitul este un excelent conductor de curent electric (electronii sunt capabili să se miște de-a lungul planului stratului).

Structuri în lanț au oxizi (de exemplu, AŞA 3 ), care cristalizează sub formă de ace lucioase, polimeri, unele substanțe amorfe, silicați (azbest).

Toate metalele în stare solidă au o structură cristalină. Atomii dintr-un metal solid sunt aranjați în ordine și formează rețele cristaline (Fig. 1).

Orez. 1. Scheme ale rețelelor cristaline: a – cubic centrat pe corp; b – centrat pe față; c – împachetat strâns hexagonal

Rețea de cristal reprezintă cel mai mic volum al unui cristal care oferă o imagine completă a structurii atomice a metalului și se numește celulă unitară.

Metalele se caracterizează prin trei tipuri de rețele cristaline: cubic centrat pe corp (bcc), în care atomii sunt localizați la vârfurile celulei unității și unul în centrul acesteia; cubic centrat pe fețe (fcc), în care atomii sunt situați la vârfurile celulei unitate și la centrele fețelor sale; hexagonal close-packed (hcp), care este o prismă hexagonală în care atomii sunt aranjați în trei straturi.

Proprietățile materialului depind de tipul rețelei cristaline și de parametrii care o caracterizează:

1) distanta interatomica, măsurată în angstromi 1A°=10 -8 cm

2) densitatea de ambalare ( bază de zăbrele– numărul de particule pe unitate de celulă). Cubic simplu - B1, bcc - B2, fcc - B4, hcp - B6.

3) numărul de coordonare(CN) – numărul maxim de atomi care sunt echidistanți și situați la cea mai apropiată distanță de atom luat ca punct de referință. Cubic simplu – CN=6, BCC – CN=8, FCC – CN=12, GPU – CN=12.

Proprietățile materialului determinate în direcția planului frontal și a planului diagonal sunt diferite - acest fenomen se numește anizotropie, adică proprietăți neuniforme în direcții diferite. Toate materialele metalice au această proprietate. Corpurile amorfe au proprietatea izotropie, adică au aceleași proprietăți în toate direcțiile.

Grilele de cristal pot avea diverse imperfecțiuni structurale care modifică semnificativ proprietățile materialului. Un singur cristal real are întotdeauna o suprafață liberă (exterioară), pe care rețeaua este distorsionată din cauza tensiunii superficiale.

Defectele structurii interne sunt împărțite în punct, liniare și plane.

Defectele punctuale includ locuri libere (atunci când locurile individuale ale rețelei cristaline nu sunt ocupate de atomi); atomi dislocați (dacă atomii individuali se găsesc în interstiții) sau atomi de impurități, numărul cărora chiar și în metalele pure este foarte mare. În apropierea unor astfel de defecte, rețeaua va fi deformată elastic la o distanță de una sau două perioade (Fig. 2, a).

Orez. 2. Defecte ale rețelei cristaline: a - punct; b - liniar; în - planar

Defectele liniare sunt mici în două dimensiuni și destul de mari în a treia. Astfel de defecte includ deplasarea planurilor atomice sau dislocațiile și lanțurile de locuri libere (Fig. 2b). Cele mai importante proprietăți ale unor astfel de defecte sunt mobilitatea lor în interiorul cristalului și interacțiunea activă între ele și cu alte defecte.

O modificare a rețelei cristaline a unui material este posibilă sub influența factorilor externi, și anume temperatura și presiunea. Unele metale în stare solidă dobândesc rețele cristaline diferite la diferite intervale de temperatură, ceea ce duce întotdeauna la o modificare a proprietăților lor fizico-chimice.

Existența aceluiași metal în mai multe forme cristaline se numește polimorfism. Temperatura la care are loc o modificare a rețelei cristaline se numește temperatura de transformare polimorfă. Toate procesele de tratament termic se bazează pe acest fenomen. Modificările polimorfe sunt notate cu litere grecești (a, b, g și altele, care sunt adăugate simbolului elementului ca index).

Studiul metalelor în conformitate cu sistemul periodic de elemente al lui Mendeleev arată că, cu excepția Mn și Hg, elementele subgrupei A, inclusiv metalele de tranziție și cele mai multe elemente de pământuri rare, precum și metalele din subgrupele IB și IIB și unele elemente din grupa IIIB, inclusiv Al, formează una dintre următoarele structuri metalice tipice:

A 1 - rețea cubică centrată pe față (FCC)

Rețea cubică centrată pe față Următoarele metale îl au: g - Fe, Al, Cu, Ni, a - Co, Pb, Ag, Au, Pt etc.

Într-o rețea cubică centrată pe fețe, atomii sunt localizați la vârfurile celulei unitare și la centrele fețelor sale (Fig. 1.5).

Fiecare atom din această rețea este înconjurat de 12 vecini cei mai apropiați situati la distanțe egale egale cu = 0,707×a, Unde O- marginea celulei unitare. Numărul celor mai apropiați vecini egal cu 12 se numește numărul de coordonare al rețelei cristaline. Pe lângă acești atomi cei mai apropiați, în rețeaua cristalină există 6 atomi, situați la distanțe semnificativ mai mari, egale cu O.

Rețeaua cristalină luată în considerare are două tipuri de goluri (spații interstițiale în care pot fi localizați atomi mai mici ai altor elemente din aliaje) formând soluții solide interstițiale.

Cele mai mari interstiții sau goluri sunt situate în centrul cubului și în mijlocul marginilor acestuia. Fiecare dintre aceste goluri este înconjurat de șase atomi ai rețelei fcc, ocupând locuri la vârfurile unui octaedru regulat. În acest sens, ele sunt numite goluri octaedrice (Figura 1.5, b). Aceste poziții ale diferitelor elemente dintr-o rețea cubică centrată pe față sunt ocupate de atomii de Na și Cl din rețeaua de NaCl. Aceleași poziții sunt ocupate de carbon în rețeaua g - Fe.

Pe langa aceste goluri, reteaua fcc are goluri mai mici, numite tetraedrice, datorita faptului ca sunt inconjurate de 4 atomi. În total, există 8 goluri tetraedrice în rețeaua fcc (Figura 1.5, V).

Mărimea golurilor tetraedrice și octaedrice poate fi simțită dacă presupunem că rețeaua este construită din sfere rigide cu raza r în contact una cu cealaltă; în acest caz, în golurile existente ar putea fi plasate sfere cu raze de 0,41 r și, respectiv, 0,225 r pentru goluri octaedrice și tetraedrice.

Planurile cele mai dens împachetate din structura unui cub centrat pe fețe sunt planurile prezentate în figură. Simbolul lor este (111) (Figura 1.5., G).

Rețea cubică centrată pe corp Metalele A 2 (bcc) au a - Fe, crom, wolfram, molibden, vanadiu, sodiu, litiu și altele. Structura A 2 este mai puțin compactă.

Atomii dintr-o rețea bcc sunt localizați la vârfuri și în centrul celulei unitare (Figura 1.6).

Fiecare atom din această celulă are 8 cei mai apropiați vecini situati la o distanță de unde, O- lungimea muchiei cubului. Prin urmare, numărul de coordonare al rețelei este 8. Uneori se notează (8 + 6), deoarece următorii atomi cei mai îndepărtați sunt localizați la distanța a, numărul lor este 6.

Există, de asemenea, 2 tipuri de goluri în structura bcc. Cele mari ocupă poziții pe fețele cubului (Figura 1.6, V). Sunt inconjurati de 4 atomi situati la varfurile tetraedrului, ale caror margini sunt egale in perechi. Goluri mai mici, înconjurate de 6 atomi care ocupă locuri la vârfurile octaedrului neregulat, sunt situate în mijlocul marginilor și fețelor celulei (Figura 1.6, G). Dacă structura unei rețele bcc este construită din bile dure, atunci sferele cu o rază de 0,292 r pot fi plasate în goluri tetraedrice, iar sferele cu o rază de 0,292 r pot fi plasate în goluri octaedrice și 0,154 r în goluri octaedrice.

Astfel, dimensiunea maximă a unei sfere care poate fi plasată în golurile unei rețele fcc mai dens împachetate se dovedește a fi mai mare decât într-o rețea bcc.

Introducerea altor atomi în porul octaedric al rețelei bcc determină o deplasare a doi atomi într-o direcție paralelă cu marginea cubului, ceea ce determină expansiunea rețelei în această direcție. În structura martensitei, în care atomii de carbon sunt înglobați în goluri octaedrice situate doar pe muchii paralele cu axa C și în centrele fețelor perpendiculare pe această axă, aceasta duce la distorsiunea tetragonală a rețelei a - Fe.

Cele mai împachetate avioane bcc sunt 12 avioane din familia (110) (Figura 1.6. b). În aceste planuri există 2 direcții în care bilele rigide se pot atinge.

Rețea hexagonală compactă A3 (hcp) este posedat de metale precum Zn, b - Co, Cd, Mg, a - Ti, a - Zr.

Sita hexagonală este construită din straturi separate, și în așa fel încât fiecare atom al oricărui strat să fie înconjurat de 6 vecini aflați la distanțe egale aparținând aceluiași strat și, în plus, are trei vecini cei mai apropiați în straturile situate deasupra și sub acest strat (Figura 1.7).

Distanța dintre atomi în straturi hexagonale este notă cu O, înălțimea celulei până la c. Cei mai apropiati șase vecini situati în straturi adiacente vor fi, de asemenea, la o distanță de un atom dat dacă raportul axial s/a va fi, atunci o astfel de structură se numește compactă ideală. În plus, numărul de coordonare în acest caz, precum și în rețeaua fcc, este egal cu 12.

Majoritatea metalelor cu o rețea compactă hexagonală au un raport axial s/a= 1,56 - 1,63. Excepții sunt Zn și Cd (1,86; 1,89). Acest lucru se datorează faptului că norii de electroni ai atomilor de Zn și Cd nu au simetrie sferică și sunt alungiți de-a lungul axei C într-o rețea compactă hexagonală, precum și într-o rețea fcc, există 2 tipuri de goluri. : octaedric și tetraedric (Figura 1.7, b).

Diametrele sferelor dure care pot fi plasate în aceste goluri, precum și pentru fcc, sunt 0,41 r și 0,225 r.

Uită-te doar la construcția planurilor compacte ale rețelei FCC (111) (Figura 1.8, O) pentru a găsi o analogie completă în construcția atomilor din aceste două rețele. Diferența dintre aceste rețele este alternanța straturilor. Dacă într-o rețea hexagonală există o alternanță de straturi ABAB etc., atunci într-o rețea fcc: ABCABS (Figura 1.8, b), adică în acest caz, se utilizează a treia poziție posibilă a stratului compact.

Diferența dintre raportul de energie dintre aceste două rețele este nesemnificativă și, în legătură cu aceasta, succesiunea straturilor alternative poate fi ușor întreruptă în timpul deformării plastice, precum și ca urmare a apariției defectelor cristalului în timpul creșterii sale, așa-numitele defecte de stivuire.

Astfel, diferența aparentă în construcția rețelelor hcp și fcc nu este deloc mare (Figura 1.8).

Carbonul sub formă de diamant, siliciu, germaniu, a-stan (gri) au dublu cubic grătar tip diamant(Figura 1.9). Diferă de rețeaua fcc prin prezența a patru atomi suplimentari în patru din cele opt goluri tetraedrice. Ca urmare, structura se dovedește a fi mai liberă.

Fiecare atom de diamant este înconjurat de doar patru vecini cei mai apropiați, situati la colțurile unui tetraedru obișnuit. Numărul de coordonare al acestei structuri este 4.

După cum se arată mai sus, aceleași metale la temperaturi diferite pot avea structuri cristaline diferite, ceea ce este cauzat de alotropia lor.

O transformare alotropică (polimorfă) este o modificare a rețelei spațiale a unui corp cristalin.

Exemple de transformări alotrope includ transformarea formei alotrope de temperatură joasă a - Fe cu o rețea cubică centrată pe corp în forma de temperatură înaltă g - Fe cu o rețea cubică centrată pe față, la o temperatură de 910 ° C și transformarea ulterioară la o temperatură de 1392 ° C g - Fe în d - Fe cu o rețea cubică centrată pe corp similară cu a - Fe. Transformări similare pot fi observate la titan, zirconiu etc. În titan și zirconiu, forma alotropică la temperatură joasă este a - Ti, a - Zr cu o rețea hexagonală compactă. La temperaturi peste 882 °C pentru titan și 862 °C pentru zirconiu, se formează b - Ti și b - Zr, care au o rețea centrată pe corp.

După cum ați văzut, o transformare alotropică este atunci când structura atomică a unui solid cristalin se schimbă atunci când este încălzit și răcit. Procesul de rearanjare a rețelei cristaline în sine are loc izotermic la o temperatură constantă, curba de răcire a unui aliaj care suferă transformări alotropice este similară cu curba observată în timpul solidificării metalului lichid. Temperatura de tranziție se numește punctul critic de transformare. La temperatura (T 0) se observă un echilibru de fază a două varietăți alotrope.

Similar procesului de cristalizare, transformarea alotropică are loc cu absorbția căldurii în timpul încălzirii și eliberarea acesteia în timpul răcirii. Transformarea alotropică (tot prin analogie cu procesul de cristalizare) are loc prin formarea nucleelor ​​și creșterea ulterioară a acestora și, prin urmare, are loc întotdeauna cu prezența suprarăcirii (în timpul răcirii) și supraîncălzirii la încălzire.

Transformarea alotropică are loc, la fel ca și procesul de cristalizare, în legătură cu dorința sistemului de a reduce energia liberă.