Основні відомості про метали
Усі навколишні предмети складаються з речовин, які мають різні властивості. Ці властивості залежать від внутрішньої будови кожної речовини.
Сама ж речовина складається з великої кількості дрібних рухомих частинок, які, в свою чергу, складаються з надзвичайно малих атомів.
Кожен атом має у своєму складі ядро й електрони. Електрони обертаються навколо ядра. Ядро атома має дуже складну будову і складається з найдрібніших частинок, головні з них - позитивно заряджені протони і нейтральні (без електричних зарядів) - нейтрони.
Сукупність атомів, що мають однаковий заряд ядра, називаємо хімічними елементами.
Атом та його будова
Протони (+)+ Нейтрони (0)=ядро (+)
Ядро (+)+електрони (-)=0
Атоми здатні існувати самостійно або групуватися в молекули.
Сполучення атомів або молекул утворюють найрізноманітніші речовини, які поділяються на прості й складні.
Прості речовини (залізо, мідь, кисень та ін.) складаються з атомів або молекул одного елемента, а складні речовини (сталь, латунь, вуглекислий газ т а ін..) - із сполучення атомів двох і більше елементів.
У природі складних речовин значно більше, ніж простих.
Усі речовини можуть бути в газоподібному, рідкому та твердому станах.
Залежно від внутрішньої будови всі тверді речовини поділяються на кристалічні та аморфні.
Аморфні речовини (віск, скло та ін.) характеризуються хаотичним розташуванням атомів і молекул, а в кристалічних атоми розміщуються в певному порядку.
Усі метали та їхні сплави є кристалічними речовинами.
Що таке метал? На це питання М. В. Ломоносов говорив так: «Метали суть світлі тіла, які кувати можна».
Це найпростіше визначення не втратило свого значення і сьогодні.
Метали можна охарактеризувати такими властивостями: висока теплопровідність; електропровідність, яка із пониженням температури підвищується, причому деякі метали мають надпровідність; пластичність («кувати можна»); металевий блиск; магнітні властивості; постійну температуру кристалізації.
Велика частина (3/4) всіх хімічних елементів періодичної системи Д. І. Менделєєва - метали. За своїми властивостями вони відрізняються від неметалів: поєднують високу міцність і твердість з гарною пластичністю, мають ливарні властивості і можливістю механічної обробки, добре проводять тепло і електричний струм, але погано пропускають рентгенівські промені і відображають світлові хвилі. Ці властивості обумовлюються особливостями внутрішньої атомної будови металів.
Метали поділяються на чорні (залізо та сплави на його основі – сталі та чавуни) та кольорові (благородні – золото, срібло, платина; легкі – магній, алюміній; легкоплавкі – вісмут, свинець).
Кристалічна будова металів характеризується геометрично правильним розташуванням атомів у просторі. В площині атоми утворюють атомну сітку, а в просторі – атомно-кристалічну гратку.
Властивості металів визначаються певним типом кристалічної гратки. Переважна більшість металів має кубічну об'ємноцентровану, кубічну гранецентровану або гексагональну щільноукладену гратку.
В кристалічній гратці об'ємноцентрований куб (ОЦК) вісім атомів розташовано на перетині ребер куба і один — на перетині його діагоналей. Таку будову (ОЦК) мають метали: калій, натрій, β-титан, β-цирконій, тантал, вольфрам, ванадій, α-залізо, хром та інші.
Елементарна кристалічна гратка гранецентрований куб (ГЦК) має вісім атомів на перетині ребері шість атомів — на перетині діагоналей граней куба. Така будова властива для свинцю, нікелю, срібла, золота, платини, γ-заліза та інших металів.
У гексагональній щільноукладеній гратці (ГЩУ) атоми розташовані в кутах і в центрі основ шестигранної призми, а три атоми — між її основами, всього 17. Таку решітку мають магній, α-титан, кадмій, реній, осмій, рутеній, цинк, берилій та інші метали.
Елементарні кристалічні гратки:
а – об’ємноцентрований куб;
б - гранецентрований куб;
в – гексагональна гратка.
Один і той самий елемент, за умови різної будови кристалічної гратки, має абсолютно різні властивості, і, як наслідок, різне технологічне використання:
алмаз і графіт - це вуглець, але алмаз дуже твердий та прозорий, а графіт, м'який та крихкий, має чорний колір та не прозорий.
Дефекти кристалічної будови
Реальні кристали на відміну від ідеальних мають багато різних дефектів.
Під дефектом розуміють зону кристалу, де порушено правильне розташування атомів.
За геометричною ознакою дефекти кристалічної будови поділяють на: точкові, лінійні, поверхневі, об'ємні.
Точкові дефекти дуже малі в усіх трьох вимірах упросторі: їх розміри не перевищують декількох параметрів кристалічної гратки. До таких дефектів належать вакансії, міжвузлові атоми, атоми домішок тощо.
Вакансією називається порожнє місце в кристалі, де мав би перебувати атом. На місці, де перебував цей атом,утворилась вакансія, яку заповнює згодом інший атом. В результаті відбувається міграція вакансії в глибину кристалу.
Міжвузловим називають атом, що вийшов із положення рівноваги і зайняв простір між вузлами. На його місці утворилась вакансія.
Атоми домішок або заміщають атоми основного металу у вузлах кристалічної гратки, або розташовуються між вузлами. Такі спотворення суттєво не позначаються на механічних властивостях металу, зате вони позначаються на деяких його фізичних властивостях, наприклад на електроопорі.
Точкові дефект:
а – вакансія; б – міжвузловий атом;
в – атом домішки
Кристалізація металів
В розплавленому металі атоми знаходяться в хаотичному стані. Охолоджуючись, розплавлений метал твердішає. Перехід металу з рідкого стану в твердий супроводжується групуванням його атомів у кристалічні ґратки.
Процес утворення кристалічних ґраток під час охолодження розплавленого металу називається кристалізацією.
Кристалізація - це перехід металу з рідкого стану в твердий з утворенням кристалічної будови.
Кристалізація починається з того, що при зниженні температури до значення Ткпл починають утворюватися дрібні кристалики, які називаються центрами кристалізації (зародками). При подальшому зменшенні енергії металу відбувається зростання кристалів і в той же час в рідини виникають нові центри кристалізації, тобто процес кристалізації складається з двох одночасно відбуваються процесів: зародження нових центрів кристалів і росту кристалів з раніше утворених центрів.
Схема процесу кристалізації
Вплив швидкості охолодження на процес кристалізації:
а - повільне охолодження;
б - прискорене охолодження;
в - швидке охолодження
Властивості металів здебільшого залежать від того, як відбувається процес кристалізації.
Під час швидкого охолодження розплавленого металу і при великій кількості центрів кристалізації зерна зменшуються, що покращує механічні властивості металу - він стає міцнішим. Під час повільного охолодження та при невеликій кількості центрів кристалізації утворюються більші зерна, вони знижують міцність металу.
Для збільшення кількості центрів кристалізації в розплавлений метал вводять спеціальні речовини. Наприклад, до сірого чавуну додають магній.
Властивості кристалічних речовин залежать від розташування атомів у кристалічних ґратках. Через різні відстані між атомами сили взаємодії між ними в різних напрямках будуть неоднакові. Тому властивості кристалічних речовин в одному напрямку відрізняються від їхніх властивостей в іншому напрямку. Така різниця властивостей є однією з найважливіших особливостей кристалів. Під час удару, наприклад, кристалічна речовина розколюється на дрібні кристали, які зберігають форму великих кристалів. В аморфних речовинах такого явища не спостерігається. Вони від удару розколюються на грудки неправильної форми.
Характерною властивістю кристалічних речовин є те, що вони переходять з твердого стану в рідкий, з рідкого в твердий при визначеній постійній для даної речовини температурі. Ця температура називається температурою плавлення. Аморфні речовини не мають визначеної температури плавлення, під час нагрівання вони поступово розм'якшуються і переходять у рідкий стан.
Промисловість випускає багато різних за своїми властивостями сплавів, які застосовуються у техніці значно ширше, ніж чисті метали.