ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ из "Металловедение " Более двухсот лет назад великий русский ученый М. В. Ломоносов дал научное определение металлам Металлы суть светлые тела, которые ковать можно . Оно свидетельствует о том, что все металлы имеют характерный металлический блеск и пластичны. Сейчас к определению, данному М. В. Ломоносовым, можно добавить, что все металлы обладают также относительно высокой электро- и теплопроводностью и что электропроводность металлов с ростом температуры уменьшается. У некоторых металлов характерные металлические свойства выражены сильнее, у других — слабее. Характерные свойства металлов обусловлены их строением. [c.7] Каждый атом металла состоит из положительно заряженного тяжелого ядра, раодоложенного в центре, и окружающих ядро отрицательно заряженных электронов. Число электронов равно порядковому номеру элемента в таблице Д. И. Менделеева. В ядре атома находятся протоны и нейтроны. Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов заряды протонов и электронов взаимно уравновешиваются, поэтому атом электрически нейтрален. [c.7] Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Электроны движутся вокруг ядра с большой скоростью по орбитам, близким к круговым или эллиптическим. Они притягиваются к ядру по закону Кулона, т. е. с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между взаимодействующими частицами. На орбите электрон удерживают центробежные силы, уравновешивающие центростремительную силу от статического притяжения ядром. Электроны могут устойчиво перемещаться, не излучая энергии в окружающее пространство, только по определенным орбитам, положение которых определяется условиями квантовой механики. [c.7] В зависимости от запаса энергии электроны -одного атома могут принадлежать различным-слоям (энергетическим уровням). Все многообразие физико-химических свойств различных веществ определяется особенностями строения электронных оболочек их атомов. Внешние, так называемые валентные, электроны у всех металлов относительно слабо связаны с ядром. Элементы-металлы легко отдают внешние валентные электроны, вступая в химические реакции с элементами-неметаллами, при приложении ничтожной разности электрических потенциалов и т. д. Слабой связью внешних валентных электронов с ядром и объясняются характерные металлические свойства. [c.7] К металлам относится примерно /4 всех химических элементов. [c.7] При комнатной температуре все металлы, кроме ртути, представляют собой твердые тела, имеющие кристаллическое строение. Для кристаллов характерно строго определенное расположение в пространстве ионов, образующих кристаллическую решетку (рис. 1). [c.8] В кубической объемноцентрированной решетке восемь ионов располагаются по вершинам и один в центре куба, на пересечении диагоналей. Объемноцентрированную кубическую решетку имеют кристаллы железа при комнатной температуре, хрома, вольфрама, молибдена, ванадия и многих других металлов. Эта решетка характеризуется всего одним параметром решетки — расстоянием между центрами двух ионов, расположенных по одному ребру. На рис. 2, а параметр решетки обозначен а. У различных металлов, имеющих решетку объемиоцентрированного куба, параметры разные. Параметры решеток принято измерять в ангстремах (1 А = или килоиксах (1 кХ = 1,00202 А). [c.9] Металлы могут иметь кристаллические решетки и других типов, кроме рассмотренных нами. [c.9] Покажем, что все характерные свойства металлов обусловлены наличием электронного газа. Сначала рассмотрим природу сил взаимодействия между ионами и электронами в металлах и установим, почему металлы пластичны. [c.9] приложенная к металлу, вызывает деформацию. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузок, и пластической, остающейся после снятия нагрузок. На рис. 4, а показаны два ряда ионов в кристаллической решетке металла. Верхний ряд сдвигается относительно нижнего возрастающей силой Р. Если эта сила будет расти и вызовет смещение верхнего ряда ионов относительно нижнего на целый параметр решетки, то верхний ряд окажется опять в устойчивом положении (рис. 4, б). Вслед за ионами сместятся электроны. Сила взаимодействия между рядами атомов не будет нарушена. Произойдет остаточная деформация кристалла без его разрушения. Поэтому все металлы пластичны. [c.10] Рассмотрим, к каким последствиям приведет аналогичный сдвиг в кристалле с неметаллическим характером связи. Для примера возьмем кристалл поваренной соли, представляющий собой химическое соединение НаС1. В этом кристалле имеются положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора. [c.10] Характер взаимодействия между ионами электростатический. Ближайшими соседями положительно заряженного иона натрия являются отрицательно заряженные ионы хлора, и наоборот (рис. 4, в). Если увеличить силу Р, для того чтобы сдвинуть верхний ряд атомов относительно нижнего на целый параметр решетки, то в этом случае после сдвига одноименные ионы окажутся один против другого (рис. 4, г). Как известно, одноименные ионы отталкиваются. В результате по линии сдвига образуется трещина. [c.10] Все металлы обладают высокой электропроводностью, что объясняется слабой связью электронного газа с положительно заряженными ионами. Достаточно приложить небольшую разность электрических потенциалов к концам металлического тела, чтобы вызвать перемещение электронного газа, т. е. получить электрический ток. [c.11] Рассмотрим причины высокой теплопроводности металлов. Ионы в узлах кристаллической решетки совершают колебательные движения. Средняя амплитуда этих колебаний определяет температуру металла. Чем выше температура, тем больше средняя амплитуда колебаний. В неметаллах в передаче тепловой энергии от одного объема к другому принимают участие только ионы. В металлах, кроме ионов, в процессе передачи тепла участвует также легкоподвижный электронный газ. Поэтому скорость передачи тепла в металлах значительно выше, чем в неметаллах. [c.11] Такое строение металлов называется поликристаллическим. Схематически оно показано на рис. 5. По границам между зернами металла нарушается правильность строения кристаллической решетки. Обычно зерна повернуты произвольно. [c.12] Для научных целей путем очень медленного охлаждения можно получить весьма крупные куски металла, масса которых составляет несколько сот граммов, представляющих собой один кристалл. Их называют монокристаллами. [c.12] Вернуться к основной статье