Атомно-кристалічна структура металів
Під атомно-кристалічною структурою розуміють взаємне розташування атомів (іонів), що існує в реальному кристалі.
У твердому стані метал представляє собою споруду, що складається з позитивно заряджених іонів, що омиваються «газом» з вільних колективізованих електронів. Зв'язок в металі здійснюється електростатичними силами. Між іонами і колективізованими електронами провідності виникають електростатичні сили тяжіння, які стягують іони. Такий зв'язок називається металевої.
Сили зв'язку в металах визначаються силами відштовхування і силами тяжіння між іонами і електронами. Атоми (іони) розташовуються на такій відстані один від іншого, при якому енергія взаємодії мінімальна.
Мал. 4. Схема енергії взаємодії двох атомів залежно від міжатомної відстані
Мал. 5. Схема кристалічної решітки
Як видно з рис. 4, цим положенням відповідає рівноважний відстань а0. Зближення атомів (іонів) на відстань, меншу а0, або видалення їх на відстань, більшу а0, можна здійснити лише при вчиненні певної роботи проти сил відштовхування і тяжіння.
Тому в металі атоми розташовуються закономірно, утворюючи правильну кристалічну решітку, що відповідає мінімальній енергії взаємодії атомів.
Кристалічна решітка
Кристалічна решітка (рис. 5) складається з уявних ліній і площин, що проходять через точки розташування іонів в просторі. Жирними лініями виведений найменший паралелепіпед, послідовним переміщенням якого уздовж трьох своїх осей може бути побудований весь кристал.
Цей найменший обсяг кристала, що дає уявлення про атомну структуру металу в будь-якому обсязі, отримав назву елементарних кристалічних осередки.
Для однозначної її характеристики необхідно знати наступні величини: три ребра (а, b і с) і три кути між осями.
Більшість металів утворює одну з наступних високосімметрічних решіток з щільною упаковкою атомів: кубічну об'ємно центровану, кубічну гранецентрированную і гексагональну (рис. 6).
Як видно з рис. 6, а, в кубічної об'ємно центрованої решітці (ОЦК) атоми розташовані у вершинах куба і один атом в центрі обсягу куба. Кубічну об'ємно центровану грати мають метали: РЬ, К, Na, Li, Тi, Zr, Та, W, V, Fe, Cr, Nb, Ва і ін.
Мал. 6. Кристалічні решітки металів: а - об'ємно центрована кубічна (ОЦК); б - гранецентрированная кубічна (ГЦК); в - гексагональна щільноупакована (ГПУ)
гранецентрована решітка
У кубічної гранецентрированной решітці (ГЦК) атоми розташовані у вершинах куба і в центрі кожної грані (рис. 6, б).
У гексагональної решітці (рис. 6, в) атоми розташовані у вершинах і центрі шестигранних підстав призми, а три атома - в середній площині призми.
Відстані a, b, с між центрами найближчих атомів в елементарній комірці називаються періодами решітки. Період решітки виражається в нанометрах (1 нм = 10-9 см).
Періоди решітки для більшості металів знаходяться в межах 0,1-0,7 нм.
На одну елементарну комірку об'ємно центрованої решітки припадають два атома: один в центрі куба і інший вносять атоми, розташовані в вершинах куба (кожен атом в вершині куба одночасно належить восьми зв'язаних елементарним осередкам і на дану комірку припадає лише 1/8 маси цього атома, а на всю осередок 1/8 X 8 = 1 атом).
На елементарну комірку гранецентрированной кубічної решітки припадають чотири атома; з них один (за таким же розрахунком, як і для об'ємно центрованої кубічної решітки) вносять атоми в вершинах куба, а три сумарно ((1/2) X 6 = 3) вносять атоми, що знаходяться на середині грані, так як кожен з таких атомів належить двом грат.
Мал. 7. Схема, що показує число атомів, що знаходяться на рівному і найменшій відстані від даного атома А в різних кристалічних решітках (С. С. Штейнберг): а - К8; б - К12; в - Г12
На елементарну комірку гексагональної плотноупакованной решітки припадають шість атомів (3 + (1/6) X 12 + (1/2) х 2 = 6).
Щільність кристалічної решітки - обсягу, зайнятого атомами, які умовно можна розглядати як жорсткі кулі, характеризується координаційним числом, під яким розуміють число атомів, що знаходяться на рівному і найменшій відстані від даного атома. Чим вище координаційне число, тим більше щільність упаковки атомів.
В елементарній комірці об'ємно центрованої кубічної решітки найменша відстань між атомами відповідає d = 0,5 А \ / 3. На цьому відстань від даного атома знаходяться 8 сусідів (рис. 7, а). Отже, координаційне число для ОЦК решітки відповідає 8 і позначається К8. Коефіцієнт компактності осередку, який визначається як відношення обсягу, зайнятого атомами, до обсягу осередку становить для ОЦК решітки 68%.
Для гранецентрированной кубічної решітки координаційне число дорівнює 12 (К12); кожен атом має 12 найближчих сусідів на відстані d = 0,5 А \ / 2 (рис. 7, б), що відповідає найбільшої щільності упаковки або укладання у вигляді куль. Гексагональна щільно упакована решітка, для якої с / a = 1,633, має координаційне число 12 (Г12), що також відповідає найбільшої щільності упаковки куль (атомів) (рис. 7, в). У багатьох металів, що кристалізуються в гексагональної системі, ставлення c / a знаходиться в межах 1,57 - 1,64, т. Е. Може відхилятися від дуже ретельним упаковки, при якій c / a = 1,633. Якщо відношення с / а значно відрізняється від 1,633 (наприклад, для цинку і кадмію), то координаційне число гексагональної решітки відповідає 6.
Гранецентрована кубічна і гексагональна щільно-упакована (с / а = 1,633) решітки - найбільш компактні; в них коефіцієнт компактності дорівнює 74%.
При зменшенні координаційного числа в гексагональної решітці з 12 до 6 коефіцієнт компактності становить близько 50%, а при координаційній числі 4 - всього близько 25%.
Половину найменшої відстані між атомами в їх кристалічній решітці називають атомним радіусом. Атомний радіус зростає при зменшенні координаційного числа, так як при цьому збільшується простір між атомами. Тому атомні радіуси різних металів зазвичай наводяться до К12.