Будова атомів металів
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
Будова атомів металів
Серед безлічі матеріалів, здавна відомих людині і широко використовуваних нею у своєму житті й діяльності, метали завжди посідали особливе місце: і в назвах епох (золотого, срібного, бронзового, залізного віку), на які греки поділяли історію людства; і в археологічних знахідках металевих виробів (куті мідні прикраси, сільськогосподарські знаряддя); і в повсюдному використанні металів і сплавів у сучасній техніці.
Метали - найпоширеніші в природі елементи. Причина цього - в особливих властивостях металів, що вигідно відрізняють їх від інших матеріалів і роблять у багатьох випадках незамінними. Вони складають один із класів конструкційних матеріалів, що характеризується визначеним набором властивостей:
металевий блиск (гарна відбивна здатність);
пластичність;
висока теплопровідність;
висока електропровідність.
З позиції хімії метали (їх близько 80) - це елементи, атоми яких складаються з позитивно зарядженого ядра, навколо якого на різній відстані обертаються негативно заряджені електрони, утворюючи певні електронні оболонки. Зовнішня електронна оболонка металів містить невелику кількість електронів (1...2). Сила притягування ядра атома щодо зовнішніх (валентних) електронів значною мірою компенсується електронами внутрішніх оболонок. Тому атоми металів досить легко втрачають зовнішні електрони і перетворюються на позитивно заряджені іони. Вільні електрони легко пересуваються в усіх напрямках між утвореними позитивно зарядженими іонами, нагадуючи рух частинок газу (електронний газ). Існування водночас нейтральних та іонізованих атомів і вільних електронів є підставою для уявлень щодо особливого типу міжатомного звязку, притаманного тільки металам, - металевого. У металі постійно відбувається обмін електронами між нейтральними й іонізованими атомами, завжди є певна кількість електронів, що на даний момент не належать якомусь з атомів. Якщо створити у металі різницю потенціалів, рух електронів набуде певного напрямку і виникне електричний струм. Наявністю вільних (колективізованих) електронів пояснюють існування спільних для всіх металів властивостей (пластичність, непрозорість, блиск, високі електро- і теплопровідність), а їх кількість визначає різний ступінь металевості окремих металів.
Метал як хімічний елемент може бути компонентом, тобто речовиною, яка утворює систему і входить до складу сплавів з двох або кількох елементів.
Кожний метал (речовина) може перебувати у трьох агрегатних станах: газоподібному, рідкому і твердому.
У газоподібному металі відстань між атомами (частинками) велика, сили взаємодії є малими й атоми хаотично пересуваються у просторі й відштовхуються один від одного. У газоподібному стані атоми мають більшу кінетичну енергію.
У рідкому стані атоми (частинки) зберігають лише так званий близький порядок, тобто в обємі закономірно розташована невелика кількість атомів, а не атоми всього обєму. Близький порядок є нестійким.
Будова рідких металів і сплавів певною мірою впливає на формування деяких особливостей їх будови в твердому стані, що має експериментальні підтвердження за допомогою сучасних методів досліджень і використовується при розробленні технології виплавки і твердіння сплавів.
Рідкі метали, як і кристалічні, характеризуються близькими значеннями густини, тому їх обєднують під назвою конденсованих фаз. Вони суттєво відрізняються від металевого газу. Кристалічний метал характеризується далеким порядком розташування атомів, тобто повністю закономірне розміщення атомів у просторі спостерігається на великих відстанях від окремо взятого (даного атома). В рідкому металі впорядковане розташування спостерігається тільки в найближчому оточенні певного атома, тому будова рідкого металу характеризується наявністю близького порядку.
Властивості металів зумовлює їх атомна будова і кристалічна структура. Залежно від будови і властивостей метали обєднують у різні групи. За загальною і найпоширенішою класифікацією метали поділяють на дві групи: чорні й кольорові (рис. 1.1). До чорних металів належать залізо та його сплави (сталь, чавун), а до кольорових - решта металів.
Рис. 1.1 Загальна класифікація металів
За класифікацією О. П. Гуляєва чорні метали мають темно-сірий колір, вищі температури плавлення, значну твердість і густину, здатні до поліморфних перетворень (окрім Ni). Серед них розрізняють:
залізні - Fe, Co, Ni, Mn;
тугоплавкі - температура плавлення яких вища за температуру плавлення заліза (понад 1539 С) - W, Mo, Re, Nb, Ti, V, Cr;
уранові - актиніди;
рідкісноземельні (РЗМ) - La, Ce, Nd, Pr та інші.
У техніці використовується понад 90 % чорних металів.
До кольорових належить решта металів. Характерним для них є забарвлення (червоне, жовте, біле), висока пластичність, низька твердість, відносно низька температура плавлення, відсутність поліморфізму. Типовим представником групи кольорових металів є мідь і сплави на її основі (бронза, латунь). Серед кольорових металів розрізняють:
легкі (Мg, Ве, Аl, Ті), які мають малу густину;
легкоплавкі (Zn, Cd, Hg, Sn, Pb, Bi, Tl, Sb) з температурою плавлення, нижчою від заліза;
тугоплавкі (W, Мо, Nb, Та) з температурою плавлення вищою, ніж у заліза;
благородні (Аg, Аu, Рt) з високою стійкістю проти корозії;
уранові (актиніди), які використовуються в атомній техніці;
рідкісноземельні (РЗМ) - лантаноїди;
лужні (Na, К, Zn) - у віл