Строение и свойства металлов

В статье рассмотрены следующие вопросы: строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов: s-, p- и d-элементы, электронная конфигурация атомов и ионов, основное и возбужденное состояние атомов.

Классификация элементов по типу электронной конфигурации атомов

В современной теории строения атомов выделяют 4 типа элементов в зависимости от электронной конфигурации их атомов.

sэлементы

, у этих элементов последней заполняется электронами

внешняя ns-орбиталь

;

pэлементы, у них идет заполнение внешних np-орбиталей;

dэлементы, у которых идет заполнение d-орбиталей предпоследнего электронного слоя;

f элементы, у которых заполняются (n-2) f-орбитали. В данном курсе f-элементы не обсуждаются.

В современном длиннопериодном варианте периодической таблицы элементы каждого типа объединены в отдельный блок. В этом варианте таблицы выделяют 18 групп, их нумерацию выполняют арабскими цифрами. Двойная нумерация групп приведена для совмещения с традиционной таблицей Менделеева. Пример, элемент Zn находится в 12 или во II Б группе.

  • Общие сведения о строении металлов

    Металлы можно охарактеризовать при помощи нескольких свойств, которые будут общими для всех элементов. К таким характеристикам следует отнести высокую электрическую проводимость и теплопроводность, пластичность, благодаря которой металлы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке или вытягиванию в проволоку, металлический блеск и непрозрачность.

    В зависимости от температуры кипения все металлы подразделяют на тугоплавкие (Tкип> 1000oС) и легкоплавкие (Tкип< 1000oС). Примером тугоплавких металлов может быть – Au, Cu, Ni, W, легкоплавких – Hg, K, Al, Zn.

    Строение

    Электронное строение атома металла включает:

    • положительно заряженное ядро;
    • отрицательно заряженные электроны.

    Ядро состоит из протонов и нейтронов. Количество протонов, заряд ядра и число электронов соответствуют порядковому номеру металла в периодической таблице.

    Электроны в металлических атомах расположены намного дальше от ядра, чем электроны неметаллов. Этим объясняется лёгкость отделения валентных электронов, поэтому металлы всегда являются восстановителями в химических реакциях.

    Атомы всех металлов, за исключением ртути, образуют кристаллические решётки. Кристаллическая решётка состоит из повторяющихся комплексов атомов – элементарных кристаллических ячеек, которые бывают трёх видов. Их отличия описаны в таблице строения металлов.

    Вид решётки

    Характеристика

    Примеры

    Кубическая объёмно-центрированная (ОЦК)

    Восемь ионов находятся по углам условного куба, один – в середине

    Fe, Cr, Mo, W, V

    Кубическая гранецентрированная

    Ионы располагаются в углах куба и в центре каждой грани. Центр куба свободен

    Cu, Ag, Ni, Pb, Al

    Гексагональная плотноупакованная

    Шестигранная призма. В углах и в центре между ними находятся ионы. Посередине призмы лежат ионы, образующие треугольник

    Zn, Ti, Mg, Co, Zr

    Виды решёток металлов

    Рис. 1. Виды решёток металлов.

    Строение  электронной оболочки

    Согласно квантовой модели строение атома Нильса Бора, электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным) орбитам, удаленным от ядра на определенное расстояние и характеризующиеся определенной энергией. Другое название стационарны орбит — электронные слои или энергетические уровни.

    Электронные уровни можно обозначать цифрами — 1, 2, 3, …, n. Номер слоя увеличивается мере удаления его от ядра. Номер уровня соответствует главному квантовому числу n.

    В одном слое электроны могут двигаться по разным траекториям. Траекторию орбиты характеризует электронный подуровень. Тип подуровня характеризует орбитальное квантовое число l = 0,1, 2, 3 …, либо соответствующие буквы — s, p, d, g и др.

    В рамках одного подуровня (электронных орбиталей одного типа) возможны варианты расположения орбиталей в пространстве. Чем сложнее геометрия орбиталей данного подуровня, тем больше вариантов их расположения в пространстве. Общее число орбиталей подуровня данного типа l можно определить по формуле: 2l+1. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов.

    Тип орбитали s p d f g
    Значение орбитального квантового числа l 0 1 2 3 4
    Число атомных орбиталей данного типа 2l+1 1 3 5 7 9
    Максимальное количество электронов на орбиталях данного типа 2 6 10 14 18

    Получаем сводную таблицу:

    Заполнение электронами энергетических орбиталей происходит согласно некоторым основным правилам. Давайте остановимся на них подробно.

    Принцип Паули (запрет Паули): на одной атомной орбитали могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами (спин — это квантовомеханическая характеристика движения электрона).

    Правило Хунда. На атомных орбиталях с одинаковой энергией электроны располагаются по одному с параллельными спинами. Т.е. орбитали одного подуровня заполняются так: сначала на каждую орбиталь распределяется по одному электрону. Только когда во всех орбиталях данного подуровня распределено по одному электрону, занимаем орбитали вторыми электронами, с противоположными спинами.

    Таким образом, сумма спиновых квантовых чисел таких электронов на одном энергетическом подуровне (оболочке) будет максимальной.

    Например, заполнение 2р-орбитали тремя электронами будет происходить так: , а не так: 

    Принцип минимума энергии. Электроны заполняют сначала орбитали с наименьшей энергией. Энергия атомной орбитали эквивалентна сумме главного и орбитального квантовых чисел: n + l. Если сумма одинаковая, то заполняется первой та орбиталь, у которой меньше главное квантовое число n.

    АО 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g
    n 1 2 2 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 5
    l 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 0 1 2 3 4
    n + l 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7 8 9

    Таким образом, энергетический ряд орбиталей выглядит так:

    1s < 2s < 2 p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f~5d < 6p < 7s <5f~6

    Электронную структуру атома можно представлять в разных формах — энергетическая диаграмма, электронная формула и др. Разберем основные.

    Энергетическая диаграмма атома — это схематическое изображение орбиталей с учетом их энергии. Диаграмма показывает расположение электронов на энергетических уровнях и подуровнях. Заполнение орбиталей происходит согласно квантовым принципам.

    Например, энергетическая диаграмма для атома углерода:

    Электронная формула — это запись распределения электронов по орбиталям атома или иона. Сначала указывается номер уровня, затем тип орбитали. Верхний индекс справа от буквы показывает число электронов на орбитали. Орбитали указываются в порядке заполнения. Запись 1s2 означает, что на 1 уровне s-подуровне расположено 2 электрона.

    Например, электронная формула углерода выглядит так: 1s22s22p2.

    Для краткости записи, вместо энергетических орбиталей, полностью заполненных электронами, иногда используют символ ближайшего благородного газа (элемента VIIIА группы), имеющего соответствующую  электронную конфигурацию.

    Например, электронную формулу азота можно записать так: 1s22s22p3 или так: [He]2s22p3.

    1s2 = [He]

    1s22s22p6 = [Ne]

    1s22s22p63s23p6 = [Ar] и так далее.

    Учебные материалы

    Реальные металлы, которые используют в качестве конструкционных материалов, состоят из большого числа кристаллов неправильной формы. Эти кристаллы называют зернами, или кристаллитами, а строение — поликристаллическим, или зернистым.

    Существующие технологии производства металлов не позволяют получить их идеальной чистоты, поэтому реальные металлы содержат примесные атомы. Любой металл, содержащий 99,9% — химически чистый, 99,99% — высокочистый, 99,999% — сверхчистый.

    Атомы любых примесей по своим размерам и по своему строению резко отличаются от атомов основного компонента, поэтому силовое поле внутри реального металла и его строение сильно отличаются от теоретического. Дефекты кристаллического строения подразделяются по геометрическим признакам на поверхностные, точечные и линейные.

    Поверхностные дефекты представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или субзернами в поликристаллическом металле; к ним относятся также дефекты упаковки.

    Границы между отдельными зернами представляют переходную область шириной до нескольких десятков межатомных расстояний, в которой решетка одного зерна, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого зерна, имеющего иную кристаллографическую ориентацию (рисунок 5, а). Поэтому на границе зерна наблюдается искаженное кристаллическое строение и более высокое энергетическое состояние. Кроме того, на границах зерен в технических металлах скапливаются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Это определяет особенности поведения границ зерен при механическом, температурном и химическом воздействии.

    В результате нарушенного строения границы ослабляют или упрочняют металл, что приводит соответственно к межкристаллитному (межзеренному) или транскристаллитному (по телу зерна) разрушению. Под действием высоких температур металл стремится уменьшить поверхностную энергию границ зерен за счет роста зерен и сокращения протяженности их границ. При химическом воздействии границы зерен оказываются более активными и вследствие этого коррозионное разрушение начинается по границам зерен (это лежит в основе микроанализа металлов при изготовлении шлифов).

    а – графит

    б – алмаз

    в — фуллерен С60

    Рисунок 4 — Полиморфные модификации углерода

    Есть еще один источник поверхностного искажения кристаллического строения металла. Если рассмотреть зерно при большом увеличении, то окажется, что внутри его имеются участки, разориентированные друг относительно друга на угол 15’…30′. Такая структура называется блочной, или мозаичной, а области — блоками мозаики (рисунок 5, б).

    Свойства металлов будут зависеть как от размеров блоков и зерен, так и от их взаимной ориентации.

    а — границы зерен поликристаллического строения металлов;

    б — участки разориентированной структуры зерна — блоки мозаики

    Рисунок 5 — Источники поверхностных дефектов

    Изучение строения металлов рентгеноструктурным анализом и электронной микроскопией позволило установить, что внутреннее кристаллическое строение зерна или блока не является правильным. В кристаллических решетках реальных металлов существуют дефекты, которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. К ним относятся точечные и линейные дефекты.

    Точечные дефекты малы в трех измерениях и размерами приближаются к точке. Виды этих дефектов приведены на рисунке 6.

    Одним из распространенных дефектов является вакансия, т. е. место, не занятое атомом (дефект Шоттки). На место вакантного узла может перемещаться новый атом, а вакантное место — ”дырка” — образуется по соседству.

    С повышением температуры концентрация вакансий возрастает, так как атомы, расположенные вблизи поверхности, могут выйти на поверхность кристалла, а их место займут атомы, находящиеся дальше от поверхности.

    С повышением температуры концентрация вакансий возрастает, так как атомы, расположенные вблизи поверхности, могут выйти на поверхность кристалла, а их место займут атомы, находящиеся дальше от поверхности.

    Наличие вакансий в решетке сообщает атомам подвижность, т.е. позволяет им перемещаться в процессе самодиффузии и диффузии и тем самым оказывает влияние на такие процессы, как старение, выделение вторичных фаз и т.п.

    Другими точечными дефектами являются дислоцированные атомы (дефект Френкеля), т.е. атомы собственного металла, вышедшие из узла решетки и занявшие место где-то в междоузлии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия. Концентрация таких дефектов невелика, т.к. для их образования требуется существенная затрата энергии.

    а б в

    а — вакансия; б — замещенный атом; в — внедренный атом

    Рисунок 6 — Виды точечных дефектов

    а б

    а — краевая дислокация; б — винтовая дислокация

    Рисунок 7 — Виды дислокаций

    В любом металле присутствуют чужеродные атомы примесей, которые занимают в кристаллической решетке либо места основных атомов (замещение), либо внедряются внутрь ячейки (внедрение).

    Вокруг точечных дефектов нарушаются правильность кристаллического строения, силовое поле атомов во всех направлениях.

    Линейные дефекты малы в двух измерениях, в третьем они могут достигать длины кристалла (зерна). К линейным дефектам относятся цепочки вакансий, межузельных атомов и дислокации. Дислокации являются особым видом несовершенств в кристаллической решетке. С позиции теории дислокаций рассматриваются прочность, фазовые и структурные превращения.

    Дислокацией называется линейное несовершенство, образующее внутри кристалла зону сдвига.

    Дислокации бывают краевые и винтовые (рисунок 7).

    Краевая дислокация образуется, если внутри кристалла появляется лишняя полуплоскость атомов, которая называется экстраплоскостью. Ее край 1-1 создает линейный дефект решетки, который называется краевой дислокацией. Условно принято, что дислокация положительная, если она находится в верхней части кристалла и обозначается знаком ”^”, если дислокация находится в нижней части — отрицательная (“┬“). Дислокации одного и того же знака отталкиваются, а противоположного — притягиваются. Под воздействием напряжения краевая дислокация может перемещаться по кристаллу (по плоскости сдвига), пока не достигнет границы зерна (блока). При этом образуется ступенька величиной в одно межатомное расстояние.

    Винтовая дислокация (рисунок 7, б). Образуется неполным сдвигом кристалла по плотности Q. В отличие от краевой дислокации винтовая дислокация параллельна вектору сдвига. Она называется правой, если образована движением по часовой стрелке, и левой – против часовой стрелки.

    Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов при ”захлопывании” группы вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений. Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций. Под плотностью r дислокаций понимают суммарную длину дислокаций Sl (см), приходящуюся на единицу объема V кристалла (см3). Таким образом. размерность плотности дислокаций, см-2, у отожженных металлов — 106…108 см-2. При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 1011…1012 см-2. Более высокая плотность дислокаций приводит к появлению микротрещин и разрушению металла.

    Дислокации наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выпадении второй фазы из твердого раствора. Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

    Все перечисленные дефекты кристаллического строения приводят к появлению внутренних напряжений. По величине объема, где они уравновешиваются, различают напряжения I, II и III рода.

    • Внутренние напряжения I рода — это зональные напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения или между отдельными частями детали. К ним относятся термические напряжения, которые появляются при ускоренном нагреве и охлаждении при сварке, термической обработке.
    • Внутренние напряжения II рода — возникают внутри зерна или между соседними зернами, обусловлены дислокационной структурой металла.
    • Внутренние напряжения III рода — возникают внутри объема порядка нескольких элементарных ячеек; главным источником являются точечные дефекты.

    Внутренние остаточные напряжения являются опасными, так как складываются с действующими рабочими напряжениями и могут привести к преждевременному разрушению конструкции. Для снятия внутренних остаточных напряжений проводится отжиг I рода.

    Энергетические условия и механизм процесса кристаллизации > Дальше >

    Физические свойства

    Металлы отличаются от неметаллов характерными физическими свойствами:

    • имеют металлический блеск;
    • проводят электрический ток и тепло;
    • не имеют запаха;
    • обладают серебристо-серым цветом (исключение – медь и золото).

    Благодаря пластичности и плавке металлы могут образовывать сплавы – смеси химических элементов. Большую часть сплавов составляют металлы, остальное – случайные примеси и специально вводимые вещества. Сплавы отличаются высокой прочностью, упругостью, хрупкостью. Широко применяются сплавы на основе железа (чёрные металлы) и алюминия (цветные металлы).

    Высокую электропроводность обуславливают свободные электроны, перемещающиеся по кристаллической решётке под действием электрических полей. При нагревании электропроводность уменьшается.

    Особенности строения твердых и жидких тел

    Состав, строение и свойства металлических сплавов

    Перед тем как дать ответ на вопрос о том, что такое плавление, следует рассмотреть особенности строения твердых и жидких тел.

    Первые характеризуются наличием постоянной формы, любому изменению которой они оказывают сопротивление. Твердые тела обладают упругостью, отсутствием текучести. Расстояния между частицами, образующими твердое тело, являются небольшими, а силы связи между этими частицами являются значительными в сравнении с таковыми для жидкостей и газов. Силы связи в твердых телах могут иметь различную химическую природу (ван-дер-ваальсовые, металлические, ковалентные, ионные). Существует два способа организации твердых тел:

    • кристаллические структуры, когда атомы или молекулы тела расположены в определенных позициях в пространстве, например, металлы;
    • аморфные структуры, в которых атомы или молекулы расположены хаотичным способом, например, стекло.

    В жидкостях атомы и молекулы расположены дальше друг от друга, чем в твердых телах, поэтому они слабее связаны. Жидкость сохраняет объем при данных условиях, но не сохраняет форму и обладает хорошей текучестью. Частицы жидкости расположены хаотично относительно друг друга.

    Следует отметить важный момент, атомы или молекулы в твердом теле находятся в определенных положениях, которые они очень медленно изменяют (например, в процессах диффузии), а вот частицы жидкости постоянно перескакивают из одного положения в другое.

    Виды

    Классификация металлов приведена в таблице.

    Признак

    Вид

    Пример

    Температура кипения

    Легкоплавкие (Т<1000°С)

    K, Al, Zn

    Тугоплавкие (Т>1000°С)

    Au, Cu, Ni

    Плотность

    Лёгкие (ρ<5 г/см3)

    Li

    Тяжёлые (ρ>5 г/см3)

    Os

    Твёрдость

    Мягкие – режутся ножом

    Na, Rb, Cs

    Твёрдые – используются для резки

    Cr

    В химии по структуре орбиталей атома металла различают s-, p-, d-, f-металлы.

    Строение металлов. Часть 3.

    Химические свойства щелочноземельных металлов. перечень щелочноземельных металлов

    Основные положения пленочной теории пассивного состояния металлов были высказаны английским ученым М. Фарадеем в 1836 г. Согласно взглядам Фарадея, пассивное состояние, т. е. такое состояние, когда металл не разрушается под влиянием внешней среды, объясняется тем. что поверхность металла покрывается слоем окисла металла и кислорода, предупреждающим дальнейшее его разрушение. Однако многие ученые возражали против теории пассивности металлов, потому что окисные пленки были невидимы и существование их было сомнительно. Только за последнее время при помощи тонких оптических методов было установлено наличие таких невидимых пленок на поверхности железа в пассивном состоянии. Толщина этих пленок достигала 40—100 Å. Условия возникновения тонких пленок, делающих металл пассивным, были изучены английским ученым Ю. Р. Эвансом и советским ученым В. А. Кистяковским. Пассивность металла, по его (Кистяковского) утверждению, вызывается образованием на поверхности металла тонкой, бесцветной стекловидной и неэлектропроводной пленки окисла, которая надежно защищает металл от воздействия внешней среды. Кистяковский показал, что пассивной пленкой на поверхности металла является не всякая, которая появляется в результате взаимодействия металла с кислородом, а только такая, которая появляется на поверхности, подвергшейся особой обработке, например, полировке.

    Почему защитные пленки возникают только на поверхности, тщательно отшлифованной и отполированной, в то время как металл, грубо обработанный, не образует такого рода пассивной пленки? Оказалось, что при его обработке (шлифовке и полировке) кристаллы поверхностного слоя разрушаются, сжимаются и на поверхности образуется тонкий аморфный слой, т. е. слой с разрушенными кристаллами (рис. 14). Этот слой однороден и, более активно взаимодействуя с кислородом, образует стекловидную защитную пленку. В зависимости от условий возникновения строение и толщина пленки могут быть различными. Пленка может быть пористой. Через эти поры к металлу проникают вещества, которые вызывают дальнейшую его коррозию. Тогда пленка уже не играет защитной роли, а, наоборот, способствует развитию коррозии. Присутствие таких пленок на металле Кистяковский назвал активным состоянием поверхности металла, в отличие от пассивного состояния, когда пленка предохраняет металл от разрушения. В зависимости от условий возможен самопроизвольный переход от одного состояния поверхности металла к другому. Эта теория Кистяковского была подтверждена исследованиями как наших отечественных, так и зарубежных ученых.

    Рис. 14. Строение металла с шлифованной поверхностью.

    В зависимости от условий образования пленок их можно разделить на группы:

    1.Пленки не содержат пор, трещин и полностью изолируют металл от коррозионной среды. Такие пленки получают на поверхности стальных и железных изделий, тщательно отполированных и отшлифованных, а также таких хорошо окисляющихся металлов, как алюминий и цинк.

    2.Пассивной может быть пленка, имеющая поры. Торможение процесса коррозии в этих случаях может происходить за счет сопротивления, которое оказывают поры протеканию электронов с анодных участков на катодные.

    3.Наконец, могут образоваться толстые пленки, рыхлые, с трещинами, свободно пропускающими кислород воздуха к поверхности металла, а также другие газы и пары воды. Такие пленки не защищают металл от коррозии, а, наоборот, усиливают ее. Примером такой пленки может служить ржавчина.

    Следовательно, не всякая пленка может защищать поверхность металла. Наряду с пленочной теорией пассивности металла имеется еще так называемая адсорбционная теория пассивности. Сущность адсорбционной теории сводится к тому, что пленки создают не на всех участках металла, а только на катодах и анодах и тем самым разрушают работу микрогальванических элементов на поверхности, делая ее пассивной.

    Страницы: 3

    Химические свойства

    Металлы являются восстановителями и вступают в реакцию с неметаллами, образуя оксиды, гидроксиды, соли. Самыми активными являются щелочные и щелочноземельные металлы, расположенные в I и II группах таблицы Менделеева. Благородные металлы (Au, Ag, Pt) малоактивны и не взаимодействуют с кислородом и водой.

    Шкала активности металлов

    Рис. 2. Шкала активности металлов.

    Особенности химического взаимодействия металлов с другими элементами описаны в таблице.

    Взаимодействие

    Продукты

    Уравнение

    С кислородом

    Оксиды

    2Mg + O2 → 2MgO

    С серой

    Сульфиды

    Zn + S → ZnS

    С азотом

    Нитриды

    6Li + N2 → 2Li3N

    С фосфором

    Фосфиды

    3Ca + 2P → Ca3P2

    С галогенами

    Галогениды

    2Na + Cl2 → 2NaCl

    С водой

    Гидроксиды

    2Na + 2H2O → 2NaOH + H2

    С кислотами

    Соли

    2Al + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2

    С солями (замещают менее активные металлы)

    Соль

    2Fe + Cu2SO4 → Fe2SO4 + 2Cu

    Золото растворяется в царской водке (смеси соляной и азотной кислот), серебро – в концентрированной азотной и горячей серной кислотах.

    Золото

    Рис. 3. Золото.

    Что мы узнали?

    Рассмотрели особенности строения атомов металлов, физические и химические свойства. Металлы состоят из элементарных кристаллических ячеек, отличающихся конфигурацией. Элементы обладают металлическим блеском, электропроводностью, пластичностью, твёрдостью. Металлы – восстановители. Наиболее активные находятся в I и II группах таблицы Менделеева. Металлы реагируют с кислородом, водой, кислотами, галогенами и неметаллами.

    Тест по теме

    Доска почёта

    Чтобы попасть сюда – пройдите тест.

    • 
    • WAILuhaa1yUMMCOq8js75eCkHggHMRPNernJXOI2r9iMivKxHYewlBlCVL74-AFLI75uX9GmK7Ml8DvFVNh261y8.jpg?size=50x0&quality=96&crop=0,0,200,200&ava=1

      Александр Котков

      10/10

    • txq12NBRZ2o.jpg?ava=1

      Hoyr Hftx

      10/10

    • pa50qzWKI80.jpg?ava=1

      Александр Котков

      10/10

    • camera_50.png?ava=1

      Сергей Ефремов

      6/10

    Оценка доклада

    Средняя оценка: 4.7. Всего получено оценок: 290.

    obrazovaka.ru
  • Рейтинг
    ( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
    Загрузка ...