Ամենատարածված նյութերից մեկը, որի հետ մարդիկ միշտ գերադասել են աշխատել, մետաղն էր: Յուրաքանչյուր դարաշրջանում նախապատվությունը տրվել է դրանց տարբեր տեսակներին զարմանալի նյութեր. Այսպիսով, մ.թ.ա. IV-III հազարամյակները համարվում են խալկոլիթի կամ պղնձի դարաշրջանը։ Հետագայում այն ​​փոխարինվում է բրոնզով, իսկ հետո ուժի մեջ է մտնում այսօր արդիականը՝ երկաթը։

Այսօր ընդհանրապես դժվար է պատկերացնել, որ ժամանակին հնարավոր էր անել առանց մետաղական արտադրանքի, քանի որ գրեթե ամեն ինչ՝ սկսած կենցաղային իրերից, բժշկական գործիքներից մինչև ծանր ու թեթև տեխնիկայով, բաղկացած է այս նյութից կամ ներառում է առանձին մասեր։ Ինչո՞ւ են մետաղներին հաջողվել նման ժողովրդականություն ձեռք բերել: Որոնք են առանձնահատկությունները և ինչպես է դա բնորոշ դրանց կառուցվածքին, եկեք փորձենք պարզել այն հետագա:

Մետաղների ընդհանուր հայեցակարգ

«Քիմիա. 9-րդ դասարան»-ը դպրոցականների կողմից օգտագործվող դասագիրք է։ Հենց դրանում մանրակրկիտ ուսումնասիրվում են մետաղները։ Հաշվի առնելով նրանց ֆիզիկական և քիմիական հատկություններհատկացված է մեծ գլուխ, քանի որ դրանց բազմազանությունը չափազանց մեծ է:

Այս տարիքից է, որ խորհուրդ է տրվում երեխաներին պատկերացում կազմել այս ատոմների և դրանց հատկությունների մասին, քանի որ դեռահասներն արդեն կարող են լիովին գնահատել նման գիտելիքների արժեքը: Նրանք հիանալի տեսնում են, որ իրենց շրջապատող առարկաների, մեքենաների և այլ իրերի բազմազանությունը հիմնված է միայն մետաղական բնույթի վրա:

Ի՞նչ է մետաղը: Քիմիայի տեսակետից այս ատոմներին ընդունված է վերաբերել նրանց, որոնք ունեն.

• փոքր արտաքին մակարդակում;
• ցուցադրել ուժեղ վերականգնող հատկություններ;
• ունեն մեծ ատոմային շառավիղ;
• ինչպես պարզ նյութերն ունեն մի շարք հատուկ ֆիզիկական հատկություններ:

Այս նյութերի մասին գիտելիքների հիմքը կարելի է ստանալ՝ դիտարկելով մետաղների ատոմային-բյուրեղային կառուցվածքը։ Այն բացատրում է այս միացությունների բոլոր հատկանիշներն ու հատկությունները:

Պարբերական համակարգում ամբողջ աղյուսակի մեծ մասը հատկացված է մետաղներին, քանի որ դրանք կազմում են բոլոր երկրորդական ենթախմբերը և հիմնականները՝ առաջինից երրորդ խմբից։ Ուստի նրանց թվային գերազանցությունն ակնհայտ է։ Ամենատարածվածներն են.

• կալցիում;
• նատրիում;
• տիտան;
• երկաթ;
• մագնեզիում;
• ալյումին;
• կալիում.

Բոլոր մետաղներն ունեն մի շարք հատկություններ, որոնք թույլ են տալիս դրանք միավորել նյութերի մեկ մեծ խմբի մեջ: Իր հերթին այս հատկությունները բացատրվում են հենց մետաղների բյուրեղային կառուցվածքով։

Մետաղական հատկություններ

Դիտարկվող նյութերի հատուկ հատկությունները ներառում են հետևյալը.

1. Մետաղական փայլ. Բոլոր ներկայացուցիչները պարզ նյութերնրանք տիրապետում են, և դրանց մեծ մասը նույնն է, միայն որոշները (ոսկի, պղինձ, համաձուլվածքներ) են տարբեր։
2. Ճկունություն և պլաստիկություն - բավականին հեշտությամբ դեֆորմացնելու և վերականգնելու ունակություն: Տարբեր ներկայացուցիչների մոտ այն արտահայտվում է տարբեր չափով։
3. Էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակությունը հիմնական հատկություններից մեկն է, որը որոշում է մետաղի և դրա համաձուլվածքների շրջանակը:

Մետաղների և համաձուլվածքների բյուրեղային կառուցվածքը բացատրում է նշված հատկություններից յուրաքանչյուրի պատճառը և խոսում է դրանց խստության մասին յուրաքանչյուր կոնկրետ ներկայացուցչի մոտ: Եթե ​​դուք գիտեք նման կառուցվածքի առանձնահատկությունները, ապա կարող եք ազդել նմուշի հատկությունների վրա և հարմարեցնել այն ցանկալի պարամետրերին, ինչը մարդիկ անում են երկար տասնամյակներ շարունակ:

Մետաղների ատոմային-բյուրեղային կառուցվածքը

Ի՞նչ է նման կառույցը, ինչո՞վ է այն բնութագրվում։ Անունն ինքնին հուշում է, որ բոլոր մետաղները բյուրեղներ են պինդ վիճակում, այսինքն՝ նորմալ պայմաններում (բացառությամբ սնդիկի, որը հեղուկ է)։ Ի՞նչ է բյուրեղը:

Սա սովորական գրաֆիկական պատկեր է, որը կառուցված է երևակայական գծերը հատելով մարմինը գծող ատոմների միջով: Այլ կերպ ասած, յուրաքանչյուր մետաղ կազմված է ատոմներից: Դրանք գտնվում են դրա մեջ ոչ թե պատահական, այլ շատ կանոնավոր և հետևողական։ Այսպիսով, եթե դուք մտովի միավորեք այս բոլոր մասնիկները մեկ կառույցի մեջ, կստանաք գեղեցիկ պատկեր՝ ճիշտի տեսքով երկրաչափական մարմինցանկացած ձևով:

Սա կոչվում է մետաղի բյուրեղային ցանց: Այն շատ բարդ է և տարածականորեն ծավալուն, հետևաբար, պարզության համար, ցուցադրված է ոչ թե ամբողջը, այլ միայն մի մասը՝ տարրական բջիջ։ Նմանատիպ բջիջների ամբողջությունը, միավորված, արտացոլված և ձևավորում է բյուրեղյա վանդակներ: Քիմիան, ֆիզիկան և մետաղագիտությունը գիտություններ են, որոնք ուսումնասիրում են նման կառույցների կառուցվածքային առանձնահատկությունները։

Սաման ատոմների մի շարք է, որոնք գտնվում են միմյանցից որոշակի հեռավորության վրա և կոորդինացնում են իրենց շուրջը գտնվող այլ մասնիկների խիստ ֆիքսված քանակ: Այն բնութագրվում է փաթեթավորման խտությամբ, բաղկացուցիչ կառույցների միջև հեռավորությամբ և համակարգման համարով: Ընդհանուր առմամբ, այս բոլոր պարամետրերը բնորոշ են ամբողջ բյուրեղին և, հետևաբար, արտացոլում են մետաղի դրսևորած հատկությունները:

Կան մի քանի սորտեր:Նրանց բոլորին միավորում է մեկ հատկանիշ` հանգույցներում կան ատոմներ, իսկ ներսում կա էլեկտրոնային գազի ամպ, որը առաջանում է բյուրեղի ներսում էլեկտրոնների ազատ տեղաշարժից:

Բյուրեղյա վանդակաճաղերի տեսակները

Վանդակի կառուցվածքի տասնչորս տարբերակները սովորաբար համակցվում են երեք հիմնական տեսակի. Դրանք հետևյալն են.

1. Մարմնի կենտրոնացված խորանարդ:
2. Վեցանկյուն փակ փաթեթավորված:
3. Դեմքի կենտրոնացված խորանարդ:

Մետաղների բյուրեղային կառուցվածքն ուսումնասիրվել է միայն այն ժամանակ, երբ հնարավոր է դարձել ստանալ պատկերների մեծ խոշորացումներ։ Իսկ վանդակաճաղերի տեսակների դասակարգումն առաջին անգամ մտցրել է ֆրանսիացի գիտնական Բրավեյը, ում անունով դրանք երբեմն անվանում են։

Մարմնի կենտրոնացված վանդակաճաղ

Այս տեսակի մետաղների բյուրեղային ցանցի կառուցվածքը հետևյալ կառուցվածքն է. Սա մի խորանարդ է, որի հանգույցներում կա ութ ատոմ։ Եվս մեկը գտնվում է անվճարի կենտրոնում ներքին տարածությունբջիջները, ինչը բացատրում է «մարմնի կենտրոնացված» անվանումը։

Սա ամենաշատերից մեկն է պարզ կառուցվածքտարրական բջիջ, և, հետևաբար, ամբողջ վանդակը որպես ամբողջություն: Այս տեսակի մետաղները հետևյալն են.

• մոլիբդեն;
• վանադիում;
• քրոմ;
• մանգան;
• ալֆա երկաթ;
• բետա երկաթ և այլն:

Նման ներկայացուցիչների հիմնական հատկություններն են բարձր աստիճանճկունություն և ճկունություն, կարծրություն և ամրություն:

դեմքի կենտրոնացված վանդակ

Դեմակենտրոն խորանարդ վանդակ ունեցող մետաղների բյուրեղային կառուցվածքը հետևյալ կառուցվածքն է. Սա խորանարդ է, որն իր մեջ ներառում է տասնչորս ատոմ։ Դրանցից ութը վանդակավոր հանգույցներ են կազմում, և ևս վեցը տեղակայված են յուրաքանչյուր դեմքի վրա:

Նրանք ունեն նմանատիպ կառուցվածք.

• ալյումին;
• նիկել;
• առաջնորդել;
• գամմա երկաթ;
• պղինձ.

Հիմնական տարբերակիչ հատկություններն են տարբեր գույների փայլը, թեթևությունը, ուժը, ճկունությունը, կոռոզիայի նկատմամբ դիմադրության բարձրացումը:

Վեցանկյուն վանդակավոր

Վանդակավոր մետաղների բյուրեղային կառուցվածքը հետևյալն է. Տարրական բջիջը հիմնված է վեցանկյուն պրիզմայի վրա։ Նրա հանգույցներում կա 12 ատոմ, ևս երկուսը հիմքերում և երեք ատոմ ազատորեն ընկած են կառուցվածքի կենտրոնում գտնվող տարածության ներսում: Ընդամենը տասնյոթ ատոմ:

Մետաղներ, ինչպիսիք են.

• ալֆա տիտան;
• մագնեզիում;
• ալֆա կոբալտ;
• ցինկ.

Հիմնական հատկությունները ուժի բարձր աստիճանն են, ուժեղ արծաթափայլ փայլը:

Մետաղների բյուրեղային կառուցվածքի թերությունները

Այնուամենայնիվ, բջիջների բոլոր դիտարկված տեսակները կարող են ունենալ նաև բնական թերություններ կամ, այսպես կոչված, արատներ: Դա կարող է պայմանավորված լինել տարբեր պատճառներով՝ օտար ատոմներ և մետաղների կեղտեր, արտաքին ազդեցություններ և այլն:

Հետեւաբար, կա դասակարգում, որն արտացոլում է այն թերությունները, որոնք կարող են ունենալ բյուրեղյա վանդակաճաղերը: Քիմիան՝ որպես գիտություն, ուսումնասիրում է դրանցից յուրաքանչյուրը, որպեսզի պարզի պատճառն ու միջոցը, որպեսզի նյութի հատկությունները չփոխվեն։ Այսպիսով, թերությունները հետեւյալն են.

1. Կետ. Դրանք լինում են երեք հիմնական տեսակի՝ թափուր, կեղտեր կամ տեղահանված ատոմներ: Դրանք հանգեցնում են մետաղի մագնիսական հատկությունների, նրա էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակության վատթարացման:
2. Գծային կամ տեղահանված: Հատկացնել մարգինալ և պտուտակ: Վատթարացնել նյութի ուժն ու որակը:
3. մակերեսային թերություններ. Դրանք ազդում են մետաղների արտաքին տեսքի և կառուցվածքի վրա։

Ներկայումս մշակվել են թերությունները վերացնելու և մաքուր բյուրեղներ ստանալու մեթոդներ։ Այնուամենայնիվ, դրանք ամբողջությամբ վերացնել հնարավոր չէ, իդեալական բյուրեղյա ցանց գոյություն չունի:

Մետաղների բյուրեղային կառուցվածքի մասին գիտելիքների արժեքը

Վերոնշյալ նյութից ակնհայտ է, որ նուրբ կառուցվածքի և կառուցվածքի իմացությունը հնարավորություն է տալիս կանխատեսել նյութի հատկությունները և ազդել դրանց վրա: Եվ սա թույլ է տալիս զբաղվել քիմիայի գիտությամբ։ 9-րդ դասարան միջնակարգ դպրոցՈւսումնական գործընթացում շեշտը դրվում է ուսանողներին հստակ պատկերացում տալ հիմնարար տրամաբանական շղթայի կարևորության մասին՝ կազմություն - կառուցվածք - հատկություններ - կիրառություն:

Մետաղների բյուրեղային կառուցվածքի մասին տեղեկատվությունը շատ հստակ ցույց է տալիս և թույլ է տալիս ուսուցչին հստակ բացատրել և ցույց տալ երեխաներին, թե որքան կարևոր է իմանալ նուրբ կառուցվածքը բոլոր հատկությունները ճիշտ և գրագետ օգտագործելու համար:

Պինդ վիճակում գտնվող բոլոր մետաղներն ունեն բյուրեղային կառուցվածք։ Պինդ մետաղի ատոմները դասավորված են և ձևավորում են բյուրեղային ցանցեր (նկ. 1):

Բրինձ. 1. Սխեմաներ բյուրեղյա վանդակաճաղերա – մարմնի կենտրոնացված խորանարդ; բ - դեմքի կենտրոնացված; գ - վեցանկյուն փակ փաթեթավորված

Բյուրեղյա բջիջներկայացնում է բյուրեղի ամենափոքր ծավալը, որը տալիս է մետաղի ատոմային կառուցվածքի ամբողջական պատկերը և կոչվում է միավոր բջիջ։

Մետաղները բնութագրվում են երեք տեսակի բյուրեղյա վանդակներով՝ խորանարդ մարմնակենտրոն (bcc), որոնցում ատոմները տեղակայված են միավոր բջջի գագաթներում և մեկը՝ դրա կենտրոնում; դեմքի կենտրոնացված խորանարդ (fcc), որում ատոմները տեղակայված են միավոր բջջի գագաթներում և նրա երեսների կենտրոններում. վեցանկյուն փակ փաթեթավորված (hcp), որը վեցանկյուն պրիզմա է, որում ատոմները դասավորված են երեք շերտով։

Նյութի հատկությունները կախված են բյուրեղային ցանցի տեսակից և այն բնութագրող պարամետրերից.

1) միջատոմային հեռավորություն, չափված անգստրոմներով 1А°=10 -8 սմ

2) փաթեթավորման խտությունը ( վանդակավոր հիմքմիավոր բջջի մեջ մասնիկների քանակն է): Խորանարդ պարզ - B1, bcc - B2, fcc - B4, hcp - B6:

3) համակարգման համարը(KN) - որպես հղման կետ վերցված ատոմների հավասար հեռավորության վրա գտնվող և ատոմից ամենամոտ հեռավորության վրա գտնվող ատոմների առավելագույն թիվը: Խորանարդ պարզ - KN=6, BCC - KN=8, FCC - KN=12, HPU - KN=12:

Առջևի հարթության և անկյունագծային հարթության ուղղությամբ սահմանված նյութական հատկությունները տարբեր են՝ այս երևույթը կոչվում է անիզոտրոպիա, այսինքն անհավասար հատկություններ տարբեր ուղղություններով: Բոլոր մետաղական նյութերն ունեն այս հատկությունը: Ամորֆ մարմիններն ունեն հատկություն իզոտրոպիա, այսինքն. ունեն նույն հատկությունները բոլոր ուղղություններով:

Բյուրեղյա վանդակները կարող են ունենալ տարբեր կառուցվածքային թերություններ, որոնք զգալիորեն փոխում են նյութի հատկությունները: Իրական մեկ բյուրեղը միշտ ունի ազատ (արտաքին) մակերես, որի վրա արդեն մակերեսային լարվածության պատճառով վանդակը աղավաղվում է։

Թերություններ ներքին կառուցվածքըստորաբաժանվում են կետային, գծային և հարթ.

Կետային թերությունները ներառում են թափուր աշխատատեղեր (երբ բյուրեղային ցանցի առանձին տեղամասերը զբաղված չեն ատոմներով); տեղահանված ատոմներ (եթե առանձին ատոմներ գտնվում են միջանցքներում) կամ կեղտոտ ատոմներ, որոնց թիվը շատ մեծ է նույնիսկ մաքուր մետաղներում։ Նման թերությունների մոտ վանդակը առաձգականորեն կաղավաղվի մեկ կամ երկու ժամանակաշրջանի հեռավորության վրա (նկ. 2ա):

Բրինձ. 2. Բյուրեղային ցանցի թերությունները: a - կետ; բ - գծային; գ - հարթ

Գծային թերությունները փոքր են երկու հարթություններում, իսկ երրորդում բավականին մեծ են: Նման թերությունները ներառում են ատոմային հարթությունների տեղաշարժը կամ տեղաշարժերը և թափուր տեղերի շղթաները (նկ. 2բ): Նման թերությունների ամենակարևոր հատկությունը բյուրեղի ներսում նրանց շարժունակությունն է և ակտիվ փոխազդեցությունը միմյանց և այլ արատների հետ:

Նյութի բյուրեղային ցանցի փոփոխությունը հնարավոր է արտաքին գործոնների, մասնավորապես՝ ջերմաստիճանի և ճնշման ազդեցության տակ: Որոշ մետաղներ պինդ վիճակում տարբեր ջերմաստիճանային միջակայքերում ձեռք են բերում տարբեր բյուրեղային ցանցեր, ինչը միշտ հանգեցնում է նրանց ֆիզիկաքիմիական հատկությունների փոփոխության:

Նույն մետաղի գոյությունը մի քանի բյուրեղային ձևերով կոչվում է պոլիմորֆիզմ. Ջերմաստիճանը, որում տեղի է ունենում բյուրեղային ցանցի փոփոխություն, կոչվում է պոլիմորֆ փոխակերպման ջերմաստիճան։ Ջերմային բուժման բոլոր գործընթացները հիմնված են այս երեւույթի վրա: Պոլիմորֆ մոդիֆիկացիաները նշվում են հունարեն տառերով (a, b, g և այլն, որոնք որպես ցուցիչ ավելացվում են տարրի խորհրդանիշին)։

մոլեկուլային բյուրեղներ. Նյութի չեզոք մոլեկուլները գտնվում են բյուրեղային ցանցի հանգույցներում, որոնց փոխազդեցության ուժերը պայմանավորված են էլեկտրոնների մի փոքր փոխադարձ տեղաշարժով։ էլեկտրոնային պատյաններատոմներ. Այս ուժերը կոչվում են վան դեր Վալսի ուժեր, քանի որ դրանք ունեն նույն բնույթը, ինչ մոլեկուլների միջև ձգողական ուժերը, ինչը հանգեցնում է գազերի շեղմանը իդեալականությունից: Մոլեկուլային բյուրեղները, օրինակ, ամենաշատն են օրգանական միացություններ(պարաֆին, սպիրտ, ռետին և այլն), իներտ գազեր (Ne, Ar, Kg, Xe) և CO 2 գազեր, Օ 2, N2 պինդ վիճակում, սառույց, ինչպես նաև բրոմ Br 2, յոդ 1 2 բյուրեղներ։ Վան դեր Վալսի ուժերը բավականին թույլ են, ուստի մոլեկուլային բյուրեղները հեշտությամբ դեֆորմացվում են:

Որոշ պինդ նյութերմի քանի տեսակի հաղորդակցություն կարող է իրականացվել միաժամանակ. Օրինակ է գրաֆիտը (վեցանկյուն վանդակաճաղ): Գրաֆիտի վանդակը (նկ. 105) բաղկացած է մի շարք զուգահեռ հարթություններից, որոնցում ածխածնի ատոմները գտնվում են գագաթներում։ կանոնավոր վեցանկյուններ. Հարթությունների միջև հեռավորությունը երկու անգամից ավելի է, քան վեցանկյան ատոմների միջև եղած հեռավորությունը: Հարթ շերտերը միմյանց հետ կապված են վան դեր Վալսյան ուժերով։ Շերտի ներսում ձևավորվում են ածխածնի յուրաքանչյուր ատոմի երեք վալենտային էլեկտրոնները կովալենտային կապհարեւան ածխածնի ատոմներով, իսկ չորրորդ էլեկտրոնը, մնալով «ազատ», կոլեկտիվացվում է, բայց ոչ ամբողջ ցանցի մեջ, ինչպես մետաղների դեպքում, այլ մեկ շերտի մեջ։ Այսպիսով, այս դեպքում իրականացվում է կապի երեք տեսակ՝ հոմեոպոլային և մետաղական՝ նույն շերտի ներսում; վան դեր Վալս - շերտերի միջև: Սա բացատրում է գրաֆիտի փափկությունը, քանի որ նրա փղերը կարող են սահել միմյանց համեմատ:

Երկու տեսակի ածխածնի՝ գրաֆիտի և ադամանդի բյուրեղային ցանցերի կառուցվածքի տարբերությունը բացատրում է դրանց տարբերությունը. ֆիզիկական հատկություններգրաֆիտի փափկությունը և ադամանդի կարծրությունը. գրաֆիտը էլեկտրական հոսանքի հաղորդիչ է, ադամանդը՝ դիէլեկտրիկ (ազատ էլեկտրոններ չկան) և այլն։

Բյուրեղներում ատոմների դասավորությունը բնութագրվում է նաև կոորդինացիոն թվով` բյուրեղային ցանցում տվյալ ատոմի հետ նույն տեսակի մոտակա հարևան ատոմների կամ մոլեկուլային բյուրեղների մոլեկուլների քանակով: Մոդելի պատկերի համար

Ատոմներից և իոններից բյուրեղային կառուցվածքների ձևավորման համար օգտագործվում է գնդիկների խիտ փաթեթավորման համակարգ: Նկատի ունենալով հարթության վրա նույն շառավղով գնդակների խիտ փաթեթավորման ամենապարզ դեպքը, մենք հասնում ենք դրանք դասավորելու երկու եղանակի (նկ. 106, ա, բ).Ճիշտ փաթեթավորումն ավելի խիտ է, քանի որ հավասար թվով գնդակների դեպքում ռոմբի մակերեսը կողքով հավասար կողմքառակուսի, ավելի քիչ տարածքքառակուսի. Ինչպես երևում է նկարից, փաթեթների տարբերությունը կրճատվում է մինչև կոորդինացիոն թվերի տարբերությունը՝ ձախ փաթեթում կոորդինացիոն համարը 4 է, աջում՝ b, t։ որքան խիտ է փաթեթավորումը, այնքան մեծ է կոորդինացման թիվը:

Եկեք դիտարկենք, թե ինչ պայմաններում գնդերի խիտ փաթեթավորումը տարածության մեջ կարող է համապատասխանել նախկինում տրված այս կամ այն ​​բյուրեղային կառուցվածքին։ Սկսենք ցանցը կառուցել նկ. 106 6. Հետագա դատողությունները պարզեցնելու համար մենք գնդակների կենտրոնները նախագծում ենք այն հարթության վրա, որի վրա նրանք ընկած են՝ դրանք նշելով սպիտակ շրջանակներով (նկ. 107): Նույն հարթության վրա մենք նախագծում ենք գնդակների միջև եղած բացերի կենտրոնները, որոնք նշված են Նկ. 107, համապատասխանաբար, սև շրջանակներով և խաչերով: Ցանկացած սերտ փաթեթավորված շերտ կկոչվի շերտ Ինչ կլինի եթենրա գնդակների կենտրոնները գտնվում են մոխրագույն շրջանակների վերևում, շերտ AT- եթե կարմիր շրջանակների վրա, շերտ ԻՑ- եթե վերևում խաչեր են: Վերևի շերտը ԲԱՅՑԵրկրորդ շերտը դնում ենք այնպես, որ այս շերտի յուրաքանչյուր գունդ ընկնի առաջին շերտի երեք գնդակների վրա։ Դա կարելի է անել երկու եղանակով՝ վերցնել այն որպես երկրորդ շերտ, կամ AT,կամ ԻՑ.Երրորդ շերտը «կարելի է նորից կուտակվել երկու եղանակով և այլն: Այսպիսով, փակ փաթեթավորումը կարելի է բնութագրել որպես հաջորդականություն ԱԲՎԱՍ...,որոնցում նույն տառերով նշված շերտերը չեն կարող կողք կողքի կանգնել։

Բյուրեղագրության բազմաթիվ հնարավոր համակցություններից իրական նշանակություն ունեն երկու տեսակի փաթեթավորում. 1) երկշերտ փաթեթավորում. ԱԲԱԲԱԲ...- վեցանկյուն փակ կառուցվածք (նկ. 108); 2) եռաշերտ փաթեթավորում ABC...- խորանարդ դեմքի կենտրոնացված կառուցվածք (նկ. 109): Երկու ցանցերում էլ կոորդինացիոն թիվը 12 է, իսկ փաթեթավորման խտությունը նույնն է՝ ատոմները զբաղեցնում են բյուրեղի ընդհանուր ծավալի 74%-ը։ Խորանարդ մարմնակենտրոն վանդակին համապատասխան կոորդինացիոն թիվը 8 է, ադամանդե վանդակը (տես նկ. 104)՝ 4։

Բացի երկշերտ և եռաշերտ փաթեթներից, հնարավոր է կառուցել բազմաշերտ փաթեթներ՝ միանման շերտերի երկար կրկնվող ժամանակահատվածով, օրինակ. ԱՎՍՎԱՍԱՎՍՎԱՍՍ...- վեց շերտ փաթեթավորում: Գոյություն ունի SiC կարբիդի փոփոխություն՝ 6, 15 և 243 շերտերի կրկնվող շրջանով:

Եթե ​​բյուրեղը կառուցված է տարբեր տարրերի ատոմներից, ապա այն կարող է ներկայացվել որպես տարբեր չափերի գնդակների խիտ փաթեթավորում: Նկ. 110 ցույց է տալիս աղի բյուրեղի մոդելի պատկերը: Խոշոր քլորի իոնները (r = 181 pm) կազմում են խիտ եռաշերտ փաթեթավորում, որի մեջ մեծ դատարկությունները լցված են փոքրերով:

չափը նատրիումի իոններով (r = 98 pm): Յուրաքանչյուր Na իոն շրջապատված է վեց O իոններով և, ընդհակառակը, յուրաքանչյուր C1 իոն շրջապատված է վեց Na իոններով:

Բյուրեղների թերությունները

Իդեալական բյուրեղային կառուցվածքները, որոնք դիտարկվում են § 71-ում, գոյություն ունեն միայն իրական բյուրեղների շատ փոքր ծավալներում, որոնցում միշտ կան շեղումներ ցանցի տեղամասերում մասնիկների դասավորվածությունից, որոնք կոչվում են վանդակավոր թերություններ: Արատները բաժանվում են մակրոսկոպիկ, որոնք առաջանում են բյուրեղների ձևավորման և աճի գործընթացում (օրինակ՝ ճաքեր, ծակոտիներ, օտար մակրոսկոպիկ ներդիրներ) և մակրոսկոպիկ՝ պարբերականությունից մանրադիտակային շեղումների պատճառով։

Միկրոդեֆեկտները բաժանվում են կետային և գծային: Կետային թերությունները երեք տեսակի են՝ 1) դատարկություն՝ բյուրեղային ցանցի տեղում ատոմի բացակայություն (նկ. 111, ա); 2) ինտերստիցիալ ատոմ - ատոմ; ներկառուցված ինտերստիցիալ տարածության մեջ (նկ. 111, 6); 3) անմաքրության ատոմ՝ կեղտոտ ատոմ, կամ բյուրեղային ցանցի հիմնական նյութի փոխարինող ատոմ (փոխարինական անմաքրություն, նկ. 111, մեջ),կամ ներկառուցված ինտերստիցիալ տարածության մեջ (ներածության խառնուրդ, Նկար 111, բ;միայն միջանցքներում հիմնական նյութի ատոմի փոխարեն կա կեղտոտ ատոմ)։ Կետային թերությունները խախտում են բյուրեղների միայն կարճ հեռահարության կարգը, առանց ազդելու հեռահար կարգի վրա, սա նրանց բնորոշ առանձնահատկությունն է:

Գծային թերությունները խախտում են հեռահար կարգը: Ինչպես հետևում է փորձերից, բյուրեղների մեխանիկական հատկությունները մեծապես որոշվում են հատուկ տիպի արատներով՝ տեղահանումներ: Դիսլոկացիաները գծային թերություններ են, որոնք խախտում են ատոմային հարթությունների ճիշտ հերթափոխը:

Դիսլոկացիաները եզրային և պտուտակավոր են: Եթե ​​ատոմային հարթություններից մեկը պոկվում է բյուրեղի ներսում, ապա այս հարթության եզրը ձևավորում է եզրի տեղաշարժ (նկ. 112, ա).Պտուտակային տեղահանման դեպքում (նկ. 112, բ), բյուրեղի ներսում գտնվող ատոմային հարթություններից և ոչ մեկը չի ճեղքվում, և ինքնաթիռներն իրենք ընդամենը մոտավորապես զուգահեռ են և մոտ են միմյանց, այնպես որ, ըստ էության, բյուրեղը բաղկացած է մեկից. ատոմային հարթություն՝ կորացած պարուրաձև մակերևույթի երկայնքով։

Դիսլոկացիայի խտությունը (բյուրեղային մակերեսի մեկ միավոր մակերեսի վրա տեղահանումների քանակը) կատարյալ միայնակ բյուրեղների համար կազմում է 10 2 -10 3 սմ -2, դեֆորմացված բյուրեղների համար՝ 10 10 -10 12 սմ - 2 . Դիսլոկացիաները երբեք չեն պոկվում, դրանք կամ դուրս են գալիս մակերես, կամ ճյուղավորվում, ուստի իրական բյուրեղի մեջ ձևավորվում են տեղահանումների հարթ կամ տարածական ցանցեր: Դիսլոկացիաները և դրանց շարժումը կարելի է դիտարկել էլեկտրոնային մանրադիտակի միջոցով, ինչպես նաև ընտրովի փորագրման եղանակով. որոնք «դրսևորում են» տեղահանումներ։

Մետաղների ուսումնասիրությունը համապատասխան պարբերական համակարգՄենդելեևի տարրերը ցույց են տալիս, որ, բացառությամբ Mn-ի և Hg-ի, A ենթախմբի տարրերը, ներառյալ անցումային մետաղները և հազվագյուտ հողային տարրերը, ինչպես նաև IB և IIB ենթախմբերի մետաղները և IIIB խմբի որոշ տարրեր, ներառյալ Al, կազմում են մեկը: հետևյալ բնորոշ մետաղական կառույցներից.

1 - խորանարդ դեմքի կենտրոնացված վանդակ (fcc)

խորանարդ դեմքի կենտրոնացված վանդակունեն հետևյալ մետաղները՝ g - Fe, Al, Cu, Ni, a - Co, Pb, Ag, Au, Pt և այլն։

Խորանարդ դեմքով կենտրոնացված վանդակում ատոմները գտնվում են միավոր բջջի գագաթներում և նրա երեսների կենտրոններում (նկ. 1.5):

Այս վանդակի յուրաքանչյուր ատոմ շրջապատված է 12 մոտակա հարևաններով, որոնք գտնվում են հավասար հեռավորությունների վրա, հավասար = 0,707×ա, որտեղ ա- տարրական բջիջի եզր: Մոտակա հարևանների թիվը, որը հավասար է 12-ի, կոչվում է բյուրեղային ցանցի կոորդինացիոն թիվ։ Բացի այս մոտակա ատոմներից, բյուրեղային ցանցում կան 6 ատոմներ, որոնք հեռու են շատ ավելի մեծ հեռավորությունների վրա, հավասար են. ա.

Դիտարկվող բյուրեղյա վանդակը ունի երկու տեսակի դատարկություններ (միջանցքներ, որոնցում կարող են տեղակայվել համաձուլվածքների այլ տարրերի ավելի փոքր ատոմներ), որոնք կազմում են միջքաղաքային պինդ լուծույթներ։

Ամենամեծ միջհանգույցները կամ դատարկությունները գտնվում են խորանարդի կենտրոնում և նրա եզրերի մեջտեղում։ Այս դատարկություններից յուրաքանչյուրը շրջապատված է fcc ցանցի վեց ատոմներով, որոնք տեղ են զբաղեցնում կանոնավոր ութանիստի գագաթներում։ Այս առումով դրանք կոչվում են ութանիստ դատարկություններ (Նկար 1.5, բ) Տարբեր տարրերի նման դիրքերը դեմքակենտրոն խորանարդ ցանցում զբաղեցնում են Na և Cl ատոմները NaCl ցանցում։ Նույն դիրքերը զբաղեցնում է ածխածինը g-Fe ցանցում։

Բացի այս դատարկություններից fcc վանդակում, կան ավելի փոքր դատարկություններ, որոնք կոչվում են քառաեզր, պայմանավորված այն հանգամանքով, որ դրանք շրջապատված են 4 ատոմներով։ Ընդհանուր առմամբ, fcc վանդակում կա 8 քառանիստ դատարկություն (Նկար 1.5, մեջ).

Քառանիստ և ութանիստ դատարկությունների չափերը կարելի է զգալ, եթե ենթադրենք, որ վանդակը կառուցված է կոշտ գնդիկներից, շառավղով r, միմյանց հետ շփվելով; այս դեպքում գոյություն ունեցող բացերում կարող են տեղադրվել համապատասխանաբար 0,41 r և 0,225 r շառավղով գնդիկներ՝ ութանիստ և քառանիստ դատարկությունների համար։

Դեմակենտրոն խորանարդի կառուցվածքում ամենախիտ փաթեթավորված հարթությունները նկարում ներկայացված հարթություններն են: Նրանց խորհրդանիշ(111) (Նկար 1.5., Գ).

մարմնի կենտրոնացված խորանարդ վանդակԻսկ 2 (bcc) ունեն մետաղներ a - Fe, քրոմ, վոլֆրամ, մոլիբդեն, վանադիում, նատրիում, լիթիում և այլն։ A 2 կառուցվածքը ավելի քիչ խիտ է փաթեթավորված:

Bcc ցանցի ատոմները գտնվում են միավորի բջջի գագաթներում և կենտրոնում (Նկար 1.6):

Այս բջջի յուրաքանչյուր ատոմ ունի 8 ամենամոտ հարևաններ, որոնք գտնվում են այն հեռավորության վրա, որտեղից, ախորանարդի եզրի երկարությունն է։ Հետևաբար, ցանցի կոորդինացիոն թիվը 8 է: Երբեմն այն նշվում է (8 + 6), քանի որ. Հաջորդ ամենահեռավոր ատոմները գտնվում են a հեռավորության վրա, նրանց թիվը 6 է։

Bcc կառուցվածքում կան նաև 2 տեսակի դատարկություններ. Խոշորները դիրքեր են զբաղեցնում խորանարդի երեսին (Նկար 1.6, մեջ) Նրանք շրջապատված են 4 ատոմներով, որոնք գտնվում են քառանիստի գագաթներում, որոնց եզրերը զույգ-զույգ հավասար են։ 6 ատոմներով շրջապատված ավելի փոքր դատարկություններ, որոնք տեղ են զբաղեցնում անկանոն ութանիստի գագաթներում, գտնվում են բջջի եզրերի և երեսների մեջտեղում (Նկար 1.6, Գ) Եթե ​​bcc վանդակավոր կառուցվածքը կառուցված է կոշտ գնդիկներից, ապա 0,292 r շառավղով գնդերը կարող են տեղադրվել քառանիստ, իսկ 0,154 r՝ ութանիստ դատարկություններում։

Այս կերպ, առավելագույն չափըգունդը, որը կարող է տեղադրվել ավելի խիտ փաթեթավորված fcc ցանցի դատարկություններում, պարզվում է, որ ավելի մեծ է, քան bcc վանդակում:

Այլ ատոմների ներմուծումը bcc ցանցի ութանիստ ծակոց առաջացնում է երկու ատոմների տեղաշարժը խորանարդի եզրին զուգահեռ ուղղությամբ, ինչը հանգեցնում է վանդակի ընդլայնման այս ուղղությամբ: Մարտենզիտի կառուցվածքում, որտեղ ածխածնի ատոմները ներմուծվում են ութանիստ դատարկություններ, որոնք տեղակայված են միայն C առանցքին զուգահեռ եզրերի վրա և այս առանցքին ուղղահայաց երեսների կենտրոններում, դա հանգեցնում է a-Fe ցանցի քառանկյուն աղավաղման:

Առավել խիտ փաթեթավորված bcc ինքնաթիռները (110) ընտանիքի 12 ինքնաթիռներն են (Նկար 1.6. բ) Այս հարթություններում կան 2 ուղղություններ, որոնցով կարող են դիպչել կոշտ գնդերը։

Վեցանկյուն փակ փաթեթավորված վանդակավոր A 3 (hcp) տիրապետում են այնպիսի մետաղների, ինչպիսիք են Zn, b - Co, Cd, Mg, a - Ti, a - Zr:

Վեցանկյուն մաղը կառուցված է առանձին շերտերից և այնպես, որ ցանկացած շերտի յուրաքանչյուր ատոմ շրջապատված է նույն շերտին պատկանող հավասար հեռավորությունների վրա գտնվող 6 հարևաններով և, բացի այդ, վերևում գտնվող շերտերում ունի երեք ամենամոտ հարևաններ։ այս շերտի տակ (Նկար 1.7):

Ատոմների միջև հեռավորությունը վեցանկյուն շերտերում նշվում է ա, բջիջի բարձրությունը ս. Հարակից շերտերում տեղակայված վեց մոտակա հարևանները նույնպես կլինեն հեռավորության վրա, և այս ատոմից, եթե առանցքների հարաբերակցությունը. s/aէ, ապա նման կառուցվածքը կոչվում է իդեալական փակ կառուցվածք։ Ընդ որում, կոորդինացիոն թիվը այս դեպքում, ինչպես նաև fcc վանդակում, 12 է։

Վեցանկյուն փակ վանդակավոր մետաղների մեծ մասը ունեն առանցքի հարաբերակցություն s/a= 1,56 - 1,63: Բացառություն են կազմում Zn-ը և Cd-ն (1,86; 1,89): Դա պայմանավորված է նրանով, որ Zn և Cd ատոմների էլեկտրոնային ամպերը չունեն գնդաձև սիմետրիա և երկարացված են C առանցքի երկայնքով: Վեցանկյուն փակ վանդակում, ինչպես նաև fcc-ում կան 2 տեսակի դատարկություններ. ութանիստ և քառանիստ (Նկար 1.7, բ).

Կոշտ գնդերի տրամագծերը, որոնք կարող են տեղադրվել այս դատարկություններում, ինչպես նաև fcc-ի համար, կազմում են 0,41 r և 0,225 r:

Բավական է դիտել fcc ցանցի (111) փակ հարթությունների կառուցումը (Նկար 1.8, ա) այս երկու ցանցերում ատոմների կառուցման մեջ ամբողջական անալոգիա գտնել: Այս վանդակաճաղերի տարբերությունը շերտերի հերթափոխն է։ Եթե ​​վեցանկյուն վանդակում կա ABAB և այլն շերտերի փոփոխություն, ապա fcc վանդակում՝ ABCABC (Նկար 1.8, բ), այսինքն. սա օգտագործում է փակ շերտի երրորդ հնարավոր դիրքը:

Այս երկու վանդակաճաղերի միջև էներգիայի հարաբերակցության տարբերությունը աննշան է, և դրա հետ կապված՝ պլաստիկ դեֆորմացիայի ժամանակ հեշտությամբ կարող է խախտվել հերթափոխային շերտերի հաջորդականությունը, ինչպես նաև դրա աճի ընթացքում բյուրեղային արատների ի հայտ գալը. - կոչվում են stacking faults.

Այսպիսով, hcp և fcc վանդակաճաղերի կառուցման ակնհայտ տարբերությունն ամենևին էլ մեծ չէ (Նկար 1.8):

Ածխածինը ադամանդի, սիլիցիումի, գերմանիումի, ա - թիթեղի (մոխրագույն) տեսքով ունեն կրկնակի խորանարդ grating տեսակի ադամանդ(Նկար 1.9): Այն տարբերվում է fcc ցանցից չորս լրացուցիչ ատոմների առկայությամբ ութ քառանիստ դատարկություններից չորսում։ Արդյունքում կառուցվածքն ավելի թուլանում է։

Ադամանդի յուրաքանչյուր ատոմ շրջապատված է միայն չորս մոտակա հարևաններով, որոնք գտնվում են կանոնավոր քառաեդրոնի անկյուններում: Նման կառույցի կոորդինացիոն համարը 4 է։

Ինչպես ցույց է տրված վերևում, նույն մետաղները տարբեր ջերմաստիճաններում կարող են ունենալ տարբեր բյուրեղային կառուցվածքներ, ինչը պայմանավորված է նրանց ալոտրոպիայի պատճառով:

Ալոտրոպ (պոլիմորֆ) փոխակերպումը բյուրեղային մարմնի տարածական ցանցի փոփոխությունն է։

Որպես ալոտրոպ փոխակերպումների օրինակներ, կարելի է բերել ցածր ջերմաստիճանի ալոտրոպային ձևի փոխակերպումը a - Fe մարմնի կենտրոնացված խորանարդ ցանցով բարձր ջերմաստիճանի g - Fe ձևի դեմքի կենտրոնացված խորանարդ ցանցով, 910 ջերմաստիճանում: ° C և հետագա փոխակերպումը 1392 ° C ջերմաստիճանում g - Fe-ի d - Fe-ի մարմնի կենտրոնացված խորանարդ ցանցով, որը նման է a - Fe-ին: Նմանատիպ փոխակերպումներ կարելի է նկատել տիտանի, ցիրկոնիումի և այլնի մոտ։ Տիտանի և ցիրկոնիումի մեջ ցածր ջերմաստիճանի ալոտրոպ ձևը a - Ti, a - Zr է վեցանկյուն փակ ցանցով: Տիտանի համար 882°C-ից և ցիրկոնիումը՝ 862°C-ից բարձր ջերմաստիճանում առաջանում են b-Ti և b-Zr, որոնք ունեն մարմնի կենտրոնացված վանդակ։

Ինչպես տեսաք, ալոտրոպիկ փոխակերպումն այն է ատոմային կառուցվածքըբյուրեղային մարմինը փոխվում է տաքացման և սառեցման ժամանակ: Բյուրեղային ցանցի վերադասավորման հենց գործընթացը տեղի է ունենում իզոթերմորեն հաստատուն ջերմաստիճանում, ալոտրոպ փոխակերպումների ենթարկվող համաձուլվածքի հովացման կորը նման է հեղուկ մետաղի պնդացման ժամանակ դիտված կորին։ Անցումային ջերմաստիճանը կոչվում է փոխակերպման կրիտիկական կետ։ Ջերմաստիճանում (T 0) դիտվում է երկու ալոտրոպ սորտերի փուլային հավասարակշռություն։

Բյուրեղացման գործընթացի նման, ալոտրոպային փոխակերպումը տեղի է ունենում տաքացման ընթացքում ջերմության կլանմամբ և սառեցման ժամանակ դրա արտանետմամբ: Ալոտրոպային փոխակերպումը (նաև բյուրեղացման գործընթացի անալոգիայով) տեղի է ունենում միջուկների ձևավորման և դրանց հետագա աճի միջոցով, և, հետևաբար, այն միշտ ընթանում է գերսառեցման առկայությամբ (սառեցման ժամանակ) և տաքացման ժամանակ գերտաքացումով:

Տեղի է ունենում ալոտրոպային փոխակերպում, ինչպես նաև բյուրեղացման գործընթացը՝ կապված ազատ էներգիան նվազեցնելու համակարգի ցանկության հետ։