Почему все металлы пластичны

§ 18.1. Простые вещества — металлы

С развитием производства металлов (простых веществ) и сплавов связано возникновение цивилизации (бронзовый век, железный век).

Начавшаяся примерно 100 лет назад научно-техническая революция, затронувшая и промышленность, и социальную сферу, также тесно связана с производством металлов. На основе вольфрама, молибдена, титана и других металлов начали создавать коррозионностойкие, сверхтвердые, тугоплавкие сплавы, применение которых сильно расширило возможности машиностроения.

В ядерной и космической технике из сплавов вольфрама и рения делают детали, работающие при температурах до 3000 °С, в медицине используют хирургические инструменты из сплавов тантала и платины, уникальной керамики на основе оксидов титана и циркония.

И конечно же мы не должны забывать, что большинство сплавов содержат давно известный металл железо (рис. 38), а основу многих легких сплавов составляют сравнительно «молодые» металлы — алюминий и магний.

Рис. 38.
Основная достопримечательность Парижа — Эйфелева башня сделана из стали (сплава железа с углеродом)

Сверхновыми стали композиционные материалы, представляющие, например, полимер или керамику, которые внутри (как бетон железными прутьями) упрочнены металлическими волокнами из вольфрама, молибдена, стали и других металлов и сплавов, — все зависит от поставленной цели, необходимых для ее достижения свойств материала.

Вы уже имеете представление о природе химической связи в кристаллах металлов. Напомним на примере одного из них — натрия, как она образуется.

На рисунке 39 изображена схема кристаллической решетки металла натрия. В ней каждый атом натрия окружен восемью соседними. У атомов натрия, как и у всех металлов, имеется много свободных валентных орбиталей и мало валентных электронов. Электронная формула атома натрия: ls₂2s₂2p₆3s₁3p3d, где 3s, Зр, 3d — валентные орбитали.

Рис. 39.
Кристаллическая решетка натрия

Единственный валентный электрон атома натрия 3s₁ может занимать любую из девяти свободных орбита-лей — 3s (одна), 3р (три) и 3d (пять), ведь они не очень отличаются по уровню энергии. При сближении атомов, когда образуется кристаллическая решетка, валентные орбитали соседних атомов перекрываются, благодаря чему электроны свободно перемещаются с одной орбитали на другую, осуществляя связь между всеми атомами кристалла металла.

Такой тип химической связи называют металлической. Металлическую связь образуют элементы, атомы которых на внешнем слое имеют мало валентных электронов по сравнению с большим числом внешних энергетически близких орбиталей. Их валентные электроны слабо удерживаются в атоме. Электроны, осуществляющие связь, обобществлены и перемещаются по всей кристаллической решетке в целом нейтрального металла.

Веществам с металлической связью присущи металлические кристаллические решетки, которые обычно изображают схематически так, как показано на рисунке 40. В узлах находятся катионы и атомы металлов. Обобществленные электроны электростатически притягивают катионы металлов, расположенные в узлах кристаллической решетки, обеспечивая ее стабильность и прочность (обобществленные электроны изображены в виде черных маленьких шариков).

Рис. 40.
Металлическая кристаллическая решетка

Металлическая связь — это связь в металлах и сплавах между катионами металлов, расположенными в узлах кристаллической решетки, которая осуществляется обобществленными валентными электронами.

Некоторые металлы кристаллизуются в двух или более кристаллических формах. Это свойство веществ — существовать в нескольких кристаллических модификациях — называют полиморфизмом. Полиморфизм для простых веществ вам известен под названием аллотропия.

Например, железо имеет четыре кристаллические модификации (α, β, γ, δ), каждая из которых устойчива в определенных температурных интервалах. Из них только α-железо, устойчивое до 768 °С, обладает способностью намагничиваться и сохранять это состояние.

Олово имеет две кристаллические модификации:

α — устойчива ниже 13,2 °С(ρ = 5,75 г/см 3 ). Это серое олово. Оно имеет кристаллическую решетку типа алмаза (атомную);
β — устойчива выше 13,2 °С (ρ = 6,55 г/см 3 ). Это белое олово.

Белое олово — серебристо-белый, очень мягкий металл. При охлаждении ниже 13,2 °С он рассыпается в серый порошок, так как при переходе β → α значительно увеличивается его удельный объем. Это явление получило название оловянной чумы.

Конечно, особый вид химической связи и тип кристаллической решетки металлов должны определять и объяснять их физические свойства.

Каковы же они? Это металлический блеск, пластичность, высокая электрическая проводимость и теплопроводность, рост электрического сопротивления при повышении температуры, а также такие практически значимые свойства, как плотность, температуры плавления и кипения, твердость, магнитные свойства.

Давайте попробуем объяснить причины, определяющие основные физические свойства металлов.

Почему металлы пластичны?

Механическое воздействие на кристалл с металлической кристаллической решеткой вызывает смещение слоев ион-атомов относительно друг друга, а так как электроны перемещаются по всему кристаллу, разрыв связей не происходит, поэтому для металлов характерна большая пластичность.

Аналогичное воздействие на твердое вещество с ковалентными связями (атомной кристаллической решеткой) приводит к разрыву ковалентных связей. Разрыв связей в ионной решетке приводит к взаимному отталкиванию одноименно заряженных ионов (рис. 41). Поэтому вещества с атомными и ионными кристаллическими решетками хрупкие.

Рис. 41.
Смещение слоев в атомной (а), ионной (б) и металлической (в) кристаллических решетках при механическом воздействии на твердые тела

Наиболее пластичные металлы — это золото, серебро, медь, олово, свинец, цинк. Они легко вытягиваются в проволоку, поддаются ковке, прессованию, прокатыванию в листы. Например, из золота можно изготовить золотую фольгу толщиной 0,003 мм, а из 0,5 г этого металла можно вытянуть нить длиной 1 км.

Даже ртуть, которая, как вы знаете, при комнатной температуре жидкая, при низких температурах в твердом состоянии становится ковкой, как свинец. Не обладают пластичностью лишь висмут и марганец, они хрупкие.

Почему металлы имеют характерный блеск, а также непрозрачны?

Электроны, заполняющие межатомное пространство, отражают световые лучи (а не пропускают, как стекло), причем большинство металлов в равной степени рассеивают все лучи видимой части спектра. Поэтому они имеют серебристо-белый или серый цвет. Стронций, золото и медь в большей степени поглощают короткие волны (близкие к фиолетовому цвету) и отражают длинные волны светового спектра, поэтому имеют соответственно светло-желтый, желтый и «медный» цвета.

Хотя на практике, вы знаете, металл не всегда нам кажется «светлым телом». Во-первых, его поверхность может окисляться и терять блеск. Поэтому самородная медь выглядит зеленоватым камнем. А во-вторых, и чистый металл может не блестеть. Очень тонкие листки серебра и золота имеют голубовато-зеленый цвет. А мелкие порошки металлов кажутся темно-серыми, даже черными.

Наибольшую отражательную способность имеют серебро, алюминий, палладий. Их используют при изготовлении зеркал, в том числе и в прожекторах.

Почему металлы имеют высокую электрическую проводимость и теплопроводны?

Хаотически движущиеся электроны в металле под воздействием приложенного электрического напряжения приобретают направленное движение, т. е. металлы проводят электрический ток. При повышении температуры металла возрастают амплитуды колебаний находящихся в узлах кристаллической решетки атомов и ионов. Это затрудняет перемещение электронов, электрическая проводимость металла падает. При низких температурах колебательное движение, наоборот, сильно уменьшается и электрическая проводимость металлов резко возрастает. Вблизи абсолютного нуля сопротивление у металлов практически отсутствует, у большинства металлов появляется сверхпроводимость.

Следует отметить, что неметаллы, обладающие электрической проводимостью (например, графит), при низких температурах, наоборот, не проводят электрический ток из-за отсутствия свободных электронов. И только с повышением температуры и разрушением некоторых ковалентных связей их электрическая проводимость начинает возрастать.

Наибольшую электрическую проводимость имеют серебро, медь, а также золото, алюминий, наименьшую — марганец, свинец, ртуть.

Чаще всего с той же закономерностью, как и электрическая проводимость, изменяется теплопроводность металлов.

Она обусловлена большой подвижностью свободных электронов, которые, сталкиваясь с колеблющимися ионами и атомами, обмениваются с ними энергией. Поэтому происходит выравнивание температуры по всему куску металла.

Механическая прочность, плотность, температура плавления у металлов очень сильно отличаются. Причем с увеличением числа электронов, связывающих ион-атомы, и уменьшением межатомного расстояния в кристаллах показатели этих свойств возрастают.

Так, щелочные металлы (Li, К, Na, Rb, Cs), атомы которых имеют один валентный электрон, мягкие (режутся ножом), с небольшой плотностью (литий — самый легкий металл с ρ = 0,53 г/см 3 ) и плавятся при невысоких температурах (например, температура плавления цезия 29 °С). Единственный металл, жидкий при обычных условиях, — ртуть — имеет температуру плавления, равную -38,9 °С.

Кальций, имеющий два электрона на внешнем энергетическом уровне атомов, гораздо более тверд и плавится при более высокой температуре (842 °С).

Еще более прочной является кристаллическая решетка, образованная атомами скандия, которые имеют три валентных электрона.

Но самые прочные кристаллические решетки, большие плотности и температуры плавления наблюдаются у металлов побочных подгрупп V, VI, VII, VIII групп. Это объясняется тем, что для металлов побочных подгрупп, имеющих неспаренные валентные электроны на d-подуровне, характерно образование очень прочных ковалентных связей между атомами, помимо металлической, осуществляемой электронами внешнего слоя с s-орбиталей.

Вспомните, что самый тяжелый металл — это осмий Os с ρ = 22,5 г/см 3 (компонент сверхтвердых и износостойких сплавов), самый тугоплавкий металл — это вольфрам с t_пл = 3420 °С (применяется для изготовления нитей накаливания ламп), самый твердый металл — это хром Сr (царапает стекло). Они входят в состав материалов, из которых изготавливают металлорежущий инструмент, тормозные колодки тяжелых машин и др.

Металлы по-разному взаимодействуют с магнитным полем. Такие металлы, как железо, кобальт, никель и гадолиний, выделяются своей способностью сильно намагничиваться и долго сохранять состояние намагниченности. Их называют ферромагнетиками. Большинство металлов (щелочные и щелочноземельные металлы и значительная часть переходных металлов) слабо намагничиваются и не сохраняют это состояние вне магнитного поля — это парамагнетики. Металлы, выталкиваемые магнитным полем, — диамагнетики (медь, серебро, золото, висмут).

Напомним, что при рассмотрении электронного строения металлов мы подразделили металлы на металлы главных подгрупп (s- и p-элементы) и металлы побочных подгрупп (переходные d- и f-элементы).

В технике принято классифицировать металлы по различным физическим свойствам:

а) плотности — легкие (ρ 3 ) и тяжелые (все остальные);

б) температуре плавления — легкоплавкие и тугоплавкие.

Принято железо и его сплавы считать черными металлами, а все остальные — цветными.

Существуют классификации металлов по химическим свойствам.

Металлы с низкой химической активностью называют благородными (серебро, золото, платина и ее аналоги — осмий, иридий, рутений, палладий, родий).

По близости химических свойств выделяют щелочные (металлы I группы главной подгруппы), щелочноземельные (кальций, стронций, барий, радий), а также редкоземельные металлы (скандий, иттрий, лантан и лантаноиды, актиний и актиноиды).

Почему все металлы пластичны

Почему металлы ковки и пластичны? Эти два свойства, похоже, связаны между собой. Возможно ли микроскопическое понимание этих свойств?

Ответы

Давайте проведем сравнение с керамикой, которая – как и металлы, как правило, пластичны – обычно хрупкая.

Во-первых, обратите внимание, что кристаллы (и металлы, и керамика, как правило, поликристаллические) могут деформироваться в результате движения дислокаций. Дислокация – это линейный дефект, несущий пластичность через кристалл. Классическая аналогия состоит в том, чтобы сдвинуть коврик, отталкивая его по длине. Вам не нужно деформировать весь кристалл сразу; вам просто нужно провести один (или несколько) дислокаций через материал, разрывая относительно небольшое количество связей за один раз.

Вот простая иллюстрация изогнутой дислокации, несущей сдвиг через кристалл; прохождение дислокации оставляет новый постоянный шаг:

Читать еще: Что такое стеклопластиковая арматура

Так что это очень удобный способ достижения постоянной деформации. Однако разрывать эти связи в металлах гораздо легче, чем в керамике, потому что металлические связи в первом слабее, чем в ионных / ковалентных связях во втором (о чем свидетельствует тот факт, что керамика, как правило, тугоплавкая, т. Е. Обладает высокой температурой плавления). температура). В частности, делокализованная природа электронов в металлах позволяет дислокации легко скользить . Это соответствует пластичности / податливости. (Эти два термина идентичны для этого обсуждения; они отличаются только типом условий нагружения, которые приводят к легкой деформации.)

Кроме того, в металлах с гранецентрированной кубической кристаллической структурой (например, золото или медь) структурная симметрия обеспечивает множество возможных плоскостей скольжения, вдоль которых могут легко распространяться дислокации. Это соответствует еще большей пластичности / податливости.

Вот иллюстрация гранецентрированной кубической структуры; тесная упаковка атомов в нескольких плоскостях позволяет дислокациям прыгать только на короткие расстояния, что значительно облегчает их прохождение:

Напротив, движение дислокации в керамике настолько сильно затруднено (поскольку связи являются направленными, а заряды жестко фиксированными), что может потребоваться меньше энергии, чтобы просто разорвать все связи сразу, что соответствует объемному разрушению и хрупкости.

Одним из следствий этих микроскопических различий между металлами и керамикой является то, как они реагируют на трещины или дефекты. Острая трещина создает концентрацию напряжений, в основном потому, что поле напряжений должно резко крутиться вокруг нее. В металле эта концентрация напряжений не представляет большой проблемы – некоторые дислокации будут двигаться, что приведет к пластической деформации и затуплению кончика трещины. Этот вариант гораздо менее вероятен в керамике из-за препятствий для движения дислокации. Может быть, будет проще разорвать связи и сформировать новую открытую поверхность в бывшей области высокого напряжения. Это механизм распространения трещины, и если трещина продолжает распространяться, вы получите объемное разрушение.

Металлы податливы и пластичны из-за металлического соединения. Металлическая связь отличается от ионной и ковалентной связи. Металлическое соединение – это собственный тип соединения. Металлические связи описываются современной теорией связей, применяя уравнение Шредингера к каждому атому и сближая атомы, чтобы сформировать столько волновых функций, сколько их атомов. Существуют связи и антисвязанные волновые образования, описывающие возможные волновые функции. Все они формируют возможные энергии зоны. Связи в кристаллической структуре удерживают структуру только тогда, когда среднее состояние связанной энергии ниже, чем в изолированных состояниях. Металлы имеют среднюю энергетическую структуру ниже, чем изолированные атомы. Уровень ферми должен знать, чтобы понять, что происходит рядом с валентными электронами в металле. Таблицы для этого уровня энергии различных металлов, представляющих интерес, можно посмотреть. Уровень энергии ферми является верхним энергетическим состоянием всех спаренных электронов в абсолютном нуле. В абсолютном нуле все электроны внутри спарены и последовательно заполняют занятые состояния от нижней энергии до энергии Ферми. Когда металл нагревается, электроны могут переходить в состояния с более высокой энергией вплоть до уровня вакуума, который является самым высоким антибондом в структуре. После уровня вакуума электрон выбрасывается из металла. Ферми-энергия важна, потому что она чудесным образом является средней энергией электронов в металлической структуре выше абсолютного нуля. В металлах появилась зона проводимости, потому что все орбитали перекрываются, а внешний электрон имеет очень низкий уровень ионизации. Зона проводимости очень близка к уровню энергии ферми. Очень небольшая разница в тепле или потенциале необходима, чтобы поднять электроны до более высоких состояний энергии проводимости, чтобы перемещаться внутри своей структуры. Разница между энергией ферми и зоной проводимости слабо известна как ширина полосы. В проводниках запрещенной зоны на самом деле не существует, потому что орбитали перекрываются и разделяют подвижный электрон. Орбитальное перекрытие и подвижный электрон создают непрерывный энергетический спектр. Электронам постоянно разрешено занимать более высокие энергетические состояния. По существу, связанное состояние между двумя атомами металла ниже, чем у одного атома, и один атом должен ионизировать свой электрон, чтобы сформировать связь. Если вы знакомы с работой выхода металла (уровень энергии Ферми + энергия фотона для выброса электрона). зона проводимости находится между этой точкой и уровнем Ферми, но порядка чего-то достаточно малого, что позволяет электрону очень легко перемещаться по структуре и никогда не принадлежать конкретному атому. Однако зона проводимости может быть прямо на уровне ферми. Квантово-механически электроны внутри металлической структуры представлены в виде бегущих волн. Известно, что они образуют своего рода электронное облако внутри структуры, склеивающей атомы вместе с кулоновским притяжением между атомами ионизированного заряда положительного иона. Вы можете визуализировать шары, аккуратно сложенные с идеальными слоями и кубической формой с типом облака, удерживающим его вместе. Когда электроны движутся, они создают дыру, и это новое место для другого электрона. Электроны движутся случайно или за счет энергии импульса. В среднем заряда электрона всегда достаточно, чтобы склеить вещи, потому что случайным образом существует определенное среднее значение, чтобы хотеть заполнить дыру, или внешняя энергия, которую электроны имеют направление в дыру от источника дальше назад. Податливость и податливость являются результатом металлического соединения. Поскольку электроны могут перемещаться достаточно легко, металлическими атомами можно манипулировать так, чтобы они перемещались желаемым образом, и ничто не ограничивает электронное облако от перемещения назад вокруг смещенных атомов. Податливость и податливость кажутся возможными из-за этого феномена. Прочность материала связана с выравниванием кристаллоподобных образований. т. е. металл хочет начать в одном кристаллеобразном образовании. Вот почему смягченный метель становится мягким во время медленного процесса охлаждения. Атомы пытаются превратиться в идеальный кристалл. Но поскольку он нагревается и охлаждается достаточно быстро, эта кристаллическая структура распадется на субкристаллические структуры (структура, образованная более чем одной меньшей кристаллической структурой). Вероятно, из-за термодинамических принципов. Возможно, всплески электронного облака из более горячих в более холодные регионы происходят внутренним образом, чтобы создать достаточную силу вдоль определенных точек, чтобы сместить вещи вокруг пропорционально коллективной силе субкристаллов? Независимо от этого процесс дает всему металлу более сильный и ломкий эффект. После этого электроны могут дрейфовать вокруг закаленной стали, как и раньше, но пути изменились. Что касается податливости и пластичности, состояние кристаллической структуры, вероятно, усредняется, чтобы сохранить то же первоначальное образование кристаллов, но уровни снижаются (т.е. нижний / верхний / смежный уровни). Электроны просто перетекают в сжатую структуру, как будто ничто не отличается во время и после процесса. Но давление создает тепло, и это тепло заставляет атом оставаться в более высоких энергетических состояниях (в среднем). Более высокие состояния являются антисвязанными состояниями, поэтому нет никакого клея, удерживающего атом с его соседями, пока сила не будет удалена. Когда металл нагревают, количество энергии антисвязанных электронов увеличивается, и легче манипулировать сталью до желаемой формы, потому что электроны хотят дрейфовать в более холодные области. Таким образом, количество клея, удерживаемого в нагретой структуре, уменьшается пропорционально количеству тепла. Податливость и воздухопроницаемость звучат практически одинаково, потому что они включают одинаковое количество нагрева или охлаждения.

Пластичность, в чем она состоит, свойства, примеры, эксперименты

тягучесть это технологическое свойство материалов, позволяющее им деформироваться до растяжения; то есть разделение его двух концов без раннего перелома где-то посередине удлиненного участка. По мере удлинения материала его поперечное сечение уменьшается, становясь более тонким.

Поэтому пластичные материалы механически обрабатывают, чтобы придать им нитевидные формы (провода, кабели, иглы и т. Д.). На швейных машинах катушки с витыми нитями представляют собой домашний пример пластичных материалов; в противном случае текстильные волокна никогда бы не приобрели характерных форм.

Какова цель пластичности в материалах? Способность преодолевать большие расстояния или привлекательные дизайны, будь то для разработки инструментов, украшений, игрушек; или для транспортировки некоторой жидкости, такой как электрический ток.

Последнее приложение представляет собой ключевой пример пластичности материалов, особенно металлов. Тонкие медные провода (верхнее изображение) являются хорошими проводниками электричества, и наряду с золотом и платиной доступны во многих электронных устройствах для обеспечения их работы..

Некоторые волокна настолько тонкие (толщиной всего в несколько микрометров), что поэтическая фраза «золотые волосы» приобретает все истинное значение. То же самое касается меди и серебра.

Пластичность не была бы возможным свойством, если бы не было молекулярной или атомной перегруппировки для противодействия падающей растягивающей силе. И если бы его не существовало, человек никогда бы не узнал о кабелях, антеннах, мостах, которые исчезли бы, и мир остался бы в темноте без электрического света (помимо других неисчислимых последствий).

1 Что такое пластичность??
2 свойства
3 Примеры пластичных металлов
- 3.1 Размер зерен и кристаллические структуры металлов
- 3.2 Влияние температуры на пластичность металлов
4 Эксперимент по объяснению пластичности у детей и подростков
- 4.1 Жевательная резинка и пластилин
- 4.2 Демонстрация с металлами
5 ссылок

Что такое пластичность?

В отличие от пластичности пластичность заслуживает более эффективной структурной перестройки.

Почему? Потому что, когда поверхность, где натяжение больше, твердое тело имеет больше средств для скольжения своих молекул или атомов, образуя листы или пластины; в то время как когда напряжение сосредоточено во все меньшем поперечном сечении, молекулярное скольжение должно быть более эффективным для противодействия этой силе..

Не все твердые вещества или материалы могут это сделать, и по этой причине они разрушаются при испытаниях на растяжение. Полученные разрывы в среднем горизонтальны, в то время как из пластичных материалов конические или заостренные, признак растяжения.

Пластичные материалы также могут прорваться через точку напряжения. Это может быть увеличено, если температура повышается, так как тепло способствует и облегчает молекулярные слайды (хотя есть несколько исключений). Именно благодаря этим оползням материал может проявлять пластичность и, следовательно, быть пластичным.

Однако пластичность материала включает в себя другие переменные, такие как влажность, тепло, примеси и способ применения силы. Например, свежеплавленное стекло является пластичным, принимая нитевидные формы; но при охлаждении становится хрупким и может сломаться при любом механическом воздействии.

свойства

Пластичные материалы имеют свои собственные свойства, непосредственно связанные с их молекулярным расположением. В этом смысле жесткий металлический стержень и мокрый глиняный стержень могут быть пластичными, даже если их свойства сильно отличаются.

Тем не менее, все они имеют что-то общее: пластичное поведение до распада. В чем разница между пластиком и упругим предметом?

Эластичный объект обратимо деформируется, что происходит первоначально с пластичными материалами; но сила растяжения увеличивается, деформация становится необратимой, и объект становится пластичным.

С этого момента проволока или нить принимают определенную форму. После непрерывного растяжения его поперечное сечение становится настолько малым, а растягивающее напряжение слишком высоким, так что его молекулярные скольжения больше не могут противодействовать растяжению и в конечном итоге разрушаются..

Если пластичность материала чрезвычайно высока, как в случае с золотом, с помощью одного грамма можно получить провода длиной до 66 км, толщиной 1 мкм..

Чем длиннее проволока, полученная из массы, тем меньше ее поперечное сечение (если у вас нет тонны золота, чтобы построить проволоку значительной толщины)..

Примеры пластичных металлов

Металлы относятся к пластичным материалам с неисчислимым количеством применений. Триада состоит из металлов: золота, меди и платины. Один золотой, другой розовато-оранжевый, а последний серебряный. В дополнение к этим металлам есть и другие с более низкой пластичностью:

Читать еще: Сколько весит арматура 14

-Латунь (и другие металлические сплавы)

-Сталь (хотя на ее пластичность может повлиять, в зависимости от ее углеродного состава и других добавок)

-Свинец (но в определенных небольших температурных диапазонах)

Без предварительных экспериментальных знаний трудно определить, какие металлы действительно пластичны. Его пластичность зависит от степени чистоты и от того, как добавки взаимодействуют с металлическим стеклом.

Другие переменные, такие как размер кристаллических зерен и расположение кристалла, также рассматриваются. Кроме того, количество электронов и молекулярных орбиталей, участвующих в связи металла, то есть в «море электронов», также играет важную роль.

Взаимодействия между всеми этими микроскопическими и электронными переменными делают пластичность концепцией, которую необходимо глубоко проанализировать с помощью многомерного анализа; и вы найдете отсутствие стандартного правила для всех металлов.

Именно по этой причине два металла, хотя и с очень похожими характеристиками, могут быть или не быть пластичными.

Размер зерен и кристаллические структуры металлов

Зерна представляют собой кристаллические участки, которые не имеют заметных неровностей (зазоров) в своих трехмерных решетках. В идеале они должны быть полностью симметричными, а их структура должна быть четко определена..

Каждое зерно для одного и того же металла имеет одинаковую кристаллическую структуру; то есть металл с компактной гексагональной структурой, ГПУ, имеет зерна с кристаллами с системой ГПУ. Они расположены таким образом, что перед силой тяги или растяжения они скользят друг над другом, как если бы они были плоскостями, состоящими из мрамора..

Обычно, когда плоскости, состоящие из мелких зерен, скользят, они должны преодолевать большую силу трения; в то время как если они большие, они могут двигаться более свободно. Фактически, некоторые исследователи стремятся изменить пластичность некоторых сплавов посредством контролируемого роста их кристаллических зерен..

С другой стороны, что касается кристаллической структуры, то обычно металлы с кристаллической системой ГЦК (гранец по центру, или кубические по центру лица) являются наиболее пластичными. Между тем, металлы с ОЦК кристаллической структурой (кубическое тело, кубические с центром на гранях) или ГПУ, как правило, менее пластичны.

Например, и медь, и железо кристаллизуются с помощью ГЦК-компоновки и являются более пластичными, чем цинк и кобальт, оба с ГЦП-компоновками.

Влияние температуры на пластичность металлов

Высокая температура может уменьшить или увеличить пластичность материалов, и исключения также относятся к металлам. Однако, как правило, при размягчении металлов, тем больше возможностей превратить их в нити, не разрывая их..

Это связано с тем, что повышение температуры вызывает колебание металлических атомов, что приводит к объединению зерен; то есть несколько мелких зерен соединяются, образуя крупное зерно.

С более крупными зернами пластичность увеличивается, и молекулярные слайды сталкиваются с меньшим количеством физических препятствий.

Эксперимент по объяснению пластичности у детей и подростков

Пластичность становится чрезвычайно сложной концепцией, если начать анализировать под микроскопом. Итак, как вы объясните это детям и подросткам? Таким образом, что это кажется настолько простым, насколько это возможно, на ваших любопытных глазах.

Жевательная резинка и пластилин

До сих пор мы говорили о металлах и расплавленном стекле, но есть и другие невероятно пластичные материалы: жевательная резинка и пластилин..

Чтобы продемонстрировать пластичность жевательной резинки, достаточно схватить две массы и начать их растягивать; один слева, а другой справа. Результатом будет мост подвески жевательной резинки, который не сможет вернуться к своей первоначальной форме, если не будет разминать руками.

Тем не менее, наступит момент, когда мост в конечном итоге сломается (и пол будет испачкан жвачкой).

На изображении выше показано, как ребенок, нажимающий на контейнер с отверстиями, заставляет пластилин появляться, как если бы это были волосы. Сухое игровое тесто менее пластично, чем маслянистое; следовательно, эксперимент может состоять просто в создании двух дождевых червей: один с сухим пластилином, а другой увлажненный маслом.

Ребенок заметит, что маслянистый червь легче вылепить и набрать длину за счет своей толщины; Пока червь высыхает, он может несколько раз сломаться.

Пластилин также представляет собой идеальный материал, чтобы объяснить разницу между податливостью (лодка, ворота) и пластичностью (волосы, дождевые черви, змеи, саламандры и т. Д.).

Демонстрация с металлами

Хотя подростки не будут манипулировать чем-либо, возможность стать свидетелем образования медных проводов в первом ряду может стать для них привлекательным и интересным опытом. Демонстрация пластичности будет еще более полной, если мы перейдем к другим металлам и, таким образом, сможем сравнить их пластичность..

Далее все провода должны подвергаться постоянному растяжению до их точки разрыва. При этом подросток будет визуально подтверждать, как пластичность влияет на сопротивление проволоки разрыву..

Свойства простых веществ — металлов и неметаллов

Теория к заданию 6 из ЕГЭ по химии

Характерные химические свойства простых веществ — металлов: щелочных, щелочноземельных, алюминия, переходных металлов — меди, цинка, хрома, железа

Простые вещества – металлы

Начавшаяся примерно $100$ лет назад научно-техническая революция, затронувшая и промышленность, и социальную сферу, также тесно связана с производством металлов. На основе вольфрама, молибдена, титана и других металлов начали создавать коррозионностойкие, сверхтвердые, тугоплавкие сплавы, применение которых сильно расширило возможности машиностроения. В ядерной и космической технике из сплавов вольфрама и рения делают детали, работающие при температурах до $3000°С$; в медицине используют хирургические инструменты из сплавов тантала и платины, уникальной керамики на основе оксидов титана и циркония.

И, конечно же, мы не должны забывать, что в большинстве сплавов используют давно известный металл железо, а основу многих легких сплавов составляют сравнительно «молодые» металлы — алюминий и магний.

Сверхновыми стали композиционные материалы, представляющие, например, полимер или керамику, которые внутри (как бетон железными прутьями) упрочнены металлическими волокнами из вольфрама, молибдена, стали и других металлов и сплавов — все зависит от поставленной цели и необходимых для ее достижения свойств материала.

Вы уже имеете представление о природе химической связи в кристаллах металлов. Напомним на примере одного из них — натрия, как она образуется. На рисунке изображена схема кристаллической решетки натрия. В ней каждый атом натрия окружен восемью соседями. У атома натрия, как и у всех металлов, имеется много свободных валентных орбиталей и мало валентных электронов. Электронная формула атома натрия: $1s^<2>2s^<2>2p^<6>3s^<1>3p^<0>3d^<0>$, где $3s, 3p, 3d$ — валентные орбитали.

Единственный валентный электрон атома натрия $3s^1$ может занимать любую из девяти свободных орбиталей — $3s$ (одна), $3р$ (три) и $3d$ (пять), ведь они не очень отличаются по уровню энергии. При сближении атомов, когда образуется кристаллическая решетка, валентные орбитали соседних атомов перекрываются, благодаря чему электроны свободно перемещаются с одной орбитали на другую, осуществляя связь между всеми атомами кристалла металла.

Такую химическую связь называют металлической. Металлическую связь образуют элементы, атомы которых на внешнем слое имеют мало валентных электронов по сравнению с большим числом внешних энергетически близких орбиталей. Их валентные электроны слабо удерживаются в атоме. Электроны, осуществляющие связь, обобществлены и перемещаются по всей кристаллической решетке в целом нейтрального металла.

Веществам с металлической связью присущи металлические кристаллические решетки, которые обычно изображают схематически так, как показано на рисунке. Катионы и атомы металлов, расположенные в узлах кристаллической решетки, обеспечивают ее стабильность и прочность (обобществленные электроны изображены в виде черных маленьких шариков).

Металлическая связь — это связь в металлах и сплавах между атомионами металлов, расположенными в узлах кристаллической решетки, осуществляемая обобществленными валентными электронами.

Некоторые металлы кристаллизуются в двух или более кристаллических формах. Это свойство веществ — существовать в нескольких кристаллических модификациях — называют полиморфизмом.

Например, железо имеет четыре кристаллических модификации, каждая из которых устойчива в определенном температурном интервале:

$α$ — устойчива до $768°С$, ферромагнитная;
$β$ — устойчива от $768$ до $910°С$, неферромагнитная, т.е. парамагнитная;
$γ$ — устойчива от $910$ до $1390°С$, неферромагнитная, т.е. парамагнитная;
$δ$ — устойчива от $1390$ до $1539°С$ ($t°_ <пл.>железа), неферромагнитная.

Олово имеет две кристаллические модификации:

$α$ — устойчива ниже $13,2°С$ ($ρ=5,75 г/см^3$). Это серое олово. Оно имеет кристаллическую решетку типа алмаза (атомную);
$β$ — устойчива выше $13,2°С$ ($ρ=6,55 г/см^3$). Это белое олово.

Белое олово — серебристо-белый очень мягкий металл. При охлаждении ниже $13,2°С$ он рассыпается в серый порошок, т.к. при переходе $β→α$ значительно увеличивается его удельный объем. Это явление получило название «оловянной чумы».

Каковы же они? Это металлический блеск, пластичность, высокая электрическая проводимость и теплопроводность, рост электрического сопротивления при повышении температуры, а также такие значимые свойства, как плотность, высокие температуры плавления и кипения, твердость, магнитные свойства.

Давайте попробуем объяснить причины, определяющие основные физические свойства металлов.

Почему металлы пластичны?

Механическое воздействие на кристалл с металлической кристаллической решеткой вызывает смещение слоев ион-атомов друг относительно друга, а так как электроны перемещаются по всему кристаллу, разрыв связей не происходит, поэтому для металлов характерна большая пластичность.

Аналогичное воздействие на твердое вещество с ковалентными связями (атомной кристаллической решеткой) приводит к разрыву ковалентных связей. Разрыв связей в ионной решетке приводит к взаимному отталкиванию одноименно заряженных ионов. По этому вещества с атомными и ионными кристаллическими решетками хрупкие.

Наиболее пластичные металлы — это $Au, Ag, Sn, Pb, Zn$. Они легко вытягиваются в проволоку, поддаются ковке, прессованию, прокатыванию в листы. Например, из золота можно изготовить золотую фольгу толщиной $0,003$ мм, а из $0,5$ г этого металла можно вытянуть нить длиной $1$ км.

Почему металлы имеют характерный блеск, а также непрозрачны?

Электроны, заполняющие межатомное пространство, отражают световые лучи (а не пропускают, как стекло), причем большинство металлов в равной степени рассеивают все лучи видимой части спектра. Поэтому они имеют серебристо-белый или серый цвет. Стронций, золото и медь в большей степени поглощают короткие волны (близкие к фиолетовому цвету) и отражают длинные волны светового спектра, поэтому имеют светло-желтый, желтый и медный цвета.

Хотя на практике металл не всегда нам кажется светлым телом. Во-первых, его поверхность может окисляться и терять блеск. Поэтому самородная медь выглядит зеленоватым камнем. А во-вторых, и чистый металл может не блестеть. Очень тонкие листы серебра и золота имеют совершенно неожиданный вид — они имеют голубовато-зеленый цвет. А мелкие порошки металлов кажутся темно-серыми, даже черными.

Почему металлы имеют высокую электрическую проводимость и теплопроводны?

Хаотически движущиеся электроны в металле под воздействием приложенного электрического напряжения приобретают направленное движение, т. е. проводят электрический ток. При повышении температуры металла возрастают амплитуды колебаний находящихся в узлах кристаллической решетки атомов и ионов. Это затрудняет перемещение электронов, электрическая проводимость металла падает. При низких температурах колебательное движение, наоборот, сильно уменьшается и электрическая проводимость металлов резко возрастает. Вблизи абсолютного нуля сопротивление у металлов практически отсутствует, у большинства металлов появляется сверхпроводимость.

Она обусловлена большой подвижностью свободных электронов, которые, сталкиваясь с колеблющимися ионами и атомами, обмениваются с ними энергией. Происходит выравнивание температуры по всему куску металла.

Так, щелочные металлы ($Li, K, Na, Rb, Cs$), атомы которых имеют один валентный электрон, мягкие, с небольшой плотностью (литий — самый легкий металл с $ρ=0,53 г/см^3$) и плавятся при невысоких температурах (например, температура плавления цезия $29°С$). Единственный металл, жидкий при обычных условиях, — ртуть — имеет температуру плавления, равную $–38,9°С$.

Кальций, имеющий два электрона на внешнем энергетическом уровне атомов, гораздо более тверд и плавится при более высокой температуре ($842°С$).

Еще более прочной является кристаллическая решетка, образованная ионами скандия, который имеет три валентных электрона.

Вспомните, что самый тяжелый металл — это осмий $Os$ с $ρ=22,5 г/см^3$ (компонент сверхтвердых и износостойких сплавов), самый тугоплавкий металл — это вольфрам $W$ с $t_<пл.>=3420°С$ (применяется для изготовления нитей накаливания ламп), самый твердый металл — это хром $Cr$ (царапает стекло). Они входят в состав материалов, из которых изготавливают металлорежущий инструмент, тормозные колодки тяжелых машин и др.

Металлы по-разному взаимодействуют с магнитным полем. Такие металлы, как железо, кобальт, никель и гадолиний выделяются своей способностью сильно намагничиваться. Их называют ферромагнетиками. Большинство металлов (щелочные и щелочноземельные металлы и значительная часть переходных металлов) слабо намагничиваются и не сохраняют это состояние вне магнитного поля — это парамагнетики. Металлы, выталкиваемые магнитным полем, — диамагнетики (медь, серебро, золото, висмут).

Напомним, что при рассмотрении электронного строения металлов мы разделили металлы на металлы главных подгрупп ($s-$ и $р-$элементы) и металлы побочных подгрупп (переходные $d-$ и $f-$элементы).

В технике принято классифицировать металлы по различным физическим свойствам:

ПОЧЕМУ ЖЕ СПЛАВЫ, А НЕ МЕТАЛЛЫ

Металлы И сплавы В СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКЕ

Автор: Мясников Виктор Владимирович.

СИМВОЛ УДАЧИ И СЧАСТЬЯ

Человеческая цивилизация существует несколько десятков тысяч лет и за это время, открыто и изобретено немало вещей и предметов. Много из того, что изобрел древний человек, забыто или потеряно, не говоря уже об их представлениях о природе и её составных частях. Однако, сегодня, как и в древности и в средневековье символом удачи является подкова. Когда-то она была сделана вручную из первых известных металлов, наверняка – это было – золото или серебро. Сегодня же она не только делается вручную, но и легко штампуется или производится литейным способом в специальной форме из множества «древних» и «новых» металлов .

МЕТАЛЛЫ СЕГОДНЯ

Современную жизнь невозможно себе представить без применения изделий и материалов изготовленных на основе металлов. Сегодня человек использует более восьмидесяти металлов и около 5000 сплавов на их основе. Свое широкое применение во всех областях промышленности и в быту они получили благодаря своим свойствам: металлическому блеску, высокой механической прочности, твердости, ковкости и пластичности, тепло- и электрической проводимости, магнитным и др.

В современной химии металлы подразделяют на множество групп, вот некоторые из них:

а) легкие и тяжелые – если металл имеет плотность до 5 г/см 3 , то металл лёгкий (самый лёгкий – литий), имея плотность больше 5 г/см 3 – металл тяжелый (самый тяжелый – осмий). Кстати, литий сегодня в виде аккумуляторных батарей – литий-ионных элементов питания используются примерно в 85 % всей персональной портативной электроники, и примерно в 97 % мобильных телефонов;

б) легкоплавкие и тугоплавкие – если металл имеет температуру плавления до 1000 ºС, то металл легкоплавкий (самый легкоплавкий – ртуть), а если температура больше 1000 ºС – тугоплавкий (самый тугоплавкий – вольфрам). Именно из вольфрама сделана нить накаливания в лампочке, а еще сегодня все больше и больше приобретает популярность, так называемая вольфрамовая бижутерия (рис. № 6), которая очень красивая и изящная.

в) черные и цветные – железо и его сплавы (чугун, сталь и ферросплавы) относятся к черным, все остальные к цветным. Именно железо сегодня является главным металлом современной техники, хотя в последние годы оно постепенно сдает свои позиции алюминию и титану;

г) благородные – золото, серебро, платина и металлы платиновой группы;

д) редкоземельные – скандий, иттрий, лантан и лантаноиды, а также рассеянные – галлий, индий, таллий, германий, гафний, рений и другие. Эти металлы широко используются в современной радиоэлектронике и приборостроении;

е) радиоактивные – радий, технеций, прометий, уран и другие актиноиды. Из них наибольшее применение имеет уран, которые добывается из урановой руды. Урановая руда обогащается, а на её основе изготовляются стрежни, используемые на атомных электростанциях.

ПОЧЕМУ ЖЕ СПЛАВЫ, А НЕ МЕТАЛЛЫ

Однако металлы в чистом виде используются редко, больше используются сплавы на их основе. Сплавы – это особые системы, состоящие из двух и более металлов, или металлов и неактивных неметаллов (углерод, фосфор, кремний, иногда сера). Свойства сплавов отличаются от свойств каждого из металлов входящих в его состав. Дело в том, что сплавлением одних металлов с другими можно существенно улучшить свойства многих металлов, например твердость, пластичность, текучесть, электрические, магнитные и термические свойства, а также антикоррозийную устойчивость.

Например, чистое золото – очень мягкий и пластичный металл и легко оставляет след от ногтей и царапается разными поверхностями. Если ты вспомнишь восточные сказки, то в них торговцы и лавочники, чтобы проверить подлинность чистых золотых монет «пробовали их на зуб». Теперь, наверное, тебе понятно для чего они это делали. Чтобы золотые монеты, украшения и другие изделия сохраняли свою форму, золото сплавляют с серебром или медью, такие сплавы очень твердые, но в тоже время сохраняют пластичность. Кстати, содержание благородного металла в сплаве называется пробой. Сегодня самой распространенной пробой золота является 583, т.е. на 1000 частей сплава приходится 583 части золота и 417 частей меди или серебра.

ОСНОВНЫЕ СПЛАВЫ СОВРЕМЕННОСТИ

Сплавы на основе железа – чугун и сталь.

Чугун – сплав железа, содержащий более 1,7 % углерода, а также другие неметаллы. Из чугуна можно отливать самые разнообразные изделия: крышки для люков, трубопроводную и каркасную арматуру, в быту ванны и другую сантехнику, но основное количество чугуна перерабатывается в сталь.

Сталь – сплав железа, содержащий менее 1,7 % углерода. В состав некоторых сталей входят хром, ванадий, никель, что улучшает их качество. Этот процесс называется легированием. Стали производится гораздо больше, чем какого-либо другого сплава, поэтому все области её применения перечислить очень трудно. Малоуглеродистая сталь в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, в том числе на корпуса мобильных телефонов, а сталь с более высоким содержанием углерода идет на изготовление режущих инструментов, например бритвенные лезвия и сверла.

Сплавы на основе алюминия – дюралюмин, силумин, магналий. Целая группа сплавов алюминия называется «авиали», по главной области применения – авиастроение. Дюралюмин – сплав на основе алюминия с медью и магнием, а также небольшими добавками марганца и кремния. Очень прочный сплав, из которого изготавливают корпуса как гражданских, так и военных самолетов и автомобилей, а также детали турбинных двигателей. Силумин – сплав на основе алюминия с кремнием. По прочности не уступает стали, однако более лёгкий и имеет высокую коррозийную устойчивость. Широко используется в авиа-, вагоно- и автомобилестроении, а также для изготовления деталей к колесам сельскохозяйственных машин.

Из алюминия производится огромное количество алюминиевой фольги, которая идёт на обёртки для лекарств, конфет и шоколада, а также для бытовых нужд.

Сплавы на основе меди – бронзы, латунь, мельхиор, нейзильбер. Бронзы – сплавы на основе меди с оловом, кремнием, алюминием, бериллием или марганцем. Исторически первой была оловянная бронза. Именно из такой бронзы были отлиты произведения искусства древности, статуи, пушки и колокола.

Сегодня же все больше применяется алюминиевая, бериллиевая и свинцовая бронзы. Из алюминиевой бронзы изготовляют детали авиационных двигателей, из свинцовой – подшипники для паровозов, водяных турбин и судовых двигателей, а из бериллиевой – пружины. Из бронзы также изготовляют корпуса мобильных телефонов, монеты, награды (ордена и медали) и ювелирные украшения.

Латунь – сплав меди с цинком. Этот сплав дешевле бронзы, легко обрабатывается и формуется, стойкий к химическим реагентам. Из неё изготавливают радиаторные трубы, детали сантехники, гильзы для патронов. Если к латуни добавить немного алюминия, то сплав похож на золото, поэтому из него изготавливают монеты, значки, изделия антиквариата.

Мельхиор – это сплав серебристого цвета на основе меди с никелем и добавками марганца. Сплав, который отлично обрабатывается давлением, поэтому можно изготавливать изделия самых причудливых форм. Устойчив к действию морской воды и перегретого водяного пара. В старину мельхиор называли «серебро для бедных» из-за своей невысокой стоимости и большим сходством с драгоценным металлом. Он широко применяется в кораблестроении, для изготовления столовых приборов, ювелирных украшений и предметов роскоши (подсвечники, статуэтки и т.д.), а также монет.

Нейзильбер (от нем. Neusilber – «новое серебро») – сплав меди с никелем и цинком. Характеризуется коррозионной устойчивостью, повышенной прочностью и упругостью после деформации, пластичностью в горячем и холодном состоянии. Применяется в промышленности для изготовления деталей точных приборов, медицинских и музыкальных инструментов, паровой и водяной арматуры, а также монет, медалей и ювелирных изделий.

Конечно, перечислить все сплавы, которые используются в современной технике невозможно. Наука и современная металлургия развиваются с огромной скоростью. Современная обработка металла и новейшие электронные приспособления позволяют изготавливать за короткий период самые трудные и нестандартные детали. Все больше и больше в мир металлов и сплавов на их основе внедряются ещё недавно фантастические нанотехнологии. Конечно, всё это – прогресс. Но остаётся на удачу та самая подкова, созданная когда-то древним кузнецом вручную.

Дата добавления: 2019-02-22 ; просмотров: 167 ;