Зі шкільного курсу хімії відомо, що всі елементи, які згруповані за певними правилами в періодичну таблицю Менделєєва, можна умовно розділити на метали і неметали. У цій статті буде розказано про кристалічну будову металів, їх фізико-хімічних властивостях, а також про дефекти на атомному рівні, які в них присутні.

Періодична таблиця і метали

У XIX столітті завдяки своєму блискучому розуму і багатьох років праці Дмитро Іванович Менделєєв склав таблицю, зібравши в неї всі відомі на той час хімічні елементи. Кожному з них в таблиці відведено певне положення в відповідності з числом протонів в атомному ядрі. Вся таблиця ділиться на 7 періодів (горизонтальні рядки) і 8 груп (вертикальні рядки). Чим більше період, тим більше радіус атома елемента, і тим на більш високих орбіталях розташовані його валентні електрони. Навпаки, чим старша група (рух по таблиці зліва направо), тим більше валентних електронів знаходиться на останній орбіталі і тим менший радіус атома.

Будь-який елемент таблиці можна умовно віднести або до металів, або до неметаллам. Метали розташовані по ліву сторону від діагоналі бор (B) – полоній (Po). Якщо поглянути на таблицю, то можна відразу зрозуміти, що кількість металів у кілька разів перевищує число неметалів.

Що таке метал і чим він відрізняється від неметалів?

Іншими словами, як можна зрозуміти, що перед нами знаходиться металевий матеріал? Відповіді на всі ці питання можна отримати, якщо розглянути унікальні властивості металів. До них належать такі основні:

• Наявність металевого блиску при поліруванні поверхні. Всі метали блищать, у своїй більшості вони мають сірий колір, однак, деякі метали володіють специфічною забарвленням, наприклад, вісмут рожевий, мідь червонувата, а золото-жовте.
• Висока теплопровідність і електропровідність. При кімнатній температурі найбільш високі показники для цих фізичних властивостей характерні для міді і срібла.
• При кімнатній температурі практично всі метали перебувають у твердому агрегатному стані матерії. Виняток становить ртуть, яка плавиться вже при -39 oC.
• Будучи в твердому стані, метали кристалічною будовою характеризуються. Якщо розплав розглянутого матеріалу занадто швидко охолоджувати, то він набуває аморфну структуру, в якій все ж зберігається ближній порядок.
• Температури плавлення і щільності металів варіюються в широких межах. Так, елемент вольфрам є самим тугоплавким (3410 oC). Самим же важким вважається осмій (22,6 рази щільніше води), а найбільш легким – літій (майже в 2 рази менш щільний, ніж вода).
• Всі метали хімічно активні. Оскільки вони володіють низькою электроотрицательностью, то в хімічних реакціях їх атоми віддають електрони і перетворюються на позитивно заряджені іони (катіони).

Вище в списку були перераховані основні властивості металів, які їх відрізняють від неметалічних матеріалів. Прикладами останніх є кисень, азот, благородні гази, сірка, кремній, вуглець і деякі інші. Зауважимо, що всі живі організми складаються в основному з неметалів.

Які бувають метали?

Метали в періодичній системі Менделєєва діляться на кілька груп. Перелічимо і коротко охарактеризуємо їх:

• Лужні. Ці метали мають всього 1 валентний електрон, вони надзвичайно хімічно активні, мають низьку щільність і є відмінними провідниками тепла і електрики. Прикладами їх є літій, натрій і калій.
• Лужноземельні. До них належать кальцій, магній, стронцій. Ці метали мають 2 валентних електрона, тому вони також є хімічно активними.
• Перехідні. Це метали із змінною валентністю, які мають порожні або напівпорожні орбіталі d і f типу. Це найчисленніша група металів. До них належать титан, ванадій, хром, нікель, вольфрам, осмій, золото і багато інших.
• Лантаноиды і актиноиды. Велика частина цих елементів є нестабільними і проявляє різну ступінь радіоактивності.
• Постпереходные. Це ті елементи, після яких періоду йдуть металоїди, а потім неметали. Найвідомішими з них є свинець, алюміній і олово.

Чорні та кольорові метали

Вище була наведена класифікація розглянутих елементів у відповідності з їх електронною будовою та положенням у періодичній системі. Крім неї, існує ще один поділ, яке не пов’язане з атомною будовою – це поняття про чорних і кольорових металах.

Чорним є залізо і всі сплави з його участю. Приклади кольорових металів – це алюміній, золото, срібло, мідь та інші, а також сплави, які не містять заліза. Причина такого поділу проста, чорні метали є дешевими і недовговічними (руйнуються в результаті корозії, іржавіють). Навпаки, кольорові метали характеризуються здатністю утворювати оксидні плівки, які запобігають основну масу матеріалу від подальшого хімічного руйнування.

Металева зв’язок

Вивчаючи атомно-кристалічна будова металів, слід сказати декілька слів про особливості хімічного зв’язку між розглянутими елементами. Оскільки электроотрицательность металів низька, то, об’єднуючись у кристалічну гратку, кожен атом віддає один або кілька валентних електронів. Ці електрони, слабо зв’язані з ядром, тому вони легко від нього відриваються вже при кімнатних температурах.

Сукупність валентних електронів, які вільно рухаються в просторі між іонними кістяками в кристалічній решітці металів, називається електронним газом. Завдяки йому шматок металу легко проводить тепло і електрику.

Електричне поле позитивно заряджених іонних кістяків компенсується негативним полем “размазанного” по об’єму металу електронного газу. Такий зв’язок називається металевої. Вона кардинальним чином відрізняється від інших типів хімічного зв’язку. Наприклад, в ковалентного атоми не віддають електрони в міжатомних простір, вони стають загальними тільки для двох атомів. Навпаки, в іонної зв’язку один атом повністю позбавляє другого валентних електронів, приєднуючи їх до себе, і купуючи негативний заряд.

Кристалічна будова металів. Типи кристалічних решіток

Коли метал утворює тверду структуру, то всі його атоми прагнуть зайняти такі положення в просторі відносно один одного, щоб вони відповідали мінімуму потенційної енергії. Цього мінімуму відповідає кристалічна решітка.

Під кристалічною решіткою розуміють таку просторову атомну структуру, яка може бути отримана, якщо відомі координати обмеженого числа її атомів і вектора їх трансляції в просторі. Вказане число атомів називається базисом решітки, а їх положення утворюють так звану елементарну комірку.

Всі метали кристалізуються в трьох основних типах решіток:

• гранецентрированная кубічна (ГЦК);
• об’ємно-центрована кубічна (ОЦК);
• гексагональна плотноупакованная (ГПУ).

Завдяки кристалічному будовою метали володіють такими властивостями, як пластичність, пружність і металевим блиском.

Решітки ГЦК, ОЦК, ГПУ

Вивчаючи кристалічна будова металів, охарактеризуємо докладніше кожен тип кристалічної решітки. Почнемо з ГЦК. Вона показана нижче на малюнку.

Як видно, це сітка являє собою кубик, в якому атоми розташовані в його вершинах і центрах всіх шести граней. Застосовуючи методи кристалографії, нескладно показати, що для отримання такої решітки в просторі досить всього чотирьох атомів і векторів трансляцій, співпадаючих з ребрами куба.

Прикладами металів, які кристалізуються в ГЦК, є алюміній, мідь, золото і срібло. Залізо утворює ГЦК гратку тільки при високих температурах.

ОЦК-решітка показана нижче.

Ми бачимо, що вона відповідає кубика, у вершинах і в центрі якого знаходиться атом. Всього два атома необхідно, щоб в прямокутних декартових координатах побудувати ОЦК решітку. Такі метали, як ванадій, тантал, ніобій, вольфрам мають саме цю кристалічну структуру.

Нарешті, ГПУ решітка. Вона представлена нижче на малюнку.

Ця кристалічна решітка металів відрізняється від двох попередніх тим, що вона в просторі утворює не куб, а правильну шестикутну призму, яка складається з шести атомів. В даній структурі кристалізуються такі елементи, як титан, цирконій, магній і кобальт.

Поняття про індекси Міллера

Щоб зручно було описувати чисельно показані вище просторові решітки, кристалографії використовують так звані індекси Міллера. Вони являють собою набори чисел, які дозволяють точно визначити положення в просторі даного атомного ряду або атомної площини. За цим числам судять про поверхневих енергіях, про здатність металів проявляти пластичні властивості. Наприклад, в ГЦК гратці крайові дислокації рухаються по площинах (1,1,1) (ці площини є максимально плотноупакованными, нормаллю до них будуть діагоналі куба).

Дефекти в металах

Вище ми показали ідеальну ситуацію, коли всі атоми знаходяться на своїх місцях, і просторову структуру всього металевого шматка можна отримати за допомогою простих трансляцій елементарної комірки. Насправді ж існують безліч недосконалостей кристалічної будови металів. Вони називаються дефектами.

Всі дефекти можна по геометричному ознакою віднести до одного з чотирьох типів:

Точкові. Вакансії, міжвузлові атоми, наявність впроваджених атомів інших елементів, що створюють мікроскопічні локальні напруги.

Лінійні. Дислокації – обриви кристалічних площин, які забезпечують пластичність всіх металів.

Плоскі – границі зерен. Будь-який метал складається з безлічі монокристалів, які з’єднані один з одним в різній орієнтації через межзеренное кордону.

Об’ємні. Пори, різні фазові включення, які зміцнюють метал і знижують його пластичність.

Вплив дефектів на властивості

Як правило, дефекти кристалічної будови металів призводять до зниження їх теплопровідності та електропровідності, матеріал стає більш міцним і менш пластичним. Яскравим прикладом є сталь, яка за рахунок междоузельных атомів вуглецю і наявності різних фаз (цементиту, графіту) у кристалічній решітці заліза, значно міцніше, ніж чистий метал.

З розвитком нанотехнологій вплив дефектів на властивості металів може бути неоднозначним. Так, зі зменшенням розміру зерна може спостерігатися збільшення пластичності матеріалу, що пов’язано з появою зовсім іншого механізму пластичної деформації – зернограничного проковзування, яке за своєю суттю відрізняється від дислокационного.

Реальний кристал металу

Який би хімічний металевий елемент не розглядався, насправді він являє собою тверду речовину, в якому маленькі монокристали (зерна) з’єднані один з одним в різних орієнтаціях. Така структура утворює поликристалл. У ньому, крім меж зерен, присутні дефекти всіх чотирьох типів, включаючи домішки таких неметалів, як кисень, азот і водень. Останній з-за своїх розмірів легко проникає у будь-яку кристалічну решітку, утворює з її іонами тверді фази, які призводять до окрихчування металу, що є однією з актуальних проблем металознавства.