Как устроена кристаллическая решётка металлов?

Кристаллическая решётка металлов — это упорядоченная пространственная структура, в которой атомы металла располагаются в определённом порядке, образуя периодически повторяющиеся элементы. Именно особенности строения кристаллической решётки во многом определяют физические и механические свойства металлов: прочность, твёрдость, пластичность, электропроводность, теплопроводность и температуру плавления.

1. Как устроена кристаллическая решётка металлов?

В твёрдом состоянии большинство металлов имеют кристаллическое строение. Это означает, что их атомы расположены не хаотично, а в строго определённом порядке.

В узлах кристаллической решётки находятся атомные остовы металла (положительно заряженные ионные остовы), а между ними перемещаются обобществлённые электроны, которые участвуют в образовании металлической связи.

Особенности такого строения:

• Упорядоченное расположение частиц. Атомы занимают определённые положения, которые периодически повторяются в трёхмерном пространстве.

• Металлическая связь. Частицы удерживаются вместе благодаря взаимодействию положительно заряженных атомных остовов с обобществлёнными электронами.

• Подвижность электронов. Электроны могут перемещаться по всему кристаллу, благодаря чему металлы хорошо проводят электрический ток и тепло.

• Колебания атомов. Атомы не остаются абсолютно неподвижными, а совершают тепловые колебания около своих равновесных положений.

При этом электроны в металле нельзя представлять исключительно как свободные частицы, движущиеся между неподвижными положительными ионами. Такое описание является упрощённой моделью металлической связи.

2. Основные типы кристаллических решёток металлов

Наиболее распространены три типа металлических кристаллических структур: объёмно-центрированная кубическая, гранецентрированная кубическая и гексагональная плотноупакованная.

Объёмно-центрированная кубическая решётка (ОЦК)

В такой решётке атомы располагаются:

• В восьми вершинах куба.

• Один атом находится в центре куба.

Каждый угловой атом одновременно принадлежит восьми соседним элементарным ячейкам. Поэтому на одну ячейку приходится:

8 × 1/8 + 1 = 2 атома.

Примеры металлов с ОЦК-решёткой:

• Железо (α-железо при обычных условиях).

• Хром.

• Вольфрам.

• Молибден.

• Ванадий.

Координационное число, то есть количество ближайших соседей каждого атома, равно 8.

Коэффициент компактности (доля объёма, занимаемого атомами в модели твёрдых шаров) составляет приблизительно 68%.

Гранецентрированная кубическая решётка (ГЦК)

В гранецентрированной кубической решётке атомы находятся:

• В восьми вершинах куба.

• В центре каждой из шести граней куба.

Количество атомов, приходящихся на элементарную ячейку:

8 × 1/8 + 6 × 1/2 = 4 атома.

Примеры металлов:

• Алюминий.

• Медь.

• Никель.

• Серебро.

• Золото.

• Свинец.

Координационное число равно 12, а коэффициент компактности составляет около 74%.

ГЦК-металлы часто отличаются высокой пластичностью, поскольку в такой структуре существует несколько удобных систем скольжения атомных плоскостей. Благодаря этому металлы могут изменять форму без разрушения.

Гексагональная плотноупакованная решётка (ГПУ)

В такой структуре атомы располагаются в слоях, образующих правильную гексагональную упаковку.

В гексагональной плотноупакованной решётке слои чередуются по схеме ABAB, где каждый следующий слой занимает промежутки между атомами предыдущего.

Примеры металлов:

• Магний.

• Цинк.

• Титан (α-титан).

• Кобальт при комнатной температуре.

• Кадмий.

Координационное число равно 12, а коэффициент компактности для идеальной ГПУ-структуры составляет около 74%.

В зависимости от температуры, состава и условий деформации металлы с ГПУ-структурой могут иметь меньшую пластичность, чем ГЦК-металлы, поскольку доступность систем скольжения у них ограничена.

3. Сравнение основных типов кристаллических решёток