Kristallgitter. Arten von Kristallgittern

Flächenzentrierte kubische Zelle bezogen auf das kubische System; Siehe auch: Zelle elektrolytische Zelle flächenzentrierte Zelle ...

Zelle- : Siehe auch: Elektrolysezelle Flächenzentrierte Zelle Basiszentrierte Zelle ... Enzyklopädisches Wörterbuch der Metallurgie

GESICHTSZENTRIERTE KUBISCHE ZELLE- einer von 14 Arten von Bravais-Gitterrosten. Es ist durch die Anordnung von Knoten an den Ecken und in den Mittelpunkten aller Flächen des Würfels gekennzeichnet. Geologisches Wörterbuch: in 2 Bänden. M.: Nedra. Herausgegeben von K. N. Paffengolts ua 1978 ... Geologische Enzyklopädie

kubisches System- kristallographische Syngonie, die durch das Verhältnis zwischen den Ecken und Kanten der Einheitszelle des Kristalls gekennzeichnet ist: a = b = c, α = β = γ = 90º. Sie ist in 5 Klassen (Punktsymmetriegruppen) unterteilt. * * * CUBIC SYNGONY CUBIC… … Enzyklopädisches Wörterbuch

kubisches Gitter (K6)- Kristallgitter, dessen Elementarzelle zur kubischen Syngonie gehört; Siehe auch: Gitter triklines Gitter tetragonales Gitter räumliches Gitter … Enzyklopädisches Wörterbuch der Metallurgie

Kubisches System

Kubisches flächenzentriertes Gitter- In der Kristallographie ist das kubische System eine der sieben Syngonien. Die Elementarzelle eines kubischen Kristalls wird durch drei senkrecht zueinander stehende Vektoren gleicher Länge bestimmt. In der kubischen Syngonie gibt es drei Arten von Bravais-Gittern: ... ... Wikipedia

Kubisches Gitter- In der Kristallographie ist das kubische System eine der sieben Syngonien. Die Elementarzelle eines kubischen Kristalls wird durch drei senkrecht zueinander stehende Vektoren gleicher Länge bestimmt. In der kubischen Syngonie gibt es drei Arten von Bravais-Gittern: ... ... Wikipedia

Elektrolysezelle- ein Gefäß mit einem Elektrolyten, ausgestattet mit Elektroden, in dem elektrochemische Reaktionen durchgeführt werden; das Hauptstrukturelement industrieller Elektrolyseure. Elektrolysezellenkonstruktionen sind äußerst vielfältig. IN… … Enzyklopädisches Wörterbuch der Metallurgie

gesichtszentrierte Zelle- eine Elementarzelle eines Kristalls in Form eines Parallelepipeds, in dessen Mitte sich auf jeder Seite ein zusätzliches Atom befindet, das vom gleichen Typ ist wie die Atome an seinen Ecken; Siehe auch: Elektrolysezelle... Enzyklopädisches Wörterbuch der Metallurgie

molekulare Kristalle. An den Knoten des Kristallgitters befinden sich neutrale Moleküle einer Substanz, deren Wechselwirkungskräfte auf einer leichten gegenseitigen Verschiebung von Elektronen in den Elektronenhüllen von Atomen beruhen. Diese Kräfte werden Van-der-Waals-Kräfte genannt, da sie von der gleichen Natur sind wie die Anziehungskräfte zwischen Molekülen, die zur Abweichung von Gasen von der Idealität führen. Molekülkristalle sind zum Beispiel die meisten organischen Verbindungen (Paraffin, Alkohol, Gummi etc.), Inertgase (Ne, Ar, Kr, Xe) und CO 2 -Gase, Ach 2, N2 im festen Zustand, Eis sowie Kristalle von Brom Br 2 , Jod 1 2 . Van-der-Waals-Kräfte sind ziemlich schwach, sodass Molekülkristalle leicht verformt werden.

In einigen Festkörpern können mehrere Arten von Kommunikation gleichzeitig stattfinden. Ein Beispiel ist Graphit (hexagonales Gitter). Das Graphitgitter (Abb. 105) besteht aus einer Reihe paralleler Ebenen, in denen sich Kohlenstoffatome an den Ecken regelmäßiger Sechsecke befinden. Der Abstand zwischen den Ebenen ist mehr als doppelt so groß wie der Abstand zwischen den Atomen des Sechsecks. Die flachen Schichten sind durch Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden. Innerhalb der Schicht gehen drei Valenzelektronen jedes Kohlenstoffatoms eine kovalente Bindung mit benachbarten Kohlenstoffatomen ein, und das vierte Elektron, das "frei" bleibt, wird kollektiviert, aber nicht im gesamten Gitter, wie bei Metallen, sondern innerhalb eines Schicht. In diesem Fall werden also drei Arten der Kommunikation durchgeführt: homöopolar und metallisch - innerhalb derselben Schicht; van der Waals - zwischen Schichten. Dies erklärt die Weichheit von Graphit, da seine Elefanten relativ zueinander gleiten können.

Der Unterschied in der Struktur der Kristallgitter zweier Arten von Kohlenstoff - Graphit und Diamant - erklärt den Unterschied in ihren physikalischen Eigenschaften: die Weichheit von Graphit und die Härte von Diamant; Graphit ist ein elektrischer Leiter, Diamant ist ein Dielektrikum (keine freien Elektronen) usw.

Die Anordnung von Atomen in Kristallen wird auch durch eine Koordinationszahl gekennzeichnet - die Anzahl der nächsten Nachbaratome der gleichen Art mit einem bestimmten Atom im Kristallgitter oder Molekülen in Molekülkristallen. Für ein Modellbild

Die Bildung von Kristallstrukturen aus Atomen und Ionen verwendet ein System dichter Kugelpackungen. Betrachtet man den einfachsten Fall der dichten Packung von Kugeln mit gleichem Radius in einer Ebene, so kommen wir zu zwei Möglichkeiten, sie anzuordnen (Abb. 106, a, b). Die richtige Packung ist dichter, da bei gleicher Anzahl von Kugeln die Fläche einer Raute mit einer Seite gleich der Seite eines Quadrats kleiner ist als die Fläche eines Quadrats. Wie aus der Abbildung ersichtlich, reduziert sich der Unterschied in den Paketen auf den Unterschied in den Koordinationsnummern: Im linken Paket ist die Koordinationsnummer 4, im rechten - b, t. je dichter die Packung, desto größer die Koordinationszahl.

Betrachten wir, unter welchen Bedingungen die dichte Packung von Kugeln im Raum der einen oder anderen zuvor angegebenen Kristallstruktur entsprechen kann. Beginnen wir mit dem Bau des Gitters aus der Kugelschicht, die in Abb. 106 6. Um das weitere Denken zu vereinfachen, projizieren wir die Mittelpunkte der Kugeln auf die Ebene, auf der sie liegen, und markieren sie mit weißen Kreisen (Abb. 107). Auf die gleiche Ebene projizieren wir die Mittelpunkte der Lücken zwischen den Kugeln, die in Abb. 107, mit schwarzen Kreisen und Kreuzen. Jede dicht gepackte Schicht wird als Schicht bezeichnet Und wenn Die Zentren seiner Kugeln befinden sich über den grauen Kreisen, einer Schicht IN- Wenn über roten Kreisen, Schicht VON- wenn oben kreuzt. Obere Schicht ABER wir legen die zweite dicht gepackte Schicht so, dass jede Kugel dieser Schicht auf drei Kugeln der ersten Schicht liegt. Dies kann auf zwei Arten erfolgen: Nehmen Sie es als zweite Schicht oder IN, oder VON. Die dritte Schicht „kann wieder auf zwei Arten gestapelt werden, und so weiter. Eine dichte Packung kann also als eine Sequenz beschrieben werden ABWAS..., in denen mit gleichen Buchstaben gekennzeichnete Schichten nicht nebeneinander stehen können.

Von den vielen möglichen Kombinationen in der Kristallographie sind zwei Arten von Verpackungen von wirklicher Bedeutung: 1) zweischichtige Verpackungen ABABAB...- hexagonal dicht gepackte Struktur (Abb. 108); 2) dreischichtige Verpackung ABC...- kubische flächenzentrierte Struktur (Abb. 109). In beiden Gittern ist die Koordinationszahl 12 und die Packungsdichte gleich – die Atome nehmen 74 % des Gesamtvolumens des Kristalls ein. Die dem kubisch raumzentrierten Gitter entsprechende Koordinationszahl ist 8, die des Diamantgitters (siehe Abb. 104) ist 4.

Neben Zwei- und Dreischichtpaketen ist es beispielsweise möglich, Mehrschichtpakete mit langer Wiederholungsperiode aus identischen Schichten aufzubauen AVSVASAVSVASS...- sechsschichtige Verpackung. Es gibt eine Modifikation von SiC-Carbid mit einer Wiederholungsperiode von 6, 15 und 243 Schichten.

Wenn ein Kristall aus Atomen verschiedener Elemente aufgebaut ist, dann kann man ihn sich als dichte Packung von Kugeln unterschiedlicher Größe vorstellen. Auf Abb. 110 zeigt ein Modellbild eines Salzkristalls. Große Chlorionen (r = 181 pm) bilden eine dichte Dreischichtpackung, in der große Hohlräume mit kleineren gefüllt sind.

Größe mit Natriumionen (r = 98 pm). Jedes Na-Ion ist von sechs O-Ionen umgeben und umgekehrt ist jedes C1-Ion von sechs Na-Ionen umgeben.

Defekte in Kristallen

Die in § 71 betrachteten idealen Kristallstrukturen existieren nur in sehr kleinen Volumina realer Kristalle, bei denen es immer Abweichungen von der geordneten Anordnung der Teilchen an den Gitterplätzen gibt, Gitterfehler genannt. Defekte werden in makroskopische Defekte unterteilt, die bei der Bildung und dem Wachstum von Kristallen entstehen (z. B. Risse, Poren, fremde makroskopische Einschlüsse) und makroskopische Defekte aufgrund mikroskopischer Abweichungen von der Periodizität.

Mikrodefekte werden in punktförmige und lineare unterteilt. Es gibt drei Arten von Punktdefekten: 1) Leerstelle - das Fehlen eines Atoms an der Stelle des Kristallgitters (Abb. 111, aber); 2) interstitielles Atom - Atom; Eingebettet in den Zwischenraum (Abb. 111, 6); 3) Verunreinigungsatom - ein Verunreinigungsatom oder ein Substitutionsatom der Hauptsubstanz im Kristallgitter (Substitutionsverunreinigung, Abb. 111, in), oder eingebettet in den Überwachungsraum (Beimischung der Einleitung, Abb. 111, B; nur in den Zwischenräumen befindet sich anstelle des Atoms der Hauptsubstanz ein Fremdatom). Punktdefekte verletzen in Kristallen nur die Nahordnung, ohne die Fernordnung zu beeinträchtigen – das ist ihr charakteristisches Merkmal.

Lineare Defekte stören die Fernordnung. Wie aus den Experimenten hervorgeht, werden die mechanischen Eigenschaften von Kristallen weitgehend durch Defekte eines speziellen Typs - Versetzungen - bestimmt. Versetzungen sind lineare Defekte, die den korrekten Wechsel von Atomebenen stören.

Versetzungen sind Kante und Schraube. Bricht innerhalb des Kristalls eine der Atomebenen ab, so bildet der Rand dieser Ebene eine Randversetzung (Abb. 112, aber). Bei einer Schraubenversetzung (Abb. 112, b) bricht keine der Atomebenen im Inneren des Kristalls ab, und die Ebenen selbst sind nur annähernd parallel und eng beieinander, so dass der Kristall tatsächlich aus einer besteht Atomebene, gekrümmt entlang der helikalen Oberfläche.

Die Versetzungsdichte (Anzahl der Versetzungen pro Flächeneinheit der Kristalloberfläche) beträgt für perfekte Einkristalle 10 2 -10 3 cm -2 , für deformierte Kristalle - 10 10 -10 12 cm - 2 . Versetzungen brechen nie ab, sie kommen entweder an die Oberfläche oder verzweigen sich, so dass sich in einem echten Kristall flache oder räumliche Netzwerke von Versetzungen bilden. Versetzungen und ihre Bewegung können mit einem Elektronenmikroskop sowie mit der Methode des selektiven Ätzens beobachtet werden - an den Stellen, an denen die Versetzungen an die Oberfläche kommen, treten Ätzgruben auf (intensive Zerstörung des Kristalls unter Einwirkung des Reagens). die Versetzungen „manifestieren“.

Alle Metalle im festen Zustand haben eine kristalline Struktur. Atome in einem festen Metall sind geordnet und bilden Kristallgitter (Abb. 1).

Reis. Abb. 1. Diagramme von Kristallgittern: a – kubisch raumzentriert; b - flächenzentriert; c - hexagonal dicht gepackt

Kristallzelle stellt das kleinste Volumen des Kristalls dar, das ein vollständiges Bild der atomaren Struktur des Metalls gibt, und wird Einheitszelle genannt.

Metalle sind durch drei Arten von Kristallgittern gekennzeichnet: kubisch raumzentrierte (bcc), in denen sich Atome an den Scheitelpunkten der Einheitszelle und eines in ihrer Mitte befinden; kubisch flächenzentriert (fcc), bei dem sich Atome an den Scheitelpunkten der Elementarzelle und in den Mittelpunkten ihrer Flächen befinden; hexagonal dicht gepackt (hcp), ein hexagonales Prisma, in dem Atome in drei Schichten angeordnet sind.

Die Eigenschaften des Materials hängen von der Art des Kristallgitters und den ihn charakterisierenden Parametern ab:

1) interatomarer Abstand, gemessen in Ångström 1°=10 -8 cm

2) Packungsdichte ( Gitterbasis ist die Anzahl der Teilchen pro Einheitszelle). Kubisch einfach - B1, bcc - B2, fcc - B4, hcp - B6.

3) Koordinationsnummer(KN) - die maximale Anzahl von Atomen, die äquidistant sind und sich in der geringsten Entfernung von dem als Referenzpunkt genommenen Atom befinden. Kubisch einfach – KN=6, BCC – KN=8, FCC – KN=12, HPU – KN=12.

Die in Richtung der Frontebene und der Diagonalebene definierten Materialeigenschaften sind unterschiedlich - dieses Phänomen wird genannt Anisotropie, d. h. ungleichmäßige Eigenschaften in verschiedene Richtungen. Alle metallischen Werkstoffe besitzen diese Eigenschaft. Amorphe Körper haben die Eigenschaft Isotropie, d.h. haben in allen Richtungen die gleichen Eigenschaften.

Kristallgitter können verschiedene strukturelle Mängel aufweisen, die die Eigenschaften des Materials erheblich verändern. Ein echter Einkristall hat immer eine freie (äußere) Oberfläche, auf der bereits durch die Oberflächenspannung das Gitter verzerrt ist.

Defekte der inneren Struktur werden in punktförmige, lineare und planare unterteilt.

Punktdefekte umfassen Leerstellen (wenn einzelne Stellen des Kristallgitters nicht von Atomen besetzt sind); dislozierte Atome (wenn sich einzelne Atome in Zwischenräumen befinden) oder Fremdatome, deren Anzahl auch in reinen Metallen sehr groß ist. In der Nähe solcher Defekte wird das Gitter im Abstand von einer oder zwei Perioden elastisch verzerrt (Abb. 2a).

Reis. 2. Defekte im Kristallgitter: ein Punkt; b - linear; c - planar

Lineare Defekte sind in zwei Dimensionen klein und in der dritten ziemlich groß. Solche Defekte umfassen die Verschiebung von Atomebenen oder Versetzungen und Leerstellenketten (Abb. 2b). Die wichtigste Eigenschaft solcher Defekte ist ihre Beweglichkeit im Kristall und die aktive Wechselwirkung untereinander und mit anderen Defekten.

Eine Veränderung des Kristallgitters eines Materials ist unter dem Einfluss äußerer Faktoren, nämlich Temperatur und Druck, möglich. Manche Metalle nehmen im festen Zustand in unterschiedlichen Temperaturbereichen unterschiedliche Kristallgitter an, was immer zu einer Änderung ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften führt.

Die Existenz des gleichen Metalls in mehreren kristallinen Formen wird genannt Polymorphismus. Die Temperatur, bei der eine Änderung des Kristallgitters eintritt, wird als Temperatur der polymorphen Umwandlung bezeichnet. Alle Wärmebehandlungsverfahren basieren auf diesem Phänomen. Polymorphe Modifikationen werden mit griechischen Buchstaben bezeichnet (a, b, g und andere, die als Index zum Elementsymbol hinzugefügt werden).

Eines der häufigsten Materialien, mit denen die Menschen schon immer am liebsten gearbeitet haben, war Metall. In jeder Epoche wurden verschiedene Arten dieser erstaunlichen Substanzen bevorzugt. So gelten IV-III Jahrtausende v. Chr. Als das Zeitalter von Chalkolith oder Kupfer. Später wird es durch Bronze ersetzt, und dann tritt das heute noch relevante Eisen in Kraft.

Heute ist es im Allgemeinen kaum noch vorstellbar, dass man früher auf Metallprodukte verzichten konnte, denn fast alles, von Haushaltsgegenständen über medizinische Instrumente bis hin zu schweren und leichten Geräten, besteht aus diesem Material oder enthält Einzelteile daraus. Warum haben Metalle eine solche Popularität erlangt? Was sind die Merkmale und wie sie ihrer Struktur innewohnen, versuchen wir es weiter herauszufinden.

Allgemeiner Begriff der Metalle

"Chemie. Klasse 9" ist ein Lehrbuch für Schüler. Darin werden Metalle im Detail untersucht. Der Betrachtung ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften ist ein großes Kapitel gewidmet, da ihre Vielfalt außerordentlich groß ist.

Ab diesem Alter empfiehlt es sich, Kindern eine Vorstellung von diesen Atomen und ihren Eigenschaften zu vermitteln, da Jugendliche den Wert eines solchen Wissens bereits voll einschätzen können. Sie sehen vollkommen, dass die Vielfalt der Objekte, Maschinen und anderen Dinge, die sie umgeben, nur auf einer metallischen Natur basiert.

Was ist ein Metall? Aus chemischer Sicht ist es üblich, diese Atome auf diejenigen zu beziehen, die Folgendes haben:

klein auf der externen Ebene;
weisen starke restaurative Eigenschaften auf;
einen großen Atomradius haben;
wie einfache Substanzen eine Reihe spezifischer physikalischer Eigenschaften haben.

Die Grundlagen des Wissens über diese Stoffe können durch Betrachtung des atomar-kristallinen Aufbaus von Metallen gewonnen werden. Es erklärt alle Merkmale und Eigenschaften dieser Verbindungen.

Im Periodensystem ist der größte Teil der gesamten Tabelle den Metallen zugeordnet, da sie alle sekundären Untergruppen und die Hauptgruppen von der ersten bis zur dritten Gruppe bilden. Daher ist ihre zahlenmäßige Überlegenheit offensichtlich. Die häufigsten sind:

Kalzium;
Natrium;
Titan;
Eisen;
Magnesium;
Aluminium;
Kalium.

Alle Metalle haben eine Reihe von Eigenschaften, die es ermöglichen, sie zu einer großen Stoffgruppe zusammenzufassen. Diese Eigenschaften wiederum erklären sich genau aus der kristallinen Struktur von Metallen.

Eigenschaften von Metall

Zu den spezifischen Eigenschaften der betrachteten Stoffe gehören die folgenden.

Metallischer Glanz. Alle Vertreter einfacher Substanzen besitzen es, und die meisten sind gleich, nur einige (Gold, Kupfer, Legierungen) unterscheiden sich.
Formbarkeit und Plastizität - die Fähigkeit, sich leicht zu verformen und zu erholen. Bei verschiedenen Vertretern kommt sie in unterschiedlichem Ausmaß zum Ausdruck.
Die elektrische und thermische Leitfähigkeit ist eine der Haupteigenschaften, die den Anwendungsbereich des Metalls und seiner Legierungen bestimmt.

Die kristalline Struktur von Metallen und Legierungen erklärt den Grund für jede der angegebenen Eigenschaften und spricht für deren Schwere bei jedem spezifischen Vertreter. Kennt man die Eigenschaften einer solchen Struktur, dann kann man die Eigenschaften der Probe beeinflussen und sie auf die gewünschten Parameter einstellen, was Menschen seit vielen Jahrzehnten tun.

Atomar-kristalline Struktur von Metallen

Was ist eine solche Struktur, wodurch zeichnet sie sich aus? Der Name selbst deutet darauf hin, dass alle Metalle im festen Zustand, dh unter normalen Bedingungen, Kristalle sind (mit Ausnahme von Quecksilber, das eine Flüssigkeit ist). Was ist ein Kristall?

Dies ist ein herkömmliches grafisches Bild, das konstruiert wird, indem imaginäre Linien durch die Atome gekreuzt werden, die den Körper ausrichten. Mit anderen Worten, jedes Metall besteht aus Atomen. Sie befinden sich darin nicht zufällig, sondern sehr regelmäßig und konsequent. Wenn Sie also all diese Partikel gedanklich zu einer Struktur kombinieren, erhalten Sie ein schönes Bild in Form eines regelmäßigen geometrischen Körpers beliebiger Form.

Dies wird das Kristallgitter des Metalls genannt. Sie ist sehr komplex und räumlich voluminös, deshalb ist der Einfachheit halber nicht alles dargestellt, sondern nur ein Teil, eine Elementarzelle. Die Menge solcher Zellen, die zusammengebracht und darin reflektiert werden, bildet Kristallgitter. Chemie, Physik und Metallwissenschaften sind Wissenschaften, die die strukturellen Merkmale solcher Strukturen untersuchen.

Sama ist eine Gruppe von Atomen, die sich in einem bestimmten Abstand voneinander befinden und eine streng festgelegte Anzahl anderer Teilchen um sich herum koordinieren. Sie wird durch die Packungsdichte, den Abstand zwischen den konstituierenden Strukturen und die Koordinationszahl charakterisiert. Im Allgemeinen sind alle diese Parameter ein Merkmal des gesamten Kristalls und spiegeln daher die Eigenschaften wider, die das Metall aufweist.

Es gibt mehrere Varianten, die alle durch ein Merkmal vereint sind: In den Knoten befinden sich Atome und im Inneren befindet sich eine Wolke aus Elektronengas, die durch die freie Bewegung von Elektronen im Kristall entsteht.

Arten von Kristallgittern

Vierzehn Optionen für die Struktur des Gitters werden normalerweise zu drei Haupttypen kombiniert. Sie sind die folgenden:

Körperzentriert kubisch.
Hexagonal dicht gepackt.
Flächenzentriert kubisch.

Die Kristallstruktur von Metallen wurde erst untersucht, als es möglich wurde, große Vergrößerungen von Bildern zu erhalten. Und die Klassifizierung der Gittertypen wurde zuerst von dem französischen Wissenschaftler Bravais eingeführt, nach dessen Namen sie manchmal genannt werden.

Körperzentriertes Gitter

Die Struktur des Kristallgitters von Metallen dieses Typs ist die folgende Struktur. Dies ist ein Würfel, an dessen Knoten sich acht Atome befinden. Eine andere befindet sich im Zentrum des freien Zellinnenraums, was den Namen „körperzentriert“ erklärt.

Dies ist eine der Varianten der einfachsten Struktur der Elementarzelle und damit des gesamten Gitters als Ganzes. Folgende Metalle gehören zu diesem Typ:

Molybdän;
Vanadium;
Chrom;
Mangan;
Alpha-Eisen;
Beta-Eisen und andere.

Die Haupteigenschaften solcher Vertreter sind ein hohes Maß an Formbarkeit und Plastizität, Härte und Festigkeit.

flächenzentriertes Gitter

Die Kristallstruktur von Metallen mit einem kubisch flächenzentrierten Gitter ist die folgende Struktur. Dies ist ein Würfel, der vierzehn Atome enthält. Acht von ihnen bilden Gitterknoten, und sechs weitere befinden sich auf jeder Seite.

Sie haben eine ähnliche Struktur:

Aluminium;
Nickel;
das Blei;
Gamma-Eisen;
Kupfer.

Die Hauptunterscheidungsmerkmale sind Glanz in verschiedenen Farben, Leichtigkeit, Festigkeit, Formbarkeit und erhöhte Korrosionsbeständigkeit.

Hexagonales Gitter

Die Kristallstruktur von Metallen mit Gittern ist wie folgt. Die Elementarzelle basiert auf einem hexagonalen Prisma. Es gibt 12 Atome in seinen Knoten, zwei weitere an den Basen und drei Atome liegen frei im Raum in der Mitte der Struktur. Nur siebzehn Atome.

Metalle wie:

Alpha-Titan;
Magnesium;
Alpha-Kobalt;
Zink.

Die Haupteigenschaften sind eine hohe Festigkeit, ein starker silbriger Glanz.

Defekte in der Kristallstruktur von Metallen

Alle betrachteten Zelltypen können aber auch natürliche Fehler, sogenannte Defekte, aufweisen. Dies kann verschiedene Ursachen haben: Fremdatome und Verunreinigungen in Metallen, äußere Einflüsse usw.

Daher gibt es eine Klassifizierung, die die Defekte widerspiegelt, die Kristallgitter haben können. Die Chemie als Wissenschaft untersucht jeden von ihnen, um die Ursache und Abhilfe zu finden, damit die Eigenschaften des Materials nicht verändert werden. Die Mängel sind also wie folgt.

Punkt. Sie kommen in drei Haupttypen vor: Leerstellen, Verunreinigungen oder dislozierte Atome. Sie führen zu einer Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften des Metalls, seiner elektrischen und thermischen Leitfähigkeit.
Linear oder Versetzung. Marginal zuordnen und verschrauben. Verschlechtern die Festigkeit und Qualität des Materials.
Oberflächenfehler. Sie beeinflussen das Aussehen und die Struktur von Metallen.

Gegenwärtig wurden Verfahren entwickelt, um Defekte zu beseitigen und reine Kristalle zu erhalten. Sie lassen sich jedoch nicht vollständig ausrotten, das ideale Kristallgitter existiert nicht.

Der Wert des Wissens über die Kristallstruktur von Metallen

Aus dem oben genannten Material wird ersichtlich, dass die Kenntnis der Feinstruktur und Struktur es ermöglicht, die Eigenschaften des Materials vorherzusagen und zu beeinflussen. Und dies ermöglicht Ihnen, die Wissenschaft der Chemie zu betreiben. Die Klasse 9 einer allgemeinbildenden Schule konzentriert sich darauf, den Schülern ein klares Verständnis für die Bedeutung der grundlegenden logischen Kette zu vermitteln: Zusammensetzung - Struktur - Eigenschaften - Anwendung.

Informationen über die Kristallstruktur von Metallen veranschaulichen sehr anschaulich und ermöglichen es dem Lehrer, Kindern anschaulich zu erklären und zu zeigen, wie wichtig es ist, die Feinstruktur zu kennen, um alle Eigenschaften richtig und kompetent zu nutzen.

Die Untersuchung von Metallen nach dem Periodensystem der Elemente von Mendelejew zeigt, dass mit Ausnahme von Mn und Hg die Elemente der Untergruppe A, darunter Übergangsmetalle und die meisten Seltenerdelemente, sowie Metalle der Untergruppen IB und IIB u Einige Elemente der Gruppe IIIB, einschließlich Al, bilden eine der folgenden typischen Metallstrukturen:

A 1 - kubisch flächenzentriertes Gitter (fcc)

kubisch flächenzentriertes Gitter folgende Metalle haben: g - Fe, Al, Cu, Ni, a - Co, Pb, Ag, Au, Pt usw.

In einem kubisch flächenzentrierten Gitter befinden sich Atome an den Ecken der Elementarzelle und in den Mittelpunkten ihrer Flächen (Abb. 1.5).

Jedes Atom in diesem Gitter ist von 12 nächsten Nachbarn umgeben, die sich in gleichen Abständen gleich = befinden 0,707 × ein, wo aber- elementarer Zellrand. Die Zahl der nächsten Nachbarn gleich 12 wird als Koordinationszahl des Kristallgitters bezeichnet. Zusätzlich zu diesen nächsten Atomen gibt es 6 Atome im Kristallgitter, die in viel größeren Abständen gleich weit entfernt sind aber.

Das betrachtete Kristallgitter hat zwei Arten von Hohlräumen (Zwischenräume, in denen sich kleinere Atome anderer Elemente in Legierungen befinden können), die interstitielle Mischkristalle bilden.

Die größten Internodien oder Hohlräume befinden sich in der Mitte des Würfels und in der Mitte seiner Kanten. Jede dieser Lücken ist von sechs Atomen des fcc-Gitters umgeben, die Plätze an den Ecken eines regelmäßigen Oktaeders einnehmen. In diesem Zusammenhang werden sie als oktaedrische Hohlräume bezeichnet (Abbildung 1.5, B). Solche Positionen verschiedener Elemente im kubisch flächenzentrierten Gitter werden von Na- und Cl-Atomen im NaCl-Gitter besetzt. Dieselben Positionen werden im g-Fe-Gitter von Kohlenstoff besetzt.

Zusätzlich zu diesen Hohlräumen im fcc-Gitter gibt es kleinere Hohlräume, die als Tetraeder bezeichnet werden, da sie von 4 Atomen umgeben sind. Insgesamt gibt es 8 tetraedrische Hohlräume im fcc-Gitter (Abbildung 1.5, in).

Die Dimensionen der tetraedrischen und oktaedrischen Hohlräume können gefühlt werden, wenn wir annehmen, dass das Gitter aus starren Kugeln mit dem Radius r aufgebaut ist, die miteinander in Kontakt stehen; in diesem Fall könnten Kugeln mit einem Radius von 0,41 r bzw. 0,225 r für oktaedrische und tetraedrische Lücken in die vorhandenen Lücken platziert werden.

Die am dichtesten gepackten Ebenen in der Struktur eines flächenzentrierten Würfels sind die in der Abbildung gezeigten Ebenen. Ihr Symbol (111) (Abbildung 1.5., g).

kubisch raumzentriertes Gitter Und 2 (bcc) haben Metalle a - Fe, Chrom, Wolfram, Molybdän, Vanadium, Natrium, Lithium und andere. Struktur A 2 ist weniger dicht gepackt.

Die Atome im bcc-Gitter befinden sich an den Ecken und in der Mitte der Elementarzelle (Abbildung 1.6).

Jedes Atom in dieser Zelle hat 8 nächste Nachbarn in einem Abstand von wo, aber ist die Kantenlänge des Würfels. Daher ist die Koordinationszahl des Gitters 8. Manchmal wird es als (8 + 6) bezeichnet, weil Die nächst entferntesten Atome befinden sich im Abstand a, ihre Anzahl ist 6.

Es gibt auch 2 Arten von Hohlräumen in der bcc-Struktur. Große besetzen Positionen auf den Flächen des Würfels (Abbildung 1.6, in). Sie sind von 4 Atomen umgeben, die sich an den Ecken des Tetraeders befinden, dessen Kanten paarweise gleich sind. Kleinere Hohlräume, die von 6 Atomen umgeben sind, die Plätze an den Ecken eines unregelmäßigen Oktaeders einnehmen, befinden sich in der Mitte der Kanten und Flächen der Zelle (Abbildung 1.6, g). Wenn die bcc-Gitterstruktur aus starren Kugeln aufgebaut ist, können Kugeln mit einem Radius von 0,292 r in tetraedrische Hohlräume und 0,154 r in oktaedrische Hohlräume platziert werden.

Somit stellt sich heraus, dass die maximale Größe einer Kugel, die in den Hohlräumen eines dichter gepackten fcc-Gitters platziert werden kann, größer ist als in einem bcc-Gitter.

Die Einführung anderer Atome in die oktaedrische Pore des bcc-Gitters bewirkt die Verschiebung von zwei Atomen in Richtung parallel zur Würfelkante, wodurch sich das Gitter in dieser Richtung ausdehnt. In der Struktur von Martensit, wo Kohlenstoffatome in oktaedrische Hohlräume eingeführt werden, die sich nur an Kanten parallel zur C-Achse und in den Mitten von Flächen senkrecht zu dieser Achse befinden, führt dies zu einer tetragonalen Verzerrung des a-Fe-Gitters.

Die am dichtesten gepackten bcc-Ebenen sind 12 Ebenen der (110)-Familie (Abbildung 1.6. B). In diesen Ebenen gibt es 2 Richtungen, in denen sich die starren Kugeln berühren können.

Sechseckiges dicht gepacktes Gitter A 3 (hcp) wird von Metallen wie Zn, b - Co, Cd, Mg, a - Ti, a - Zr besessen.

Das sechseckige Sieb ist aus getrennten Schichten aufgebaut, und zwar so, dass jedes Atom einer beliebigen Schicht von 6 in gleichen Abständen befindlichen Nachbarn derselben Schicht umgeben ist und außerdem in den darüber liegenden Schichten drei nächste Nachbarn hat unterhalb dieser Schicht (Abbildung 1.7).

Der Abstand zwischen Atomen in hexagonalen Schichten wird mit bezeichnet aber, Zellhöhe in s. Sechs nächste Nachbarn, die sich in benachbarten Schichten befinden, werden ebenfalls in einem Abstand sein, und zwar von diesem Atom, wenn das Verhältnis der Achsen ist s/a ist, dann wird eine solche Struktur als ideal dicht gepackte Struktur bezeichnet. Darüber hinaus beträgt die Koordinationszahl in diesem Fall sowie im fcc-Gitter 12.

Die meisten Metalle mit einem hexagonal dicht gepackten Gitter haben ein Achsenverhältnis s/a= 1,56 - 1,63. Ausnahmen sind Zn und Cd (1,86; 1,89). Dies liegt daran, dass die Elektronenwolken von Zn- und Cd-Atomen keine Kugelsymmetrie haben und entlang der C-Achse gestreckt sind.Im hexagonal dicht gepackten Gitter sowie im fcc gibt es 2 Arten von Hohlräumen: Oktaeder und Tetraeder (Abbildung 1.7, B).

Die Durchmesser der harten Kugeln, die in diesen Hohlräumen platziert werden können, betragen 0,41 r und 0,225 r sowie für fcc.

Es genügt, sich den Aufbau dicht gepackter Ebenen des fcc-Gitters (111) anzusehen (Abbildung 1.8, aber), um eine vollständige Analogie im Aufbau von Atomen in diesen beiden Gittern zu finden. Der Unterschied zwischen diesen Gittern ist der Schichtwechsel. Wenn im hexagonalen Gitter ein Schichtwechsel ABAB usw. stattfindet, dann im fcc-Gitter: ABCABC (Abbildung 1.8, B), d.h. dies nutzt die dritte mögliche Position der dicht gepackten Schicht.

Der Unterschied im Energieverhältnis zwischen diesen beiden Gittern ist unbedeutend, und in diesem Zusammenhang kann die Abfolge alternierender Schichten während der plastischen Verformung sowie durch das Auftreten von Kristalldefekten während ihres Wachstums leicht gestört werden -Stapelfehler genannt.

Daher ist der scheinbare Unterschied in der Konstruktion der hcp- und fcc-Gitter überhaupt nicht groß (Abbildung 1.8).

Kohlenstoff in Form von Diamant, Silizium, Germanium, a - Zinn (grau) haben eine doppelte Kubik Diamant vom Gittertyp(Abbildung 1.9). Es unterscheidet sich vom fcc-Gitter durch das Vorhandensein von vier zusätzlichen Atomen in vier der acht tetraedrischen Lücken. Dadurch wird die Struktur lockerer.

Jedes Diamantatom ist von nur vier nächsten Nachbarn umgeben, die sich an den Ecken eines regelmäßigen Tetraeders befinden. Die Koordinationszahl einer solchen Struktur ist 4.

Wie oben gezeigt, können dieselben Metalle bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Kristallstrukturen haben, was durch ihre Allotropie verursacht wird.

Eine allotrope (polymorphe) Transformation ist eine Veränderung des räumlichen Gitters eines kristallinen Körpers.

Als Beispiele für allotrope Umwandlungen kann man die Umwandlung der allotropen Tieftemperaturform a - Fe mit kubisch-raumzentriertem Gitter in die Hochtemperaturform g - Fe mit kubisch-flächenzentriertem Gitter bei einer Temperatur von 910 anführen °C und die anschließende Umwandlung bei einer Temperatur von 1392 °C g-Fe in d-Fe mit einem kubisch-raumzentrierten Gitter ähnlich a-Fe. Ähnliche Umwandlungen können in Titan, Zirkonium usw. beobachtet werden. Bei Titan und Zirkonium ist die allotrope Niedertemperaturform a - Ti, a - Zr mit einem hexagonal dicht gepackten Gitter. Bei Temperaturen über 882°C für Titan und 862°C für Zirkonium bilden sich b-Ti und b-Zr, die ein raumzentriertes Gitter haben.

Wie Sie gesehen haben, ändert sich bei der allotropen Transformation die Atomstruktur eines kristallinen Körpers beim Erhitzen und Abkühlen. Der eigentliche Prozess der Umordnung des Kristallgitters erfolgt isothermisch bei konstanter Temperatur, die Abkühlungskurve der Legierung, die allotrope Umwandlungen durchläuft, ähnelt der Kurve, die während der Erstarrung von flüssigem Metall beobachtet wird. Die Übergangstemperatur wird als kritischer Umwandlungspunkt bezeichnet. Bei einer Temperatur (T 0) wird ein Phasengleichgewicht zweier allotroper Varianten beobachtet.

Ähnlich wie bei der Kristallisation erfolgt die allotrope Umwandlung durch die Aufnahme von Wärme beim Erhitzen und deren Abgabe beim Abkühlen. Die allotrope Umwandlung (auch in Analogie zum Kristallisationsprozess) erfolgt durch die Bildung von Keimen und deren anschließendes Wachstum und erfolgt daher immer unter Unterkühlung (beim Abkühlen) und Überhitzung beim Erhitzen.

Die allotrope Transformation tritt ebenso wie der Kristallisationsprozess in Verbindung mit dem Wunsch des Systems auf, freie Energie zu reduzieren.