Строение и свойства металлов

Что такое металл и чем он отличается от неметалла?

Иными словами, как можно понять, что перед нами находится металлический материал? Ответы на все эти вопросы можно получить, если рассмотреть уникальные свойства металлов. К ним относятся следующие основные:

  • Наличие металлического блеска при полировке поверхности. Все металлы блестят, в своем большинстве они имеют серый цвет, однако, некоторые металлы обладают специфической окраской, например, висмут розовый, медь красноватая, а золото желтое.
  • Высокая теплопроводность и электропроводность. При комнатной температуре наиболее высокие показатели для этих физических свойств характерны для меди и серебра.
  • При комнатной температуре практически все металлы находятся в твердом агрегатном состоянии материи. Исключение составляет ртуть, которая плавится уже при -39 oC.
  • Будучи в твердом состоянии, металлы кристаллическим строением характеризуются. Если расплав рассматриваемого материала слишком быстро охлаждать, то он приобретает аморфную структуру, в которой все же сохраняется ближний порядок.
  • Температуры плавления и плотности металлов варьируются в широких пределах. Так, элемент вольфрам является самым тугоплавким (3410 oC). Самым же тяжелым считается осмий (в 22,6 раза плотнее воды), а самым легким — литий (почти в 2 раза менее плотный, чем вода).
  • Все металлы химически активны. Поскольку они обладают низкой электроотрицательностью, то в химических реакциях их атомы отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы (катионы).

Выше в списке были перечислены основные свойства металлов, которые их отличают от неметаллических материалов. Примерами последних являются кислород, азот, благородные газы, сера, кремний, углерод и некоторые другие. Заметим, что все живые организмы состоят в основном из неметаллов.

Особенности строения твердых и жидких тел

Перед тем как дать ответ на вопрос о том, что такое плавление, следует рассмотреть особенности строения твердых и жидких тел.

Первые характеризуются наличием постоянной формы, любому изменению которой они оказывают сопротивление. Твердые тела обладают упругостью, отсутствием текучести. Расстояния между частицами, образующими твердое тело, являются небольшими, а силы связи между этими частицами являются значительными в сравнении с таковыми для жидкостей и газов. Силы связи в твердых телах могут иметь различную химическую природу (ван-дер-ваальсовые, металлические, ковалентные, ионные). Существует два способа организации твердых тел:

  • кристаллические структуры, когда атомы или молекулы тела расположены в определенных позициях в пространстве, например, металлы;
  • аморфные структуры, в которых атомы или молекулы расположены хаотичным способом, например, стекло.

В жидкостях атомы и молекулы расположены дальше друг от друга, чем в твердых телах, поэтому они слабее связаны. Жидкость сохраняет объем при данных условиях, но не сохраняет форму и обладает хорошей текучестью. Частицы жидкости расположены хаотично относительно друг друга.

Следует отметить важный момент, атомы или молекулы в твердом теле находятся в определенных положениях, которые они очень медленно изменяют (например, в процессах диффузии), а вот частицы жидкости постоянно перескакивают из одного положения в другое.

Строение металлов. Часть 3.

Основные положения пленочной теории пассивного состояния металлов были высказаны английским ученым М. Фарадеем в 1836 г. Согласно взглядам Фарадея, пассивное состояние, т. е. такое состояние, когда металл не разрушается под влиянием внешней среды, объясняется тем. что поверхность металла покрывается слоем окисла металла и кислорода, предупреждающим дальнейшее его разрушение. Однако многие ученые возражали против теории пассивности металлов, потому что окисные пленки были невидимы и существование их было сомнительно. Только за последнее время при помощи тонких оптических методов было установлено наличие таких невидимых пленок на поверхности железа в пассивном состоянии. Толщина этих пленок достигала 40—100 Å. Условия возникновения тонких пленок, делающих металл пассивным, были изучены английским ученым Ю. Р. Эвансом и советским ученым В. А. Кистяковским. Пассивность металла, по его (Кистяковского) утверждению, вызывается образованием на поверхности металла тонкой, бесцветной стекловидной и неэлектропроводной пленки окисла, которая надежно защищает металл от воздействия внешней среды. Кистяковский показал, что пассивной пленкой на поверхности металла является не всякая, которая появляется в результате взаимодействия металла с кислородом, а только такая, которая появляется на поверхности, подвергшейся особой обработке, например, полировке.

Почему защитные пленки возникают только на поверхности, тщательно отшлифованной и отполированной, в то время как металл, грубо обработанный, не образует такого рода пассивной пленки? Оказалось, что при его обработке (шлифовке и полировке) кристаллы поверхностного слоя разрушаются, сжимаются и на поверхности образуется тонкий аморфный слой, т. е. слой с разрушенными кристаллами (рис. 14). Этот слой однороден и, более активно взаимодействуя с кислородом, образует стекловидную защитную пленку. В зависимости от условий возникновения строение и толщина пленки могут быть различными. Пленка может быть пористой. Через эти поры к металлу проникают вещества, которые вызывают дальнейшую его коррозию. Тогда пленка уже не играет защитной роли, а, наоборот, способствует развитию коррозии. Присутствие таких пленок на металле Кистяковский назвал активным состоянием поверхности металла, в отличие от пассивного состояния, когда пленка предохраняет металл от разрушения. В зависимости от условий возможен самопроизвольный переход от одного состояния поверхности металла к другому. Эта теория Кистяковского была подтверждена исследованиями как наших отечественных, так и зарубежных ученых.

Рис. 14. Строение металла с шлифованной поверхностью.

В зависимости от условий образования пленок их можно разделить на группы:

1.Пленки не содержат пор, трещин и полностью изолируют металл от коррозионной среды. Такие пленки получают на поверхности стальных и железных изделий, тщательно отполированных и отшлифованных, а также таких хорошо окисляющихся металлов, как алюминий и цинк.

2.Пассивной может быть пленка, имеющая поры. Торможение процесса коррозии в этих случаях может происходить за счет сопротивления, которое оказывают поры протеканию электронов с анодных участков на катодные.

3.Наконец, могут образоваться толстые пленки, рыхлые, с трещинами, свободно пропускающими кислород воздуха к поверхности металла, а также другие газы и пары воды. Такие пленки не защищают металл от коррозии, а, наоборот, усиливают ее. Примером такой пленки может служить ржавчина.

Следовательно, не всякая пленка может защищать поверхность металла. Наряду с пленочной теорией пассивности металла имеется еще так называемая адсорбционная теория пассивности. Сущность адсорбционной теории сводится к тому, что пленки создают не на всех участках металла, а только на катодах и анодах и тем самым разрушают работу микрогальванических элементов на поверхности, делая ее пассивной.

 Страницы: 3

структура

На верхнем изображении изображены некоторые драгоценные камни изумрудов. Подобно этому, многие другие минералы, соли, металлы, сплавы и алмазы имеют кристаллическую структуру; Но какова связь между его порядком и симметрией??

Если к кристаллу, частицы которого можно наблюдать невооруженным глазом, применяются операции симметрии (инвертировать, вращать его под разными углами, отражать его в плоскости и т. Д.), То будет обнаружено, что он остается неповрежденным во всех измерениях пространства.

Противоположное имеет место для аморфного твердого тела, из которого получают различные упорядочения, подвергая его операции симметрии. Кроме того, ему не хватает структурных шаблонов повторения, что демонстрирует случайное распределение его частиц..

Какая самая маленькая единица, которая составляет структурный образец? На верхнем изображении кристаллическое твердое тело симметрично в пространстве, а аморфное не.

Если вы нарисуете некоторые квадраты, которые окружают оранжевые сферы, и примените операции симметрии, вы обнаружите, что они генерируют другие части кристалла..

Предыдущая вещь повторяется с меньшими и меньшими квадратами, пока не будет найдена асимметричная; предшествующий ему по размеру, по определению, элементарная ячейка.

Унитарная ячейка

Унитарная ячейка — это минимальное структурное выражение, которое позволяет полностью воспроизвести кристаллическое твердое вещество. Из этого можно собрать кристалл, двигая его во всех направлениях пространства.

Его можно рассматривать как небольшой ящик (сундук, ведро, контейнер и т. Д.), В котором частицы, представленные сферами, размещаются по схеме заполнения. Размеры и геометрия этого ящика зависят от длины его осей (a, b и c), а также от углов между ними (α, β и γ).

Самая простая из всех элементарных ячеек — это простая кубическая структура (верхнее изображение (1)). При этом центр сфер занимает углы куба, размещая четыре в его основании и четыре на крыше.

При таком расположении сферы едва занимают 52% от общего объема куба, и поскольку природа не терпит вакуума, не так много соединений или элементов, которые принимают эту структуру.

Однако, если сферы расположены в одном и том же кубе таким образом, что он занимает центр (кубический центр на теле, ОЦК), то будет доступна более компактная и эффективная упаковка (2). Сейчас сферы занимают 68% от общего объема..

С другой стороны, в (3) ни одна сфера не занимает центр куба, но центр их граней, и все они занимают до 74% от общего объема (кубический центр на гранях, куб. См).

Таким образом, можно видеть, что для одного и того же куба могут быть получены другие схемы, варьирующие способ упаковки сфер (ионы, молекулы, атомы и т. Д.).

Виды сплавов

Сплавами называют материалы, которые состоят из двух и более металлических компонентов. Как правило, сплавы состоят из основы, в которую входят несколько металлов, и так называемых легирующих элементов — они необходимы, чтобы придать сплаву мягкость, эластичность и другие свойства. Чаще всего в промышленности применяются смеси с использованием железа и алюминия, но вообще существует более 5 тысяч разновидностей сплавов.

В большинстве своем металлы, с которыми мы взаимодействуем — это сплавы

Сплавы делятся на два вида: литые и порошковые. Литые сплавы получаются путем смешивания расплавленных компонентов. А порошковый метод получения сплавов подразумевает прессование порошков нескольких металлов и их последующее спекания при высоких температурах.

Из металлических сплавов сегодня изготавливается практически все, вплоть до скамеек

По назначению сплавы делятся на конструкционные, инструментальные и специальные. Конструкционные сплавы предназначены для изготовления деталей автомобилей. Из инструментальных сплавов, как можно понять из названия, изготавливают инструменты — например, различные молотки и ножи. А специальные сплавы используются для изготовления деталей специального назначения — например, для предотвращения трения.

Как видно, металлов очень много и они сильно друг от друга отличаются. На тему металлов также рекомендую почитать материал, в котором я рассказал о самых интересных разновидностях этого материала. Вот знаете ли вы, как называется самый редкий металл на нашей планете и как его добывают?

Распространение сплавов в современной промышленности

Выделяют следующие направления промышленности, в которых используются сплавы:

  1. Изготовление измерительных приборов.
  2. Ювелирное дело. Изготовление украшений.
  3. Постройка ракет, кораблей, самолётов. Машиностроение.
  4. Создание контактов, микросхем, точных соединений.
  5. Производство оружия.
  6. Аэрокосмическая промышленность.
  7. Криогенная область.
  8. Изготовление медицинского оборудования.
  9. Ядерная физика (детали для реакторов).
  10. Химическая и пищевая промышленность.

Это направления применения металлов и их сплавов в промышленности. Металлы и сплавы можно найти в любых сферах жизни. Каждое соединение обладает своими свойствами и характеристиками, которые изменяются по мере добавления посторонних примесей в состав.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector