Viens no visizplatītākajiem materiāliem, ar ko cilvēki vienmēr ir devuši priekšroku darbam, ir bijis metāls. Katrā laikmetā priekšroka tika dota dažādiem šo apbrīnojamo vielu veidiem. Tātad IV-III gadu tūkstotis pirms mūsu ēras tiek uzskatīts par Halkolīta jeb vara laikmetu. Vēlāk to aizstāj bronza, un tad stājas spēkā tas, kas ir aktuāls arī šodien - dzelzs.
Šodien vispār grūti iedomāties, ka kādreiz varēja iztikt bez metālizstrādājumiem, jo gandrīz viss, sākot no sadzīves priekšmetiem, medicīnas instrumentiem un beidzot ar smago un vieglo aprīkojumu, sastāv no šī materiāla vai ietver atsevišķas daļas par viņu. Kāpēc metāliem izdevās iegūt tādu popularitāti? Kādas ir funkcijas un kā tas ir raksturīgs to struktūrai, mēģināsim to izdomāt sīkāk.
Vispārīgs metālu jēdziens
"Ķīmija. 9. klase" ir mācību grāmata, kasskolēni mācās. Tieši tajā metāli tiek detalizēti pētīti. To fizikālo un ķīmisko īpašību apskats ir veltīts lielai nodaļai, jo to daudzveidība ir ārkārtīgi liela.
Tieši no šī vecuma bērniem ieteicams dot priekšstatu par šiem atomiem un to īpašībām, jo pusaudži jau var pilnībā novērtēt šādu zināšanu vērtību. Viņi lieliski redz, ka apkārtējo priekšmetu, mašīnu un citu lietu daudzveidības pamatā ir metālisks raksturs.
Kas ir metāls? No ķīmijas viedokļa šos atomus ir pieņemts dēvēt par tiem, kuriem ir:
- neliels elektronu skaits ārējā līmenī;
- parādīt spēcīgas atjaunojošās īpašības;
- ir liels atomu rādiuss;
- cik vienkāršām vielām piemīt vairākas specifiskas fizikālās īpašības.
Zināšanu pamatu par šīm vielām var iegūt, apsverot metālu atomu-kristālu struktūru. Tajā ir izskaidrotas visas šo savienojumu īpašības un īpašības.
Metālu periodiskajā sistēmā tiek izdalīta lielākā daļa no visas tabulas, jo tie veido visas sekundārās apakšgrupas un galvenās no pirmās līdz trešajai grupai. Tāpēc viņu skaitliskais pārākums ir acīmredzams. Visizplatītākie ir:
- kalcijs;
- nātrijs;
- titāns;
- dzelzs;
- magnijs;
- alumīnijs;
- kālijs.
Visiem metāliem ir vairākas īpašības, kas ļauj tos apvienot vienā lielā vielu grupā. Savukārt metālu kristāliskā struktūra izskaidro šīs īpašības.
Metālu īpašības
Apskatāmo vielu īpašās īpašības ir šādas.
- Metāla spīdums. Tas piemīt visiem vienkāršu vielu pārstāvjiem, un lielākajai daļai no tiem ir tāda pati sudraba b alta krāsa. Tikai daži (zelts, varš, sakausējumi) atšķiras.
- Kaļamība un plastiskums - spēja pietiekami viegli deformēties un atgūties. Dažādiem pārstāvjiem tas tiek izteikts atšķirīgā mērā.
- Elektrovadītspēja un siltumvadītspēja ir viena no galvenajām īpašībām, kas nosaka metāla un tā sakausējumu darbības jomu.
Metālu un sakausējumu kristāliskā struktūra izskaidro katras norādītās īpašības cēloni un runā par to nopietnību katram konkrētajam pārstāvim. Ja jūs zināt šādas struktūras iezīmes, tad varat ietekmēt parauga īpašības un pielāgot to vēlamajiem parametriem, ko cilvēki ir darījuši daudzus gadu desmitus.
Metālu atomu kristāliskā struktūra
Kas ir šāda struktūra, kas to raksturo? Pats nosaukums liecina, ka visi metāli ir kristāli cietā stāvoklī, tas ir, normālos apstākļos (izņemot dzīvsudrabu, kas ir šķidrums). Kas ir kristāls?
Šis ir nosacīts grafisks attēls, kas izveidots, šķērsojot iedomātas līnijas caur atomiem, kas rindojas ķermeni. Citiem vārdiem sakot, katrs metāls sastāv no atomiem. Viņi tajā atrodas nevis nejauši, bet ļoti regulāri un konsekventi. Tātad, ja garīgiapvienojot visas šīs daļiņas vienā struktūrā, jūs iegūstat skaistu attēlu jebkuras formas regulāra ģeometriska ķermeņa formā.
Tas ir tas, ko sauc par metāla kristāla režģi. Tas ir ļoti sarežģīts un telpiski apjomīgs, tāpēc vienkāršības labad nav parādīts viss, bet tikai daļa, elementāra šūna. Šādu šūnu kopums, kas apvienots un atspoguļots trīsdimensiju telpā, veido kristāla režģi. Ķīmija, fizika un metālzinātne ir zinātnes, kas pēta šādu konstrukciju strukturālās iezīmes.
Pati elementārā šūna ir atomu kopums, kas atrodas noteiktā attālumā viens no otra un koordinē ap sevi stingri noteiktu skaitu citu daļiņu. To raksturo iepakojuma blīvums, attālums starp veidojošajām konstrukcijām un koordinācijas numurs. Kopumā visi šie parametri ir raksturīgi visam kristālam, un tāpēc tie atspoguļo metāla īpašības.
Ir vairākas kristāla režģu šķirnes. Tos visus vieno viena iezīme - mezglos atrodas atomi, un iekšā ir elektronu gāzes mākonis, kas veidojas brīvai elektronu kustībai kristāla iekšienē.
Kristāla režģu veidi
Četrpadsmit režģa struktūras iespējas parasti tiek apvienotas trīs galvenajos veidos. Tie ir šādi:
- Kubiskais korpuss.
- Sešstūrveida cieši saspiests.
- Kubiski centrēts uz seju.
Metālu kristāla struktūra tika pētīta tikai ar elektronu mikroskopijas palīdzību, kad kļuva iespējams iegūt lielu attēlu palielinājumu. Un režģu veidu klasifikāciju pirmais ieviesa franču zinātnieks Bravai, kura vārdā tos dažreiz sauc.
Ķermeni centrēts režģis
Šā tipa metālu kristāliskā režģa struktūra ir šāda. Tas ir kubs, kura mezglos ir astoņi atomi. Vēl viens atrodas šūnas brīvās iekšējās telpas centrā, kas izskaidro nosaukumu "centrēts uz ķermeni".
Šis ir viens no elementārās šūnas un līdz ar to arī visa režģa vienkāršākās struktūras variantiem. Šis tips ir šādiem metāliem:
- molibdēns;
- vanādijs;
- hroms;
- mangāns;
- alfa dzelzs;
- betta-dzelzs un citi.
Šādu pārstāvju galvenās īpašības ir augsta kaļamības un lokanības pakāpe, cietība un izturība.
Sejas centrā vērsts režģis
Metālu kristāliskā struktūra ar seju centrētu kubisko režģi ir šāda. Šis ir kubs, kurā ir četrpadsmit atomi. Astoņi no tiem veido režģa mezglus, un vēl seši atrodas pa vienam katrā pusē.
Tām ir līdzīga struktūra:
- alumīnijs;
- niķelis;
- vada;
- gamma dzelzs;
- varš.
Galvenās atšķirīgās īpašības - spīdumsdažādas krāsas, vieglums, izturība, kaļamība, paaugstināta izturība pret koroziju.
Sešstūra režģis
Metālu kristāliskā struktūra ar šāda veida režģi ir šāda. Elementārā šūna ir balstīta uz sešstūra prizmu. Tās mezglos ir 12 atomi, vēl divi bāzēs un trīs atomi brīvi atrodas telpā struktūras centrā. Kopā septiņpadsmit atomi.
Metāliem, piemēram:
ir līdzīga sarežģīta konfigurācija
- alfa titāns;
- magnijs;
- alfa kob alts;
- cinks.
Galvenās īpašības - augsta izturība, spēcīgs sudraba spīdums.
Metālu kristāliskās struktūras defekti
Tomēr visiem aplūkotajiem šūnu veidiem var būt dabiski defekti jeb tā sauktie defekti. Tam var būt dažādi iemesli: svešzemju atomi un piemaisījumi metālos, ārēja ietekme un citi.
Tādēļ pastāv klasifikācija, kas atspoguļo defektus, kas var būt kristāla režģiem. Ķīmija kā zinātne pēta katru no tiem, lai noteiktu cēloni un līdzekli, lai materiāla īpašības netiktu mainītas. Tātad defekti ir šādi.
- Punkts. Tiem ir trīs galvenie veidi: vakances, piemaisījumi vai izmežģīti atomi. Tie izraisa metāla magnētisko īpašību, tā elektriskās un siltuma vadītspējas pasliktināšanos.
- Lineāra vai dislokācija. Piešķiriet malu un skrūvējiet. Pasliktināt materiāla izturību un kvalitāti.
- Virsmadefektiem. Ietekmē metālu izskatu un struktūru.
Šobrīd ir izstrādātas metodes defektu novēršanai un tīru kristālu iegūšanai. Tomēr tos nevar pilnībā izskaust, ideālais kristālrežģis neeksistē.
Zināšanu vērtība par metālu kristālisko struktūru
No iepriekš minētā materiāla ir acīmredzams, ka zināšanas par smalko struktūru un struktūru ļauj paredzēt materiāla īpašības un tās ietekmēt. Un tas ļauj jums nodarboties ar ķīmijas zinātni. Vispārizglītojošās skolas 9. klase ir vērsta uz to, lai skolēniem mācītu skaidru izpratni par fundamentālās loģiskās ķēdes nozīmi: sastāvs - struktūra - īpašības - pielietojums.
Informācija par metālu kristālisko struktūru ļoti skaidri ilustrē šīs attiecības un ļauj skolotājam skaidri izskaidrot un parādīt bērniem, cik svarīgi ir zināt smalko struktūru, lai pareizi un prasmīgi izmantotu visas īpašības.
