Een van de meest voorkomende materialen waarmee mensen altijd de voorkeur hebben gegeven om mee te werken, is metaal. In elk tijdperk werd de voorkeur gegeven aan verschillende soorten van deze verbazingwekkende stoffen. Dus, IV-III millennia voor Christus worden beschouwd als de leeftijd van Chalcolith of koper. Later wordt het vervangen door brons, en dan degene die vandaag nog steeds relevant is - ijzer wordt van kracht.
Tegenwoordig is het over het algemeen moeilijk voor te stellen dat het ooit mogelijk was om zonder metalen producten te doen, omdat bijna alles, van huishoudelijke artikelen, medische instrumenten en eindigend met zware en lichte apparatuur, uit dit materiaal bestaat of losse onderdelen bevat van hem. Waarom slaagden metalen erin om zo populair te worden? Wat zijn de kenmerken en hoe het inherent is aan hun structuur, laten we proberen het verder uit te zoeken.
Algemeen concept van metalen
"Chemistry. Grade 9" is een leerboek datschoolkinderen leren. Daarin worden metalen in detail bestudeerd. Over hun fysische en chemische eigenschappen wordt een groot hoofdstuk gewijd, omdat hun diversiteit extreem groot is.
Het is vanaf deze leeftijd aan te raden om kinderen een idee te geven over deze atomen en hun eigenschappen, omdat tieners de waarde van dergelijke kennis al ten volle kunnen waarderen. Ze zien perfect in dat de verscheidenheid aan objecten, machines en andere dingen om hen heen gebaseerd is op een metalen karakter.
Wat is metaal? Vanuit het oogpunt van de chemie is het gebruikelijk om naar deze atomen te verwijzen als die met:
- een klein aantal elektronen in het buitenste niveau;
- toon sterke herstellende eigenschappen;
- een grote atoomstraal hebben;
- hoe eenvoudige stoffen een aantal specifieke fysische eigenschappen hebben.
De basis van kennis over deze stoffen kan worden verkregen door te kijken naar de atoomkristalstructuur van metalen. Het verklaart alle kenmerken en eigenschappen van deze verbindingen.
In het periodiek systeem voor metalen wordt het grootste deel van de hele tabel toegewezen, omdat ze alle secundaire subgroepen vormen en de belangrijkste van de eerste tot de derde groep. Daarom is hun numerieke superioriteit duidelijk. De meest voorkomende zijn:
- calcium;
- natrium;
- titanium;
- ijzer;
- magnesium;
- aluminium;
- kalium.
Alle metalen hebben een aantal eigenschappen waardoor ze kunnen worden gecombineerd tot één grote groep stoffen. Het is op zijn beurt de kristalstructuur van metalen die deze eigenschappen verklaart.
Eigenschappen van metalen
De specifieke eigenschappen van de stoffen in kwestie omvatten de volgende.
- Metaalglans. Alle vertegenwoordigers van eenvoudige stoffen bezitten het en de meeste hebben dezelfde zilverwitte kleur. Slechts een paar (goud, koper, legeringen) zijn anders.
- Kneedbaarheid en plasticiteit - het vermogen om gemakkelijk genoeg te vervormen en te herstellen. Voor verschillende vertegenwoordigers wordt het in verschillende mate uitgedrukt.
- Elektrische en thermische geleidbaarheid is een van de belangrijkste eigenschappen die de omvang van het metaal en zijn legeringen bepa alt.
De kristalstructuur van metalen en legeringen verklaart de reden voor elk van de aangegeven eigenschappen en spreekt over hun ernst in elke specifieke vertegenwoordiger. Als je de kenmerken van zo'n structuur kent, kun je de eigenschappen van het monster beïnvloeden en aanpassen aan de gewenste parameters, wat mensen al tientallen jaren doen.
Atomaire kristalstructuur van metalen
Wat is zo'n structuur, waar wordt het door gekenmerkt? De naam zelf suggereert dat alle metalen kristallen zijn in vaste toestand, dat wil zeggen onder normale omstandigheden (behalve kwik, dat een vloeistof is). Wat is een kristal?
Dit is een conditioneel grafisch beeld dat is geconstrueerd door denkbeeldige lijnen te kruisen door de atomen die het lichaam vormen. Met andere woorden, elk metaal is opgebouwd uit atomen. Ze bevinden zich er niet willekeurig in, maar zeer regelmatig en consequent. Dus, als mentaalcombineer al deze deeltjes in één structuur, je krijgt een prachtig beeld in de vorm van een regelmatig geometrisch lichaam van elke vorm.
Dit is wat het kristalrooster van het metaal wordt genoemd. Het is zeer complex en ruimtelijk volumineus, daarom wordt voor de eenvoud niet alles getoond, maar slechts een deel, een elementaire cel. De verzameling van dergelijke cellen, samengebracht en weerspiegeld in de driedimensionale ruimte, vormt kristalroosters. Scheikunde, natuurkunde en metaalwetenschap zijn wetenschappen die de structurele kenmerken van dergelijke structuren bestuderen.
De elementaire cel zelf is een verzameling atomen die zich op een bepaalde afstand van elkaar bevinden en een strikt vast aantal andere deeltjes om hen heen coördineren. Het wordt gekenmerkt door de pakkingsdichtheid, de afstand tussen de samenstellende structuren en het coördinatiegetal. Over het algemeen zijn al deze parameters kenmerkend voor het hele kristal en weerspiegelen ze daarom de eigenschappen van het metaal.
Er zijn verschillende soorten kristalroosters. Ze zijn allemaal verenigd door één kenmerk: er zijn atomen in de knopen en binnenin bevindt zich een wolk van elektronengas, die wordt gevormd door de vrije beweging van elektronen in het kristal.
Soorten kristalroosters
Veertien opties voor de structuur van het rooster worden meestal gecombineerd in drie hoofdtypen. Ze zijn als volgt:
- Body-Centered Cubic.
- Zeshoekig dicht opeengepakt.
- Kubieke gezichts-gecentreerde.
De kristalstructuur van metalen werd pas bestudeerd door middel van elektronenmicroscopie, toen het mogelijk werd om grote vergrotingen van afbeeldingen te verkrijgen. En de classificatie van de soorten roosters werd voor het eerst geïntroduceerd door de Franse wetenschapper Bravais, bij wiens naam ze soms worden genoemd.
Body-Centered Lattice
De structuur van het kristalrooster van metalen van dit type is de volgende structuur. Dit is een kubus, met op de knooppunten acht atomen. Een andere bevindt zich in het midden van de vrije interne ruimte van de cel, wat de naam "lichaamsgericht" verklaart.
Dit is een van de varianten van de eenvoudigste structuur van de elementaire cel, en dus van het hele rooster als geheel. De volgende metalen hebben dit type:
- molybdeen;
- vanadium;
- chroom;
- mangaan;
- alpha ijzer;
- betta-ijzer en anderen.
De belangrijkste eigenschappen van dergelijke vertegenwoordigers zijn een hoge mate van kneedbaarheid en vervormbaarheid, hardheid en sterkte.
Gezichtsgecentreerd rooster
De kristalstructuur van metalen met een vlak gecentreerd kubisch rooster is de volgende structuur. Dit is een kubus, die veertien atomen bevat. Acht van hen vormen de roosterknooppunten en zes andere bevinden zich op elk vlak.
Ze hebben een vergelijkbare structuur:
- aluminium;
- nikkel;
- lead;
- gamma ijzer;
- koper.
Belangrijkste onderscheidende eigenschappen - glansverschillende kleuren, lichtheid, sterkte, kneedbaarheid, verhoogde weerstand tegen corrosie.
Zeshoekig rooster
De kristalstructuur van metalen met dit type rooster is als volgt. De elementaire cel is gebaseerd op een hexagonaal prisma. Er zijn 12 atomen in de knooppunten, nog twee aan de basis en drie atomen liggen vrij in de ruimte in het midden van de structuur. Zeventien atomen in totaal.
Metalen zoals:
hebben een vergelijkbare complexe configuratie
- alpha titan;
- magnesium;
- alpha kob alt;
- zink.
Belangrijkste eigenschappen - hoge sterkte, sterke zilverglans.
Defecten in de kristalstructuur van metalen
Alle overwogen celtypes kunnen echter natuurlijke gebreken of zogenaamde defecten hebben. Dit kan verschillende redenen hebben: vreemde atomen en onzuiverheden in metalen, externe invloeden en andere.
Daarom is er een classificatie die de defecten weerspiegelt die kristalroosters kunnen hebben. Chemie als wetenschap bestudeert elk van hen om de oorzaak en remedie te identificeren, zodat de eigenschappen van het materiaal niet veranderen. Dus de gebreken zijn als volgt.
- Punt. Ze zijn er in drie hoofdtypen: lege plekken, onzuiverheden of ontwrichte atomen. Ze leiden tot een verslechtering van de magnetische eigenschappen van het metaal, zijn elektrische en thermische geleidbaarheid.
- Lineair, of dislocatie. Wijs marginaal toe en schroef. Degradeert de sterkte en kwaliteit van het materiaal.
- Surfacegebreken. Beïnvloeden het uiterlijk en de structuur van metalen.
Momenteel zijn er methoden ontwikkeld om defecten te elimineren en zuivere kristallen te verkrijgen. Ze kunnen echter niet volledig worden uitgeroeid, het ideale kristalrooster bestaat niet.
De waarde van kennis over de kristalstructuur van metalen
Van bovenstaand materiaal is het duidelijk dat kennis van de fijne structuur en structuur het mogelijk maakt om de eigenschappen van het materiaal te voorspellen en te beïnvloeden. En dit stelt je in staat om de wetenschap van scheikunde te doen. Groep 9 van een school voor algemeen vormend onderwijs richt zich op het onderwijzen van studenten een duidelijk begrip van het belang van de fundamentele logische keten: samenstelling - structuur - eigenschappen - toepassing.
Informatie over de kristalstructuur van metalen illustreert deze relatie heel duidelijk en stelt de leraar in staat om duidelijk uit te leggen en kinderen te laten zien hoe belangrijk het is om de fijne structuur te kennen om alle eigenschappen correct en competent te gebruiken.
