2. Кристаллическая структура металлов
Атомы металлов, находящихся в твёрдом стоянии, связаны между собой специфической химической связью, называемой металлической. Такая связь осуществляется за счёт обобществления всех валентных электронов атомами металла. При этом сами атомы становятся положительно заряженными ионами, а обобществлённые ими электроны образуют в объёме металла «газ», или точнее «жидкость», относительно свободных электронов. Таким образом, на атомарном уровне металлы выглядят как совокупность положительно заряженных ионов, расположенных в узлах кристаллической решётки, которые «омываются электронной жидкостью». Наличием электронной жидкости (газа) объясняются такие характерные свойства металлов как высокая электро- и теплопроводность, а также металлический блеск. Кроме того, металлическая связь позволяет атомным слоям сравнительно легко скользить друг относительно друга при пластическом деформировании, что обеспечивает металлам достаточно высокую пластичность.
В отличие от ковалентной связи металлическая связь не является строго направленной и допускает произвольное число взаимодействующих частиц. В результате атомы металлов, стремясь к состоянию с наименьшей энергией, наиболее компактным образом располагаются в пространстве. Таким плотным атомным упаковкам соответствуют следующие типы кристаллических структур: объёмоцентрированная кубическая структура (ОЦК-структура), гранецентрированная кубическая структура (ГЦК-структура), гексагональная плотноупакованная структура (ГПУ-структура). Именно эти структуры чаще всего наблюдают у металлов.
ОЦК-структура (рис. 2.) наблюдается у таких металлов как Cr, Mo, W, V и др. Координационное число в данном случае равно 8 (на ближайшем равном расстоянии от любого атома находится здесь 8 аналогичных атомов). Коэффициент компактности достигает величины 0,68. Это означает, что 68% объёма металла занято атомами, а остальную его часть составляют пустоты. Базис образуют два атома металла (один атом, расположенный в центре ОЦК-ячейки, полностью ей принадлежит, и ещё один атом (8 по ⅛) дают узлы, расположенные в вершинах ячейки).
ГЦК-структура (рис. 3.) характерна для Al, Cu, Ni, Ag, Au и Pt. Координационное число здесь равно 12, а коэффициент компактности имеет значение 0,74. Базис образуют четыре атома металла (каждый атом, расположенный в центре грани принадлежит ячейке только наполовину, а поскольку таких атомов 6, то получается ровно 3; плюс один атом дают узлы, расположенные в вершинах ячейки).
Рис. 2. Элементарная ячейка Рис. 3. Элементарная ячейка
ОЦК-структуры. ГЦК-структуры.
ГПУ-структура наблюдается у таких металлов как Mg, Zn, Be и др. Хотя ГПУ-структуру можно описать и с помощью меньшей по объёму примитивной ячейки, в данном случае в качестве элементарной ячейки лучше выбрать шестигранную призму, которая нагляднее отражает гексагональную симметрию кристалла (рис. 4.).
Рис. 4. Элементарная ячейка ГПУ-структуры.
Координационное число для такой структуры равно 12 (если за начало отсчёта принять атом, расположенный в центре грани, то на равном ближайшем расстоянии от него находится 6 атомов, плюс по 3 атома сверху и снизу). Коэффициент компактности, как и у ГЦК-структуры, имеет значение 0,74. Базис образуют 6 атомов металла (3 атома внутри призмы полностью ей принадлежат; атомы в центре верхней и нижней грани принадлежат ячейке только наполовину, а каждый из 12 атомов в вершинах призмы принадлежит рассматриваемой ячейке лишь на 1/6 часть, поскольку находится на пересечении 6 аналогичных ячеек).
Встречаются у металлов и другие, менее плотные структуры, но гораздо реже, чем три вышеназванные.
Многие металлы и сплавы с изменением температуры или давления меняют свою кристаллическую структуру. Такое явление, связанное с наличием у материалов различных кристаллографических модификаций, называют полиморфизмом. Полиморфизм характерен для Fe, Co, Ti, Sn и других металлов. Так, например, у железа при температурах до 911°С наблюдается ОЦК-структура, которая перестраивается в более плотную ГЦК-структуру при температурах свыше 911°С. В интервале температур от 1392 до 1539°С у железа вновь наблюдается ОЦК-структура, но с бóльшим периодом решётки. Эти кристаллографические модификации железа принято обозначать α-Fe, γ-Fe и δ-Fe.