Строение и физические свойства металлов и сплавов в жидком и твердом состояниях

Глава I. Строение и физические свойства металлов

и сплавов в жидком и твердом состояниях

1.1. Общие сведения о металлах

Металлы являются наиболее распространенными конструкционными материалами нашего времени. И в перспективе на ближайшие десятилетия преобладающая роль металлов в технике и в целом в экономике государств, несомненно, сохранится. Это связано с тем, что металлы и сплавы сочетают ряд важнейших эксплуатационных свойств: прочность, пластичность, жаропрочность, износостойкость, коррозионную стойкость и другие.

В современном представлении металлы – химические элементы со специфичным атомным строением. Атом элемента состоит из положительно заряженных ядер, вокруг которых движутся легкие, отрицательно заряженные частицы – электроны. Ядро, в котором сконцентрирована почти вся масса атома, состоит из плотно упакованных положительных частиц – протонов и нейтральных частиц – нейтронов примерно с такой же массой, но не обладающих зарядом. Заряд ядра определяется числом протонов, а атомы отдельных металлов отличаются, прежде всего, числом протонов. Число нейтронов в атоме элемента может быть различным. Так у железа на 26 протонов чаще всего приходится 30 нейтронов, но бывает в атоме железа и 28, и 31, и 32 нейтрона. Такие вещества с разным числом нейтронов получили название изотопов. Итак, заряд ядра атома является одной из важнейших характеристик химического элемента, называемой его атомным номером в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева.

Металлы занимают большую часть периодической таблицы, занимая в ней свыше 80 клеток. В верхней части таблицы расположены металлы с малым числом протонов и нейтронов в атомах: литий, бериллий, натрий, магний, алюминий, кремний. Они образуют группу легких металлов. В нижней части таблицы расположены металлы с самыми большими числами протонов и нейтронов – это группа тяжелых металлов: вольфрам, рений, осмий, платина, золото, свинец и другие.

Сердцевину периодической таблицы образуют самая многочисленная группа наиболее распространенных в технике металлов: железо, кобальт, никель, цинк, марганец, хром, ванадий и другие.

Электроны, двигаясь вокруг ядер, образуют оболочки. Отличительной чертой атомов всех металлов является малое количество электронов на наружных электронных оболочках. По одному электрону на наружной электронной оболочке имеют литий, натрий, калий, хром, медь, свинец, золото, серебро. По два электрона, соответственно, имеют бериллий, магний, кальций, марганец, железо, кобальт, никель, цинк. По три электрона на наружной электронной оболочке у алюминия, бора, галлия, индия, а по четыре – у кремния, германия, свинца.

1.2. Особенности электронного строения металлов

Отличительной чертой строения атомов металлов является то обстоятельство, что электроны наружной оболочки удерживаются непрочно и отделяются от атомов. И металлы представляют собой совокупность положительно заряженных ионов, между которыми свободно перемещаются электроны, образуя облако "электронного газа". Быстро двигаясь, электроны создают равномерно распределенный в межионном пространстве отрицательный заряд, прочно стягивающий положительные ионы атомов. В этом состоит сущность металлической связи – самой прочной межатомной связи. Именно металлической связью объясняется ряд характерных свойств металлов. Так высокая электропроводность и теплопроводность металлов объясняется направленным перемещением "электронного газа" в электрическом или температурном поле. Пластичность (ковкость) объясняют тем, что при перемещении атомов относительно друг друга связь между ними не нарушается ввиду относительно беспорядочного расположения "электронного газа". Металлическая связь хорошо объясняет кристаллическое строение металлов, о чем будет отмечено ниже. "Электронный газ" металлов обладает существенными отличиями от обычных молекулярных газов. В молекулярных газах частицы (молекулы) движутся с энергиями (скоростями), образующими непрерывный спектр значений относительно некоторых наиболее вероятных величин, которое получило название как распределение Максвелла-Больцмана. "Электронный газ" металлов не подчиняется статистике Максвелла-Больцмана. Он является квантовым объектом и подчиняется законам квантовой механики Ферми-Дирака. В соответствии с законами квантовой механики энергия, импульс и другие характеристики электронов в металле изменяются не плавно, а порциями – квантами.

Очень важны следующие положения квантовой механики, касающиеся электронов (в том числе "электронного газа"):

1.  Различают четыре группы квантовых чисел. В электронном газе металла каждый электрон находится в таком энергетическом состоянии, что он отличается от других хотя бы одним квантовым числом.