Лекция 1_материаловедение «Атомно-кристаллическая структура металлов»

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 185.

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 185.

Металлы – особая группа элементов в периодической таблице Менделеева. В отличие от неметаллов элементы этой группы являются исключительно восстановителями с положительной степенью окисления, а также обладают пластичностью, твёрдостью, упругостью, что обусловлено кристаллическим строением металлов.

Молекулярно-кинетическая теория

Все молекулы состоят из мельчайших частиц – атомов. Все открытые на настоящий момент атомы собраны в таблице Менделеева.

Атом – это мельчайшая, химически неделимая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Атомы соединяются между собой химическими связями. Ранее мы уже рассматривали виды химических связей и их свойства. Обязательно изучите теорию по теме: Типы химических связей, перед тем, как изучать эту статью!

Теперь рассмотрим, как могут соединяться частицы в веществе.

В зависимости от расположения частиц друг относительно друга свойства образуемых ими веществ могут очень сильно различаться. Так, если частицы расположены друг от друга далеко (расстояние между частицами намного больше размеров самих частиц), между собой практически не взаимодействуют, перемещаются в пространстве хаотично и непрерывно, то мы имеем дело с газом.

Если частицы расположены близко друг к другу, но хаотично, больше взаимодействуют между собой, совершают интенсивные колебательные движения в одном положении, но могут перескакивать в другое положение, то это модель строения жидкости.

Если же частицы расположены близко к друг другу, но более упорядоченно, и больше взаимодействуют между собой, а двигаются только в пределах одного положения равновесия, практически не перемещаясь в другие положения, то мы имеем дело с твердым веществом.

Большинство известных химических веществ и смесей могут существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Самый простой пример – это вода. При нормальных условиях она жидкая, при 0 оС она замерзает – переходит из жидкого состояния в твердое, и при 100 оС закипает – переходит в газовую фазу – водяной пар. При этом многие вещества при нормальных условиях – газы, жидкости или твердые. Например, воздух – смесь азота и кислорода – это газ при нормальных условиях. Но при высоком давлении и низкой температуре азот и кислород конденсируются и переходят в жидкую фазу. Жидкий азот активно используют в промышленности. Иногда выделяют плазму, а также жидкие кристаллы, как отдельные фазы.

Очень многие свойства индивидуальных веществ и смесей объясняются взаимным расположением частиц в пространстве друг относительно друга!

Данная статья рассматривает свойства твердых тел, в зависимости от их строения. Основные физические свойства твердых веществ: температура плавления, электропроводность, теплопроводность, механическая прочность, пластичность и др.

Температура плавления – это такая температура, при которой вещество переходит из твердой фазы в жидкую, и наоборот.

Пластичность – это способность вещества деформироваться без разрушения.

Электропроводность – это способность вещества проводить ток.

Ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Таким образом, ток могут проводить только такие вещества, в которых присутствуют подвижные заряженные частицы. По способности проводить ток вещества делят на проводники и диэлектрики. Проводники – это вещества, которые могут проводить ток (т.е. содержат подвижные заряженные частицы). Диэлектрики – это вещества, которые практически не проводят ток.

В твердом веществе частицы вещества могут располагаться хаотично, либо более упорядоченно. Если частицы твердого вещества расположены в пространстве хаотично, вещество называют аморфным. Примеры аморфных веществ – уголь, слюдяное стекло.

Аморфный бор

Если частицы твердого вещества расположены в пространстве упорядоченно, т.е. образуют повторяющиеся трехмерные геометрические структуры, такое вещество называют кристаллом, а саму структуру – кристаллической решеткой. Большинство известных нам веществ – кристаллы. Сами частицы при этом расположены в узлах кристаллической решетки.

Кристаллические вещества различают, в частности, по типу химической связи между частицами в кристалле – атомные, молекулярные, металлические, ионные; по геометрической форме простейшей ячейки кристаллической решетки – кубическая, гексагональная и др.

В зависимости от типа частиц, образующих кристаллическую решетку, различают атомную, молекулярную, ионную и металлическую кристаллическую структуру.

Мир металлов глазами химика. 9 класс. Разработка урока

Урок 2 «Мир металлов глазами химика» является начальным звеном изучения темы «Металлы» (24 часа) по программе О.С. Габриеляна.

В классе есть несколько учащихся, интересующихся химией, предмет привлекателен для них практической направленностью, разнообразием смены деятельности, наглядностью при изучении материала.

Тип урока: изучение нового материала

Вид урока: урок-исследование

Цели урока: изучить положение металлов в П.С.Х.Э., раскрыть причины общих физических свойств металлов.

Виды познавательной деятельности: Постановка проблемы, наблюдение за экспериментом, умение выделять главное, сравнивать, обобщать, логически излагать мысли.

Способы управления познавательной деятельностью: Ознакомление с целями и задачами урока, видом контроля.

Формы организации учебной деятельности:индивидуальная и групповая деятельность, лабораторный опыт.

Методы организации учебной деятельности:беседа, демонстрационный эксперимент, метод проблемная ситуация.

Средства обучения:

1. Учебники: О.С. Габриелян «Химия»9 кл.
2. Коллекции образцов металлов, алюминиевая фольга, железный гвоздь, спиртовка, елочная игрушка, зеркало, стеклянные пластинки, периодическая система.
3. Средства ТСО: компьютер, проектор, экран.
4. Программное обеспечение: Power Point.

Этапы урока

Организациооный момент. Введение.

Интересные факты-загадки о металлах: (слайд№2)

1. Этот элемент особенно нужен растущему детскому организму. У взрослого человека без него ломаются кости, не свертывается кровь, сердце работает плохо. Моллюск без него дома не построит, черепаха без крыши останется, а курице и яйцо упаковать не во что будет. (Кальций)
2. Если вы разбили термометр, то не играйте блестящей капелькой. Ее пары ядовиты. (Ртуть)
3. Название данного химического элемента с древнеармянского языка переводится как «капнувший с неба», но на нас он уже с неба не капает, хотя наш организм в нем нуждается. (Железо)
4. Вещество, образованное данным химическим элементом, обладает бактерицидным действием. Известно, что в древности хранили воду в сосудах, изготовленных из этого вещества, поэтому она долго не портилась. (Серебро)
5. Вещество, образованное данным химическим элементом, чрезвычайно стойко химически и в тоже время совместимо с тканями человека. Поэтому он незаменим в восстановительной хирургии. (Тантал)

Вопрос учителя: К какой группе химических элементов относятся перечисленные на слайде? (металлы)

Сообщение темы и цели урока.

II. Подготовка к основному этапу усвоения учебного материала.

Алхимики считали, что» семь металлов создал свет по числу семи планет». Назовите эти элементы и соответствующие им планеты. (Учебник стр. 22)

Выслушав ответы, читаем отрывок из записок алхимика (перевод Н. Морозова):

Семь металлов создал свет По числу семи планет: Дал нам космос на добро медь, железо, серебро, Злато, олово, свинец… Сын мой. Сера их отец. И спеши, мой сын, узнать: Всем им ртуть — родная мать.

Вопрос учителя: Что означает слово Металл? Каков его смысл? (слово металл может означать химический элемент и простое вещество.)

Схема:

Учитель: Что такое химический элемент? (совокупность атомов) Совместно с учащимися выясняем особенности строения атомов металлов на основании их положения в ПСХЭ.

Учитель: Если провести диагональ от В к At через элементы главных подгрупп, то по этой диагонали (B-Si-As-Te-At) и над ней будут располагаться неметаллы, а под ней- металлы. В итоге из 110 элементов ПС к металлам относятся 88 элементов. Однако, деление элементов на металлы и неметаллы условно. Так, например, металл германий обладает многими неметаллическими свойствами. Хром, алюминий и цинк — типичные металлы, но образуют соединения, в которых проявляют неметаллические свойства: NaAlO2, K2ZnO2, K2CrO4, K2Cr2O7. Из положения металлов в ПС можно определить и особенности строения их атомов: (слайд №3)

1. Небольшое число электронов на внешнем уровне.
2. Сравнительно большой атомный радиус
3. Способность отдавать внешние электроны и проявлять восстановительные свойства. (Проблема: почему бор, атомы которого имеют три электрона на внешнем уровне, но проявляют типичные неметаллические свойства?)

Атомная кристаллическая решетка

Атомная кристаллическая решетка образуется, когда в узлах кристалла расположены атомы. Атомы соединены между собой прочными ковалентными химическими связями. Соответственно, такая кристаллическая решетка будет очень прочной, разрушить ее непросто. Атомную кристаллическую решетку могут образовывать атомы с высокой валентностью, т.е. с большим числом связей с соседними атомами (4 или больше). Как правило, это неметаллы: простые вещества — кремния, бора, углерода (аллотропные модификации алмаз, графит), и их соединения (бороуглерод, оксид кремния (IV) и др.). Поскольку между неметаллами возникает преимущественно ковалентная химическая связь, свободных электронов (как и других заряженных частиц) в веществах с атомной кристаллической решеткой в большинстве случаев нет. Следовательно, такие вещества, как правило, очень плохо проводят электрический ток, т.е. являются диэлектриками. Это общие закономерности, из которых есть ряд исключений.

Связь между частицами в атомных кристаллах: ковалентная полярная или неполярная.

В узлах кристалла с атомной кристаллической структурой расположены атомы.

Фазовое состояние атомных кристаллов при нормальных условиях: как правило, твердые вещества.

Вещества, образующие в твердом состоянии атомные кристаллы:

1. Простые вещества с высокой валентностью (расположены в середине таблицы Менделеева): бор, углерод, кремний, и др.
2. Сложные вещества, образованные этими неметаллами: кремнезем (оксид кремния, кварцевый песок) SiO2; карбид кремния (карборунд) SiC; карбид бора, нитрид бора и др.

Физические свойства веществ с атомной кристаллической решеткой:

— прочность;

— тугоплавкость (высокая температура плавления);

— низкая электропроводность;

— низкая теплопроводность;

— химическая инертность (неактивные вещества);

— нерастворимость в растворителях.

ПРИМЕНЕНИЕ

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95% мирового металлургического производства.

Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.

Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых. Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.

Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих чёрно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.

Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.

Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.

Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.

Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.

Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.

Молекулярная кристаллическая решетка

Молекулярная кристаллическая решетка – это такая решетка, в узлах которой располагаются молекулы. Удерживают молекулы в кристалле слабые силы межмолекулярного притяжения (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи, или электростатическое притяжение). Соответственно, такую кристаллическую решетку, как правило, довольно легко разрушить. Вещества с молекулярной кристаллической решеткой – легкоплавкие, непрочные. Чем больше сила притяжения между молекулами, тем выше температура плавления вещества. Как правило, температуры плавления веществ с молекулярной кристаллической решеткой не выше 200-300К. Поэтому при нормальных условиях большинство веществ с молекулярной кристаллической решеткой существует в виде газов или жидкостей. Молекулярную кристаллическую решетку, как правило, образуют в твердом виде кислоты, оксиды неметаллов, прочие бинарные соединения неметаллов, простые вещества, образующие устойчивые молекулы (кислород О2, азот N2, вода H2O и др.), органические вещества. Как правило, это вещества с ковалентной полярной (реже неполярной) связью. Т.к. электроны задействованы в химических связях, вещества с молекулярной кристаллической решеткой – диэлектрики, плохо проводят тепло.

Связь между частицами в молекулярных кристаллах: межмолекулярные водородные связи, электростатические или межмолекулярные силы притяжения.

В узлах кристалла с молекулярной кристаллической структурой расположены молекулы.

Фазовое состояние молекулярных кристаллов при нормальных условиях: газы, жидкости и твердые вещества.

Вещества, образующие в твердом состоянии молекулярные кристаллы:

1. Простые вещества-неметаллы, образующие маленькие прочные молекулы (O2, N2, H2, S8 и др.);
2. Сложные вещества (соединения неметаллов) с ковалентными полярными связями (кроме оксидов кремния и бора, соединений кремния и углерода) — вода H2O, оксид серы SO3 и др.
3. Одноатомные инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон и др.);
4. Большинство органических веществ, в которых нет ионных связей — метан CH4, бензол С6Н6 и др.

Физические свойства веществ с молекулярной кристаллической решеткой:

— легкоплавкость (низкая температура плавления):

— высокая сжимаемость;

— молекулярные кристаллы в твердом виде, а также в растворах и расплавах не проводят ток;

— фазовое состояние при нормальных условиях – газы, жидкости, твердые вещества;

— высокая летучесть;

— малая твердость.

Дефекты кристаллического строения металлов

Однако все рассмотренные типы ячеек могут иметь и естественные недостатки, или так называемые дефекты. Это может быть связано с разными причинами: посторонними атомами и примесями в металлах, внешними воздействиями и прочим.

Поэтому существует классификация, отражающая дефекты, которые могут иметь кристаллические решетки. Химия как наука изучает каждый из них с целью выявления причины и способа устранения, чтобы свойства материала не были изменены. Итак, дефекты следующие.

1. Точечные. Они бывают трех основных видов: вакансии, примеси или дислоцированные атомы. Приводят к ухудшению магнитных свойств металла, электро- и теплопроводности его.
2. Линейные, или дислокационные. Выделяют краевые и винтовые. Ухудшают прочность и качество материала.
3. Поверхностные дефекты. Влияют на внешний вид и структуру металлов.

В настоящее время разработаны методики устранения дефектов и получения чистых кристаллов. Однако совсем искоренить их не удается, идеальной кристаллической решетки не существует.

Ионная кристаллическая решетка

В случае, если в узлах кристалла находятся заряженные частицы – ионы, мы можем говорить о ионной кристаллической решетке. Как правило, с ионных кристаллах чередуются положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы), поэтому частицы в кристалле удерживаются силами электростатического притяжения. В зависимости от типа кристалла и типа ионов, образующих кристалл, такие вещества могут быть довольно прочными и тугоплавкими. В твердом состоянии подвижных заряженных частиц в ионных кристаллах, как правило, нет. Зато при растворении или расплавлении кристалла ионы высвобождаются и могут двигаться под действием внешнего электрического поля. Т.е. проводят ток только растворы или расплавы ионных кристаллов. Ионная кристаллическая решетка характерна для веществ с ионной химической связью. Примеры таких веществ – поваренная соль NaCl, карбонат кальция – CaCO3 и др. Ионную кристаллическую решетку, как правило, в твердой фазе образуют соли, основания, а также оксиды металлов и бинарные соединения металлов и неметаллов.

Связь между частицами в ионных кристаллах: ионная химическая связь.

В узлах кристалла с ионной решеткой расположены ионы.

Фазовое состояние ионных кристаллов при нормальных условиях: как правило, твердые вещества.

Химические вещества с ионной кристаллической решеткой:

1. Соли (органические и неорганические), в том числе соли аммония (например, хлорид аммония NH4Cl);
2. Основания;
3. Оксиды металлов;
4. Бинарные соединения, в составе которых есть металлы и неметаллы.

Физические свойства веществ с ионной кристаллической структурой:

— высокая температура плавления (тугоплавкость);

— растворы и расплавы ионных кристаллов – проводники тока;

— большинство соединений растворимы в полярных растворителях (вода);

— твердое фазовое состояние у большинства соединений при нормальных условиях.

Значение знаний о кристаллическом строении металлов

Из вышеизложенного материала очевидно, что знания о тонкой структуре и строении позволяют спрогнозировать свойства материала и повлиять на них. И это позволяет делать наука химия. 9 класс общеобразовательной школы делает в процессе обучения упор на то, чтобы сформировать у учащихся четкое понятие о важном значении основополагающей логической цепочки: состав – строение – свойства – применение.

Читать также: Какой кабель использовать для точечных светильников

Сведения о кристаллическом строении металлов очень четко иллюстрирует эту зависимость и позволяет учителю наглядно объяснить и показать детям, насколько важно знать тонкую структуру, чтобы правильно и грамотно использовать все свойства.

Содержание:

Металлическая кристаллическая решетка

И, наконец, металлы характеризуются особым видом пространственной структуры – металлической кристаллической решеткой, которая обусловлена металлической химической связью. Атомы металлов довольно слабо удерживают валентные электроны. В кристалле, образованном металлом, происходят одновременно следующие процессы: часть атомов отдает электроны и становится положительно заряженными ионами; эти электроны хаотично перемещаются в кристалле; часть электронов притягивается к ионам. Эти процессы происходят одновременно и хаотично. Таким образом, возникают ионы, как при образовании ионной связи, и образуются общие электроны, как при образовании ковалентной связи. Свободные электроны перемещаются хаотично и непрерывно по всему объему кристалла, как газ. Поэтому иногда их называют «электронным газом». Из-за наличия большого числа подвижных заряженных частиц металлы проводят ток, тепло. Температура плавления металлов сильно варьируется. Металлы также характеризуются своеобразным металлическим блеском, ковкостью, т.е. способностью изменять форму без разрушения при сильном механическом воздействии, т.к. химические связи при этом не разрушаются.

Связь между частицами: металлическая химическая связь.

В узлах кристалла с металлической решеткой расположены ионы металлов и атомы.

Фазовое состояние металлов при обычных условиях: как правило, твердые вещества (исключение — ртуть, жидкость при обычных условиях).

Химические вещества с металлической кристаллической решеткой — простые вещества-металлы.

Физические свойства веществ с металлической кристаллической решеткой:

— высокая тепло- и электропроводность;

— ковкость и пластичность;

— металлический блеск;

— металлы, как правило, нерастворимы в растворителях;

— большинство металлов – твердые вещества при нормальных условиях.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90%. Содержание железа в земной коре составляет 5%, а в мантии около 12%.

В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1% массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70% Fe), магнитный железняк (магнетит, FeFe2O4, Fe3O4; содержит 72,4% Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH2O). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe3(PO4)2·8H2O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.

Содержание железа в морской воде — 1·10−5-1·10−8%

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe2O3) и магнетита (FeO·Fe2O3).

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Первый этап производства — восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.

Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями, как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Сравнение свойств веществ с различными кристаллическими решетками

Тип кристаллической решетки (или отсутствие кристаллической решетки) позволяет оценить основные физические свойства вещества. Для примерного сравнения типичных физических свойств соединений с разными кристаллическими решетками очень удобно использовать химические вещества с характерными свойствами. Для молекулярной решетки это, например, углекислый газ, для атомной кристаллической решетки — алмаз, для металлической — медь, и для ионной кристаллической решетки — поваренная соль, хлорид натрия NaCl.

Сводная таблица по структурам простых веществ, образованных химическими элементами из главных подгрупп таблицы Менделеева (элементы побочных подгрупп являются металлами, следовательно, имеют металлическую кристаллическую решетку).

Итоговая таблица связи свойств веществ со строением:

Общее понятие о металлах

«Химия. 9 класс» – это учебник, по которому проходят обучение школьники. Именно в нем подробно изучаются металлы. Рассмотрению их физических и химических свойств отведена большая глава, ведь разнообразие их чрезвычайно велико.

Читать также: Компаратор на транзисторах схема

Именно с этого возраста рекомендуют давать детям представление о данных атомах и их свойствах, ведь подростки уже вполне могут оценить значение подобных знаний. Они прекрасно видят, что окружающее их разнообразие предметов, машин и прочих вещей имеет в своей основе как раз металлическую природу.

Что же такое металл? С точки зрения химии, к данным атомам принято относить те, что имеют:

• малое число электронов на внешнем уровне;
• проявляют сильные восстановительные свойства;
• имеют большой атомный радиус;
• как простые вещества обладают рядом специфических физических свойств.

Основу знаний об этих веществах можно получить, если рассмотреть атомно-кристаллическое строение металлов. Именно оно объясняет все особенности и свойства данных соединений.

В периодической системе для металлов отводится большая часть всей таблицы, ведь они образуют все побочные подгруппы и главные с первой по третью группу. Поэтому их численное превосходство очевидно. Самыми распространенными являются:

Все металлы имеют ряд свойств, которые позволяют объединять их в одну большую группу веществ. В свою очередь, эти свойства объясняет именно кристаллическое строение металлов.