Кристаллическое строение неорганических веществ. Металлы и неметаллы

Кристаллическое строение имеют наиболее распространенные конструкционные материалы – металлы и сплавы на их основе. Кроме того, такое строение присуще многим неметаллическим веществам с ковалентным или ионным типом связи и характеризуется правильным, закономерным расположением атомов (или ионов) в пространстве.

Атомы, правильно расположенные в одной плоскости и соединенные воображаемыми линиями, символизирую-

Рис. 1.4. Кристаллографическая плоскость (схема)

Рис. 1.5. Пространственная кристаллографическая решетка (схема)

щими силы связи, образуют кристаллографическую плоскость (рис. 1.4).

Многократное повторение кристаллографических плоскостей в пространстве позволяет получить пространственную кристаллическую решетку (рис. 1.5), минимальный объем которой называется элементарной кристаллической ячейкой.

Кристаллические решетки характеризуются следующими основными параметрами: периодом решетки, координационным числом, атомным радиусом, оазисом (атомной плотностью).

Периодом решетки называется наименьшее расстояние между центрами двух соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке решетки и для металлов составляет 0,1...0,7 нм.

Под атомным радиусом понимают половину межатомного расстояния между центрами ближайших атомов в кристаллической решетке.

Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

Координационное число – это число ближайших равноудаленных от атома (иона) соседних атомов (ионов).

Для описания элементарной кристаллической ячейки используют отрезки а, b, с, равные расстоянию между ближайшими атомами по координатным пространственным осям х, у, z соответственно, и углы между этими отрезками – α, β, γ (рис. 1.6). Соотношения между этими отрезками и углами определяют тип ячейки (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Типы элементарных ячеек

Тип ячейки	Ребра	Углы
Триклинная
Моноклинная
Ромбическая
Ромбоэдрическая
Гексагональная
Тетрагональная
Кубическая

Для металлов, а также для многих химических соединений (карбидов, нитридов) характерны простые ячейки, в которых атомы расположены только в узлах кристаллической решетки, – это кубические, гексагональные, тетрагональные.

Элементарные ячейки изображают в виде геометрических фигур (например, куб) с атомами в виде точек в вершинах (узлах) кристаллической ячейки, соединяющие их линии символизируют межатомные связи (рис. 1.7). Такое изображение ячейки является условным. В действительности атомы имеют определенные размеры и могут соприкасаться друг с другом внешними орбитами (рис. 1.8).

Простейшим типом кристаллического строения является кубическая решетка, в которой атомы расположены

Рис. 1.6. Параметры кристаллической ячейки

Рис. 1.7. Элементарная кристаллическая ячейка (простая кубическая)

в вершинах куба (см. рис. 1.7). На ее примере покажем основные параметры решетки:

– период решетки равен а (a = b = с);

– базис решетки равен 1 (1/8-8 = 1 – каждый из атомов, расположенных в вершинах куба, принадлежит восьми элементарным ячейкам, т.е. на одну ячейку приходится 1/8 атома);

– координационное число равно 6 (Кб) (от каждого атома равноудалены на расстояние, равное периоду решетки, четыре атома в узлах ячеек, лежащих в одной с ним плоскости, и два атома, расположенных в верхней и нижней плоскостях).

В простой кубической решетке атомы уложены (упакованы) недостаточно плотно. Стремление атомов занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию новых типов кубических решеток – кубической объемно-центрированной (ОЦК – см. рис. 1.8, я); кубической гранецентрированной (ГЦК – см. рис. 1.8, б), характерных для многих металлов.

В решетке ОЦК атомы расположены в вершинах куба и его центре. Период решетки равен а, базис решетки – 2 (1/8 × ×8 + 1=2;8 – это атомы, расположенные в углах куба, 1 – атом в центре куба, принадлежащий только одной ячейке); координационное число равно 8 (К8). Решетку ОЦК имеют металлы К, Na, Li, Та, W, Mo, Feα, Cr, Nb и др.

В решетке ГЦК атомы расположены в вершинах куба и центрах его граней; такая решетка характеризуется периодом я, базисом – 4 (1/8•8 + 1/2•6 = 4; восемь атомов в вершинах куба и шесть атомов в центрах граней, каждый из которых принадлежит двум элементарным ячейкам); координационное число равно 12 (К12). Решетку ГЦК имеют металлы Са, Pb, Ni, Ag, Au, Pt, Feγ и др., а также ряд карбидов и нитридов (т.е. химических соединений – неметаллов): VC, ZrC, VN, TiN, ZrN и др.

Ряд металлов – Mg, , Cd, Os и др. и химических соединений – , и др. имеют гексагональную плотноупакованную решетку – ГПУ (рис. 1.8, в). В решетке ГПУ атомы расположены в вершинах и в центрах шестигранных оснований призмы, а также три атома находятся в средней плоскости призмы. Периоды решетки – а и с, причем с/а > 1 (например, с/а = 1,633 для Ru, Cd и с/а > > 1,633 для Mg, Zn).

Базис решетки равен 6:

– три атома, находящиеся в средней плоскости призмы и принадлежащие только одной ячейке;

– два атома привносят атомы, расположенные в вершинах призмы (каждый из 12 таких атомов принадлежит шести элементарным ячейкам 1/6-12 = 2);

– один атом – атомы, расположенные в центре основания призмы (поскольку каждый из этих атомов принадлежит двум элементарным ячейкам 1/2-2 = 1).

Координационное число равно 12 (К12).

Некоторые металлы (, In),а также химические

соединения (например, бориды – , ) имеют тетрагональную (– см. табл. 1.1) кристаллическую решетку

(рис. 1.9). Отношение параметров с/а характеризует степень тетрагональности кристаллической решетки.

В зависимости от расположения атомов тетрагональная решетка может быть простой (атомы расположены в вершинах призмы), объемно- центрированной (атомы расположены в вершинах и в центре призмы – решетка закаленной стали) и гранецентрированной (атомы расположены в вершинах и в центрах граней призмы).