ГЛАВА 1. АТОМНОЕ СТРОЕНИЕ
МЕТАЛЛОВ
Большинство из известных в
настоящее время химических элементов — металлы. Металлами и
металлическими сплавами называют вещества, обладающие электро- и
теплопроводностью, характерным блеском и высокой пластичностью. Такой
комплекс свойств обеспечивается особенностями их
атомно-кристаллического строения.
На внешних оболочках атомов
металлов находится небольшое число электронов, слабо связанных с
ядром. В изолированных атомах электроны движутся вокруг своих ядер на
определенных энергетических уровнях. Если два нейтральных атома
сближать, то их электроны будут испытывать силы притяжения от ядер
соседних атомов. Двигаясь по орбитам обоих атомов, электроны
становятся общими для этих атомов. Энергетические уровни свободных атомов
при сближении расщепляются на два уровня с различной энергией. Когда
объединяется много атомов, то расщепленные уровни образуют энергетические
полосы. Валентные электроны всех атомов коллективизируются и
получается так называемый электронный газ. Атомная модель металла
схематически может быть изображена в виде упорядочение расположенных
положительно заряженных ионов, окруженных коллективизированными
свободными электронами.
Межатомные связи в металле
состоят из сил притяжения между ионами и свободными электронами и сил
отталкивания между одинаковыми по заряду частицами — ионами и
электронами. Взаимодействие между положительными ионами и
коллективизированными свободными электронами является основным
фактором, определяющим металлическую связь. Потенциальная энергия
взаимодействия между двумя соседними атомами V может быть
представлена схемой, изображенной на рис. 1.1. Равновесное состояние между
двумя атомами, соответствующее минимуму энергии системы и0, возможно при их сближении на
расстояние, равное г0. Значение 1!0
определяет энергию связи между атомами, которая равна работе,
необходимой для удаления соседних атомов на бесконечно большое
расстояние.
Высокая электропроводность
металлов объясняется способностью электронов ускоряться под действием
поля. Элементы с металлической связью вследствие ее ненаправленности
(изотропности) и значительной компактности расположения атомов
обладают высокой пластичностью, поскольку атомы при пластической
деформации смещаются в равноценные исходным положения. Металлический блеск
является результатом взаимодействия электронов со световыми волнами,
падающими на поверхность металла.
Металлы могут находиться в любом
из трех агрегатных состояний — твердом (кристаллическом), жидком и
газообразном. Если исследовать металл при различных температурах и
давлениях, то можно установить граничные условия его существования в
любом из трех