Kristalna građa i opća svojstva metala

Jeste li se ikada zapitali kako su građeni materijali u prirodi kojima ste svakodnevno okruženi? Ako jeste, evo odgovora za vas. Većina materijala u prirodi su kristali, a među njima i svi metali osim žive.

Kritali su pravilna geometrijska tijela, omeđena plohama koje se sijeku u bridovima, a bridovi u kutovima. Znanost koja proučava kristale i njihovo stanje naziva se kristalografija. Jedinke kristala raspoređene su periodički u trodimenzijskom obrascu koji se naziva kristalna ili prostorna rešetka. Jedinična ili elementarna ćelija je najmanji dio kristalne rešetke koji se periodično ponavlja u tri dimenzje stvarajući kristalnu rešetku.

Jedinične ćelije:

Jednostavna

Pripada joj 1 atom Svaki je atom okružen sa 6 drugih atoma Praznine zauzimaju

48% prostora

Prostorno centrirana Pripadaju joj 2 atoma Svaki je atom okružen

s 8 drugih atoma Praznine zauzimaju

32% prostora

Plošno centrirana Pripadaju joj 4 atoma Svaki je atom

okružensa 12 drugih atoma Praznine zauzimaju

26% prostora

Kristalne rešetke mogu pripadati jednom od šest kristalnih sustava.

Kristalni sustav se opisuje:

Kristalnim osima: x, y, z Parametrima po kristalnim osima: a, b, c Kutovima između kristalnih osi: : α, β, γ

Francuski kristalograf Auguste Bravais (1811.-1863.) ustanovio je da se u prostoru mogu konstruirati samo četrnaest različitih prostornih rešetki. Svi kristalni materijali mogu se uklopiti u jedan od ovih rasporeda

Vrsta Bravaisove rešetkeKristalni sustav ićelijski

parametri

Jednostavna Bazno centrirana

Prostorno centrirana

Plošno centrirana

Kubični sustav

a = b = cα = β = γ =

90°Tetragonski

sustava = b ≠ c

α = β = γ = 90°

Rompski sustav

a ≠ b ≠ cα = β = γ =

90°

Monoklinski sustav

a ≠ b ≠ cα = γ = 90°

β > 90°

Triklinski sustav

a ≠ b ≠ cα ≠ β ≠ γ ≠

90°

Heksagonski sustav

a = b ≠ cα = β = 90°

γ = 120°

Metalni kristali

Metali su u sobnoj temperaturi čvrste tvari, a u njihovoj kristalnoj rešetki atomi su međusobno povezani metalnom vezom koja određuje njihova kemijska i fizikalna svojstva.

Kristali metala mogu se svrstati u jednu od tri kristalne slagaline:

1. kubičnu slagalinu 2. gustu kubičnu slagalinu3. heksagonsku slagalinu

Metalna veza i svojstva metala

Metalne kristale formiraju atomi i kationi metala koji su otpustili elektrone. Zbog jakih privlačenja kationa metala i otpuštenih elektrona metali se odlikuju čvrstoćom.Velika pokretljivost otpuštenih elektrona i relativno male promjene intenziteta privlačenja s promjenama razmaka imaju za posljedicu dobru električnu i toplinsku vodljivost metala.

Preklapanjem orbitala metalnih iona koji se nalaze međusobno vrlo blizu nastaju molekulske orbitale koje nazivamo vrpcama. Razlikuje se valentna i vodljiva vrpca. U valentnoj vrpci nalaze se valentni elektroni. Valentna vrpca sadrži energetske nivoe koji su popunjeni elektronima. Iznad nje se prostire vrpca bez elektrona – vodljiva vrpca. Vodljiva vrpca sadrži prazne energijske nivoe. Oni omogućuju elektronima da pod utjecajem vanjskog električnog polja poprime veći sadržaj energije i putuju kroz kristal, pa metal provodi električnu struju. U metalima su valentna i vodljiva vrpca tako blizu (preklapaju se) da elektronima omogućen prijelaz iz jedne vrpce u drugu. Elektronske su vrpce međusobno odijeljene zabranjenim zonama – energijskim područjima u kojimaelektroni ne mogu postojati. Fermijev nivo je najviši popunjeni energijski nivo u čvrstim tvarima pri temperaturi apsolutne nule. Kod vodiča fermijev nivo leži u vodljivoj vrpci, kod izolatora u valentnoj vrpci a kod poluvodiča pada u prostor između vodljive i valentne vrpce. Ime je dobio u čast talijanskog fizičara Enrica Fermija . Mogućnost rasparivanja elektrona dovođenjem energije omogućuje dobru vodljivost električne struje i topline u metala. Metalna je veza razlog da se mehanička, električna i toplinska svojstva metala razlikuju od jednakih svojstava nemetala.

Metali su pretežito sive boje dok u obojene metale ubrajamo bakar, zlato i Njihove slitine.Površina većine metala i njihovih slitina je sjajna i reflektira svjetlost. Mnogi ispolirani metali gube sjaj i promjene boju jer se prevuku slojem oksida. Metali koji ne izgube sjaj nazivaju se plemeniti metalima te su cijenjeni od davnina. To su zlato, srebro i platina. a) b) c)

Plemeniti metali:

a) Zlatob) Srebroc) Platina

Užareni metali svijetle, a boja im ovisi o temperaturi. Ugrijani na 530oC svijetle crvenim sjetlom, na 1000oC žutim svijetlom, a na 1600oC bijelim svijetlo.

Talište i vrelište metala

Svi se metali zagrijavanjem mogu rastaliti. . Najniže talište ima živa, tt(Hg)= - 38.87oC, a najviše volfram, tt(W)= 3410oC. Talilište i vrelište metala ovise o jakosti metalne veze. Stoga visoko talište i vrelište te bolja mehanička svojstva imaju metali s polupopunjenim d-orbitalama.

Raspored tališta i vrelišta u PSE-u

Gustoća metala

Gustoće metala se međusobno jako razlikuju. Najmanja je gustoća litija, 0.53g/cm3 , dok najveću gustoću ima iridij, čak 43 puta veću od gustoće litija. Gustoća tvari ovisi o veličini atoma, relativnoj atomskoj masi te vrsti jedinične ćelije u kojoj elementarna tvar kristalitira.

Raspon vrijednosi gustoće u PSE-u.

Primjer

Iridij kristalizira u plošno centriranoj jediničnoj ćeliji kubičnog sustava. Polumjer atoma iridija je 135.7 pm. Relativna atomska masa iridija je Ar(Ir)=192,22. Izračunaj gutoću iridija.

Rješenje

Gustoću možemo izračunati iz omjera mase i volumena jedinične ćelije. Plošno centriranoj jediničnoj ćeliji kubičnog sustava pripadaju 4 atoma. Prema tome, masa jedinične ćelije jednaka je masi četiriju atoma iridija:

m=4*192,22*mu =1.276*10-21 g, gdje je mu atomska jedinica mase (1,66 * 10-24 g)

Duljina stranice, a, jedinične ćelije izračunat ćemo iz polumjera atoma jer je duljina dijagonale stranice plošno centrirane kocke jednaka duljini četiriju polumjera:

a2 + a2 = d2 =(4r)2

2a2 = 16 r2

a = r* √8 = 135,7 pm √8 = 383,8 pm

Volumen jedinične ćelije jednak je :

V = a3 = (383,8 pm)3 = 5,654 * 107 pm3 = 5,654 *107 (10-12 *102 cm)3 =5,654 * 10-23 cm3

Gustoća iridija jednaka je gustoći jedinične ćelije iridija, tj. Omjeru mase i volumena jedinične ćelije:

ρ ( Ir )=m(Ir)V (Ir)

¿ 1.276∗10−21g

5,654∗1023cm3

=22,57 g/cm3

Dobivena vrijednost se dobro slaže s vrijednošću dobivenom mjerenjem gustoće iridija.

Slitine i intermetalni spojevi

Metali se otapaju samo u talinama drugih metala, pri čemu nastaju slitine ili legure. Tj. slitine su krute otopine metala u metalu. Svojstva slitine razlikuju se od svojstava pojedinačnih metala od kojih je ona sastavljena. Njezino talište je najčešće niže od tališta metala od kojih je sastavljena. Atomi legirajućeg elementa mijenjaju svojstva kristala osnovnog metala i stoga slitine imaju nova, često bolja mehanička svojstva od metala od kojih su načinjene. U slitinama se atomi u kristalu izmjenjuju bez nekog pravilnog reda no postoje i one u kojima je kristalna struktura pravilna. Takve slitine nazivamo intermetalnim spojevima i one imaju točno određenu kemijsku formulu. Njihovo talište može biti više od tališta metala koji čine intermetalni spoj.

Metali i njihove slitine imaju sposobnost dobre provedbe električne struje i topline. Električni otpor im se snižava sa snižejem temperature. Na temperaturi blizu termodinamičke nule (T= 0 K, t= -273.15 oC) otpor im naglo opada i neki od njih postaju supervodljivi. Supervodljivost je svojstvo vodiča električe struje da im pri vrlo niskoj temperaturi električni otpor postane jednak nuli.

Kemijska reaktivnost metala

Reaktivnost je tendencija spoja da kemijski reagira s drugim tvarima ili sam sa sobom, oslobađajući energiju. Standardni redoks-potencijal redoks-sustava metalni ion/metal mjerilo je redukcijskog djelovanja metala u vodenim otopinama, pri čemu se metal oksidira i nastaje hidratizirani ion. Prema vrijednosti standardnog redukcijskog potencijala zaključujemo oksidira li metal lako ili teško. Reaktivnost metala ovisi o njihovoj sposobnosti oksidacije. Najlakše oksidiraju metali 1. i 2. skupine periodnog sustava. Svi metali kojima je standardni redukcijski potencijal negativan jača su redukcijska sredstva od vodika. Stoga metali reagiraju s neoksidirajućim kiselinama uz razvijanje vodika, npr. cink. Reakcije izostaju s metalima kojima je standardni redukcijski potencijal pozitivan , npr. bakar.

Metalna je veza uzrok mnogih izvanrednih mehaničkih svojstava metala, koje druge tvari nemaju. Kao npr. Kovanje, izvlačenje, svijanje i zakivanje metala.Kovanjem metala se povećava njegova tvrdoća, a smanjuje električna provodnost i otpornost prema koroziji. Zagrijavanjem metal postaje mekši te se lakše svija.Većina se metala može kovati i izvlačiti u žice, a mnogi se mogu i zavarivati tako da se užareni komadi kovanjem spoje u jedan komad.