Дәріс. Металдардың атомдық –кристалдық құрылысы

Металдардың сипаттамасы. Табиғи жағдайда кездесетiн 92 элементтiң 70-ке жуығы металдарға жатады. Метал еместерге H, B, C, N, J, O, инерттi газдар, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, галогендер F, Cl, Br, J және Si, P, S сияқты элементтер жатады.

Элементтердi металдар мен бейметалдарға бөлу жеткiлiксiз, өйткенi олардың барлық ерекшелiктерi ескерiлмейдi. Кейбiр элементтер (мысалы, Sn) бiр аллотропиялық түрiнде металдық, ал басқа бiр түрiнде бейметалдық қасиет көрсетедi.

Металдар мен металл еместердiң ортасында жататын жартылай металдар (жартылай өткiзгiштер) бар. Оларға Si6 Ge, As, Se, Te, a-Sn жатады.

Қатты металда атомдар бiр-бiрiмен химиялық байланыста болады. Мұндай байланыс иондар мен валенттiк электрондардың арасында пайда болатын кулондық (электрлiк) күштердiң әсерiмен жүзеге асады. Атомдардың сыртқы валенттiк электрондары ортақ электрондық газ құрып, белгiлi бiр ретпен орналасқан иондар мен еркiн қозғала алатын электрондар системасы пайда болады.

Тәжiрибе көрсеткендей, қатты металдардың қасиеттерi, мысалы балқу және булану температуралары, атомдық көлемi, тығыздығы, кристалдық тордағы атомаралық қашықтығы, иондану потенциалы олардың атомдық салмағына немесе элементтердiң периодтық системасындағы орнына периодты түрде байланысты болады. Бұл – қатты металдардың қасиеттерi ең алдымен олардың жеке атомдарының құрылысына байланысты болатынын көрсетедi.

Металдардың классификациясы. Барлық металдарды екi үлкен топқа бөлуге болады: қара металдар және түстi металдар.

Қара металдардың түсi сұр, тығыздығы жоғары (сiлтi жер металдардан басқасы), балқу температурасы жоғары, қаттылығы жоғары, көбiнесе полиморфты. Ең белгiлi металл – темiр (Fe).

Түстi металдардың түсi – қызыл, сары, ақ. Олардың пластикалық қасиеттерi жоғары, қаттылығы төмен, балқу температурасы төмен, полиморфты емес. Ең белгiлi металл – мыс (Cu).

Қара металдар мынандай топтарға бөлiнедi:

1) темiр металдар – Fe, Co, Ni (ферромагнетиктер) және Mn;

2) балқуы қиын металдар – балқу температурасы 1539°С температурадан жоғары – Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Tc, Hf, Ta, W, Re. Осы металдарды болаттарды легiрлеу үшiн қолданады;

3) уран металдар – актинидтер – Ac, Th, U, … Атомдық энергетикада қолданылады;

4) сирек жер металдар – Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd,… Бұл металдардың химиялық қасиеттерi бiрдей, ал физикалық қасиеттерi әртүрлi. Табиғатта бөлек кездеспейдi, тек бiрлесiп кездеседі. Оларды қоспа түрiнде қолданады.

5) сiлтi және жер металдар – Li, Na, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, Fr, Ra – бос күйде жалпыда қолданбайды.

Түстi металдар мынандай топтарға бөлiнедi:

1) женiл металдар – Be, Mg, Al – тығыздығы аз металдар;

2) асыл металдар – Ag, Au, Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru және Cu. Бұл металдардың коррозияға кедергiсi жоғары металдар;

3) балқуы жеңiл металдар – Zn, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Sb, Hg, Ti, Pb, Bi.

Атомдардың құрылысы. Атомдық салмағы А, периодтық системадағы реттiк нөмірi N болатын кез келген химиялық элементтiң атомы оң зарядты N протоннан, терiс зарядты N электроннан және (А- N) нейтроннан тұрады. Оң зарядты протондар атом ядросын құрайды. Нейтрондардың саны әрқашан протондар санынан артық болады. Нейтрондар зарядсыз электрлік бейтарап бөлшектерге жатады. Атомдардың радиусы бардлық элементтер үшiн »10^-8см, ал ядроларының радиусы »10^-13см.

Жалпы атомдық өлшемдер ретiнде металдық радиус, бейметалл элементтердiң коваленттiк радиустары мен инерттi газ атомдарының радиустары алынады.

Металдық және коваленттiк радиуста жай заттардың және органикалық қосылыстардың кристалдарындағы атомаралық қашықтықтардың жартысына тең. Ал инертi газ атомдарының радиустары олардың төменгi температурада пайда болатын кристалдық қосылыстардағы атомаралық қашықтарының жартысына тең.

Органикалық емес заттарды қарыстырғанда, иондық радиус ұғымын қолданады.

Кез келген элемент бiрнеше изотоптан тұрады. Оларда ядроның құрамына кiретiн протондардың саны бiрдей, ал нейтрондардың саны әртүрлi болады.

Кез келген электронға басқа электрондардың тебу күшi және ядроға тартылыс күшi әсер етедi. Электрондар өз өсiнiң бойымен және ядроның айналысында екi түрлi айнамамалы қозғалыста болады. Электронның күйi оның ядромен байланыс энергиясымен анықталады.

Әрбiр электрон ядро төңiрегiнде белгiлi бiр орбитаның бойымен айнала қозғалады. Атом құрамына кiретiн барлық электрондардың орбиталары әртүрлi топтар мен қабаттар құрады.

Жай металдарда әдетте iшiкi электрондық қабаттар электрондарымен толық толтырылған немесе бос болады. Егер iшкi электрондық қабаттарын, сыртқы қабаты толған соң ғана электрондар орналаса бастаса, онда мұндай металдар өтпелi металдар деп атайды.

Атомның химиялық процестерінде, фазалық өзгерiстерде көрсететiн қасиеттерi – олардың ең алдымен валенттiк электрондарының ядромен байланыс энергия берiктiгiмен анықталады. Сондықтан атомдардың ең манызды энергетикалық көрсеткiшi – олардың иондану энергиясы. Иондану энергиясы – электронды атомнан бөлiп алуға керектi энергия, электронвольтпен (эв) өлшенедi. Әдетте оны ионизациялық потенциал (J) деп атайды (электронның энергиясы иондану энергиясына дейiн өзгерте алатын потенциалдар айырмасы, эв).

Сутегiнiң иондану энергиясы – 13,60эв. Көп электронды атомдар үшiн бiрнеше иондану энергиясы бар. Атомнан бiрiншi электронды бөлу энергиясы – J₁, екiнiшi электронды – J₂, үшiншi электронды – J₃ т.с.с. белгiленедi. Бөлiп алынған электрондардың саны артқан сайын, пайда болатын ионның оң заряды өсiп, оның қалған электрондарды тарту күшi арта түседi. Сондықтан әрқашан J₁< J₂< J₃<…

Сiлiтiлiк металдардың иондану энергиясы бiр периодтағы элементтердiң иондану энергиясынан әрқашан да аз. Кез келген металл үшiн бiр иондану энергиясы екiншiсiне өткенде, оның мәнi тез өседi. Мысалы, 4-шi немесе 5-шi электрондар үшiн иондану энергиясы қарағанда, он еседей артық.

Химиялық реакциялар мен фазалық өзгерiстердiң энергиялық эффектiлерi атомдардың бiрiншi ионизациялық потенциалдарымен шамалас (1эв » 23,1ккал/атом). Сондықтан химиялық реакциялар мен фазалық өзгерiстер негiзiнен сыртқы валенттiк электрондардың қатысуымен жүредi.

Заттың металдық қасиетi бiрiншi ионизациялық потенциалымен байланысты. Бiрiншi ионизациялық потенциалы аз нағыз металдар – химиялық реакция кезiнде өзiнiң әлсiз байланысқан валенттiк электронынан оңай айырылады.

Металдардың атомдық-кристалдық құрылысы. Бейтарап атомдар бiр-бiрiне жақындағанда олардың сыртқы валенттiк электрондары мен оң зарядталған иондарының арасында күрделi кулондақ (электрлiк) байланыс пайда болады. Қарапайым заттарда негiзiнен үш түрлi – металдық, коваленттiк, иондық және химиялық байланыс кездеседi.

Металдық байланыс – оң зарядты иондар мен еркiн қозғала алатын (салыстырмалы түрде) валенттiк электрондар газының арасындағы байланыс. Мұндай байланыс кристал iшiнде айырықша бағытталмаған. Оның атомаралық байланыс энергиясы (күшi) барлық бағытта бiрдей.

Коваленттiк байланыс – иондар арасындағы электрондық жұптардың пайда болуы нәтижесiнде жүзеге асады. Бұл бағытталған, күштi байланыс. Коваленттiк байланысы бар заттарға – алмаз, көмiртегi, өтпелi металдар, кремний, германий, йод, селен және т.б. жатады.

Иондық байланыстар оң және терiс зарядыталған иондардың арасында (бiр атом валенттiк электронын бередi, екiншi атом оны қосып алады) пайда болады. Мұндай байланыс иондық қосылыстарда және қатты ерiтiндiлерде кездеседi.

Кейбiр қарапайым, әсiресе күрделi заттарда көрсетiлген атомаралық байланыстар бiрге кездеседi. Оны – аралас химиялық байланыстар деп атайды.

Кез келген химиялық әсерлесудiң пайда болуына байланысты бейтарап атомдар (мысалы: жұп күйiндегi атомдар) алдымен сұйық, кейiннен қатты күйге өтедi. Қатты күйде атомдар әр заттың өзiне тән ретiмен орналасып, кеңiстiкте кристалдық тор құрады. Иондар осы тордың түйiндерiнде тербелмелi жылулық қозғалыста болады. Ал электрондар – олардың арасындағы кеңiстiкте химиялық байланысты қамтамасыз етедi.

Сонымен, кристалдық тор деп – шартты түрде түйiндерiнде материалдық бөлшектер (иондар) орналасқан кеңiстiктегi торды (реттелген нүктелер жүйесiн) айтады. Түйiндердiң арасы ойша байланыс сызығымен жалғасады. Кристалдық тордың симметриясын, атомдардың орналасу ретiн, тығыздығын, т.б. қасиеттерiн сақтайтын ең кiшi бөлiгiн – қарамайым тор немесе тор ұя деп атайды. Қарапайым торды үш бағытта үздiксiз тасымалдау арқылы тұтас кристалдық тор тұрғызуға болады. Әрбiр тор ұяның немесе кристалдық тордың түрi олардың негiзгi параметрлерiмен анықталады (үш бағыттағы атомаралық қашықтықтары немесе периодтар a,b,c және тор ұяның қырларының арасындағы бұрыштар a, b, g).

Әрбiр металл өз кристалдық торымен сипатталады:

- Na, K, Ba, Fe_a металдарың атомдар көлемге центрленген текше құрайды (КЦТ);

- Cu, Ag, Pb, Bi, Co, Fe металдардың атомдар қабырғаға центрленген кубын құрайды (ҚЦК.);

- Mg, Be, Zn, Ca, Cd, Sn металдардың атомдары гексогоналдық тығыз орналасқан торды құрайды (ГТО).

1-сурет. Кристалдық торлардың элементар ұяшықтары

Кристалдық тордағы атомдардың ара қашықтағы өте жақын (10^-8см) болғандықтан, олардың орналасуын, яғни кристалдық тордың түрiн рентгендік талдау арқылы анықтайды.

Кристалдық торды сипаттайтын мынадай негiзгi шамалар бар: тор параметрлерi немесе периоды; базисi; координаттык саны; жинақтылық коэффициентi т.б.

Тордың параметрi деп оның жақын жатқан екi атомдарының арасындағы қашықтықты айтады. Тор параметрi (периоды – a, b c) ангстреммен (1А⁰ = 10^-8см) өлшенедi.

Әрбiр қарапайым торға тиiстi атом санын тордың базисi деп атайды. Мысалы, көлемге центрленген текше торының базисi – 2. Себебi тордың ортасында 1 атом орналасқан және текшенің 8 төбесiндегi әрбiр 8 атом басқа сыбайлас 8 торға қатысты. Олай болса, бұл тордың базисi мынандай: 1+8× =2. Қабырғаға центрленген текше торының базисi – 4 (6× +8× =3 + 1 =4). Гексогоналдық торының базисi – 6 (3 + 2× + 6× + 6× = 3 + 1 + 1 + 1 =6).

Берiлген атомға ең жақын орналасқан атомдар саны тордың координаттық саны деп аталады. Бұл шама тор атомдарының өз ара байланыстарын сипаттайды. Көлемге центрленген текше тордың координаттық саны – 8, қабырғаға центрленген текше тордiкi – 12.

Тордағы атомдар көлемiнiң жалпы тор көлемiне қатынасын тордың жинақтылық коэффициентi деп атайды. Жинақтылық коэффициентi тор атомдарының орналасу тығыздығын сипаттайды.

Сонымен бiрге, әр заттың кристалдық торы тек өзiне ғана тән (типтi басқа заттардың тор ұяларына ұқсас болса да) кристаллографиялық эквиваленттi атомдық жазықтар және бағытттармен сипатталады. Әрбiр кристаллографиялық жазықтық жүйесiнiң тұрақты бiр жазықтық аралық қашықтағының мәнi болады (d). Ал барлық жазықтықтар жүйелерiне сәйкес жазықтықаралық қашықтықтарының мәндерi (d₁, d₂, … d_n) заттың тек өзiне ғана тән жүйе құрайды. Дифракциялық әдiстермен анықталатын осы мәндер – жүйесiнiң көмегiмен кез келген заттың кристалдық торын анықтауға болады.

Металдық байланысы бар заттарда атомдар симметриясы жоғары, тығыздығы жоғары, ықшамды кристалдық торлар.