Характерные химические и физические свойства, отличающие металлы от других природных элементов, определяются строением их атомов.
Согласно общепринятой модели атом можно представить в виде положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов, которые вращаются вокруг ядра по определенным орбитам. Диаметр ядра примерно 10
-13 см, и в нем сосредоточена почти вся масса атома, хотя диаметр самого атома примерно 10
-8 см. Ядро атома содержит протоны - положительно заряженные частицы, масса которых в 1836 раз больше массы электрона, и нейтроны - нейтральные частицы, масса которых в 1839 раз больше массы электрона. Нейтроны не изменяют заряд ядра, так как они не несут заряда, но вносят существенный вклад в атомную массу элемента. В электрически нейтральном атоме количество протонов ядра соответствует количеству орбитальных электронов.
Электроны могут двигаться со скоростью 108 см/с на значительных расстояниях от ядра, но находятся в пределах строго определенных семи оболочек, обозначаемых условно буквами
К,
L,
М,
Q. Эти основные оболочки в свою очередь состоят из подоболочек четырех типов, обозначаемых буквами
s,
р,
d и
f, которые могут содержать
1,
3,
5 или
7 электронных орбит (орбиталей) соответственно. Электроны в атоме распределяются по энергетическим уровням.
Внешние электроны атома слабее связаны с ядром, чем внутренние, и определяют многие его свойства. Они легко отделяются от атома, превращая его в положительно заряженный ион, а сами, перемещаясь между ионами, образуют электронный газ или коллективизированные электроны, не принадлежащие конкретному атому. Эти электроны обусловливают высокую теплопроводность и электропроводимость металлов и их непрозрачность. С повышением температуры усиливаются колебания ионов и атомов, что затрудняет перемещение отделившихся электронов и способствует возрастанию электросопротивления металлов. При охлаждении наоборот, колебательное движение ионов и атомов резко уменьшается, и отделившиеся электроны свободно перемещаются, обеспечивая высокую электропроводимость.
Высокая теплопроводность и быстрое выравнивание температуры в объеме металла объясняется большой подвижностью свободных электронов и колебательными движениями ионов и атомов.
Химические свойства металлов также определяются наличием слабо связанных с ядром наружных валентных электронов. Атомы, отдавшие наружные электроны, превращаются в положительно заряженные ионы, которые являются активными восстановителями и вступают во взаимодействие с окислителями. Металлы при этом окисляются, образуя на своей поверхности оксидные пленки, т. е. коррозируют.
Высокая пластичность металлов, т. е. их способность деформироваться без разрушения, также объясняется ненаправленной металлической связью - равномерным распределением электронов между ионами и атомами по всему объему кристаллов. По этой причине в процессе пластической деформации (ковка, прокатка, волочение, прессование и др.), когда одни объемы металлического тела смещаются относительно других, связь между ионами и атомами не нарушается благодаря наличию коллективизированных электронов. Атомы, образующие твердое тело, находятся в постоянном взаимодействии между собой.
Сущность металлической связи (взаимодействия) атомов состоит в том, что между положительными ионами и коллективизированными электронами (отрицательными частицами) возникают электростатические силы притяжения, которые и стягивают между собой ионы.
Взаимодействие и расположение атомов в кристаллической решетке
Ионы располагаются на таком расстоянии между собой, при котором энергия их взаимодействия минимальна, а положение остается фиксированным в виде решетки. Схематично взаимодействие и расположение атомов в кристаллической решетке можно представить в виде пружинной модели (см. рисунок выше). Хотя среднее межатомное расстояние остается постоянным, атомы совершают непрерывные колебания, приближаясь и удаляясь от соседей. Амплитуда этих колебаний очень мала, а частота достигает 10
13 колебаний в секунду.
Кристаллические решетки металлов
а - кубическая гранецентрированная; б - кубическая объемно центрированная ; в - гексагональная;
Кристаллическая решетка представляет собой наименьший объем кристалла, дающий полное представление об атомной структуре металла, и носит название элементарной ячейки. Подавляющее большинство металлов имеет одну из следующих типичных кристаллических решеток (см. рисунок выше): кубическую гранецентрированную (ГЦК), в которой атомы расположены по вершинам элементарной ячейки и в центрах ее граней (Ni, Сu, Fe, Аu, Ag, Са Се, Pt и др.); кубическую объемно центрированную (ОЦК), в которой атомы располагаются по вершинам элементарной ячейки и в центре ее (W, Мо, V, Fe, Nb, К, Na и др.); гексагональную плотноупакованную атомами (ГПУ), представляющую собой призму с шестигранником в основании, в которой атомы расположены в три слоя (Mg, Y, La, Ti, Cd, Os, Ru и др.).
Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называется периодом решетки или ее параметром и измеряется в нанометрах.
Параметр а кубических решеток колеблется в пределах 0,286-0,607 нм. Параметры гексагональной решетки находятся в пределах:
а = 0,228-0,398 нм и
с = 0,357-0,652 нм. В каждом кубическом сантиметре объема кристаллического тела содержится примерно 10
22 атомов.
