Аллотропия или полиморфизм металлов
Аллотропией или полиморфизмом называется способность металлов в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение, а следовательно, и свойства при разных температурах.
Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называется аллотропическим (полиморфным) превращением. Аллотропические формы обозначают начальными буквами греческого алфавита: , , , и т. д., начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.
Аллотропические превращения имеют многие металлы, например железо, марганец, олово, титан и др.
Железо имеет объемно-центрированную решетку до температуры 911 °С и в интервале 1392. 1539 °С (Fe), а от температуры 911 до 1392 °С имеет гранецентрированную решетку (Fe). Высокотемпературная -модификация (от 1392 до 1539 °С) иногда обозначается Fe (-железо). При 768 °С происходит изменение магнитных свойств: ниже 768 °С железо магнитно, выше 768 °С железо немагнитно (немагнитное Fe иногда называют Fe). Переход из немагнитного Fe в магнитное Fe происходит в широком районе температур, начинается (при охлаждении) или заканчивается (при нагреве) при 768 °С.
Характерным является аллотропия олова. При температуре ниже 18 °С устойчива модификация -олова (Sn), называемая серым оловом, а выше 18 °С — -олова (Sn), называемая белым оловом.
Решетка белого олова более компактна, чем серого олова, и превращение Sn Sn, идет со значительным увеличением объема. Поэтому при образовании на белом олове бугорка серого олова последнее, вследствие больших объемных изменений, рассыпается в порошок. Это явление получило название «оловянной чумы»; превращение необратимо.
Максимального значения скорость аллотропического превращения Sn Sn достигает при переохлаждении примерно до – 30 С. Поэтому опасность «оловянной чумы» особенно велика при хранении олова в зимнее время в холодном помещении.
Переход металла из одной кристаллической решетки в другую сопровождается изменением его химических и физических свойств.
Кристаллическое строение сплавов
Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплавлением двух элементов или более. Элементами сплава могут быть металлы и неметаллы. Эти элементы называются компонентами сплава. В сплаве кроме основных компонентов могут содержаться и примеси. Примеси бывают полезные, улучшающие свойства сплава, и вредные, ухудшающие его свойства. Примеси бывают случайные, попадающие в сплав при его приготовлении, и специальные, которые вводят для придания ему требуемых свойств. Кристаллическое строение сплава более сложное, чем чистого металла, и зависит от взаимодействия его компонентов при кристаллизации. Компоненты в твердом сплаве могут образовывать твердый раствор, химическое соединение и механическую смесь.
Твердые растворы — компоненты сплава взаимно растворяются один в другом. В твердом растворе один из входящих в состав сплава компонентов сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второй компонент в виде отдельных атомов распределяется внутри кристаллической решетки.
Химическое соединение — компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, при этом образуется новая кристаллическая решетка. Компоненты имеют определенное соотношение по массе.
Механическая смесь — компоненты сплава обладают полной взаимной нерастворимостью и имеют различные кристаллические решетки. При этих условиях сплав будет состоять из смеси кристаллов составляющих ее компонентов. Механическая смесь имеет постоянную температуру плавления. Механическая смесь, образовавшаяся одновременной кристаллизацией из расплава, называется эвтектикой; в процессе превращения в твердом состоянии — эвтектоидом (например, Fe3C + FeγC — ледебурит; Fe3C + FeαC — перлит).
Твердые растворы, химические соединения и механические смеси представляют собой твердые фазы. Твердой фазой называют однородную по составу и атомно-кристаллическому строению часть сплава.
Аллотропия, или полиморфные превращения
Некоторые металлы при разных значениях температуры могут иметь различную кристаллическую решетку.
Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) носит название аллотропии, или полиморфизма.
Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение, или модификацию. Аллотропические формы обычно обозначают начальными буквами греческого алфавита α, β, γ, δ и т.п.
Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).
Так, при значении температуры ниже 911 °CустойчиварешеткаОЦК – Feα; в интервале значений температур 911 – 1392 °Cустойчива решетка ГЦК – Feγ; в интервале значений температур 1392 – 1539 °Cустойчива решетка ОЦК – Feδ; (высокотемпературная Feα).
Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначаются буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.
Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких значениях давления образуется графит, а при высоких – алмаз.
Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы термической обработкой.
Переход из одной полиморфной формы в другую сопровождается изменением свойств. Например, плотность Feγ на 3 % больше плотности Feα, а их удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема нужно учитывать при термической обработке.
Магнитные превращения
Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы.
При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определённом значении температуры (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – 768 °С). Выше этого значения температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.
Тестовые задания
1. Железо и его сплавы принадлежит к группе металлов и сплавов:
а) к тугоплавким; б) к черным; в) к диамагнетикам; г) к металлам с высокой удельной прочностью.
2. К черным металлам (сплавам) относятся:
а) латунь; б) коррозионно-стойкая сталь; в) баббит; г)дюралюмины.
3. Металлы с температурой плавления выше температуры плавления титана называют:
а) тугоплавкими; б) благородными; в) черными; г) редкоземельными.
4. Вольфрам относится:
а) к актиноидам; б) к благородным; в) к редкоземельным; г) к тугоплавким.
5. Следующие тугоплавкие металлы содержатся в группе:
а) никель, алюминий; б) титан, актиний; в) молибден, цирконий; г) вольфрам, железо.
6. Магний относится к группе металлов (сплавов):
а) к легкоплавким; б) к благородным; в) к легким; г) к редкоземельным.
7. Только легкие металлы содержатся в группе:
а) титан, медь; б) серебро, хром; в) алюминий, олово; г) магний, бериллий.
8. Только легкоплавкие металлы содержатся в группе:
а) индий, магний; б) олово, свинец; в) сурьма, никель; г) цинк, кобальт.
9. Одним из признаков металлической связи является:
а) скомпенсированность собственных моментов электронов; б) образование кристаллической решетки; в) обобществление валентных электронов в объеме всего тела; г) направленность межатомных связей.
10. Отсутствие направленности межатомных связей может быть объяснено свойством металлов:
а) парамагнетизмом; б) электропроводностью; в) анизотропностью; г) высокой компактностью.
11. Исключительно металлам принадлежит признак:
а) металлический блеск; б) наличие кристаллической структуры; в) высокая электропроводность; г) прямая зависимость электросопротивления от температуры.
12. Высокая теплопроводность металлов объясняется:
а) наличием незаполненных подуровней в валентной зоне; б) взаимодействием ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки; в) дрейфом электронов; г) нескомпенсированностью собственных моментов электронов.
13. Домен – это:
а) единица размера металлического зерна; б) область спонтанной намагниченности ферромагнетика; в) вид дефекта кристаллической структуры; г) участок металлического зерна с ненарушенной кристаллической решеткой.
14. Элементарная кристаллическая ячейка – это:
а) тип кристаллической решетки, характерный для данного химического элемента; б) минимальный объем кристаллической решетки, при трансляции которого по координатным осям можно воспроизвести всю решетку; в) кристаллическая ячейка, содержащая один атом; г) бездефектная (за исключением точечных дефектов) область кристаллической решетки.
15. Базис кристаллической решетки – это:
а) минимальный объем кристаллической решетки, при трансляции которого по координатным осям можно воспроизвести всю решетку; б) расстояние между соседними одноименными кристаллическими плоскостями; в) число атомов, находящихся на наименьшем равном расстоянии от любого данного атома; г) совокупность значений координат всех атомов, входящих в элементарную ячейку.
16. Свойство, состоящее в способности вещества существовать в различных кристаллических модификациях, – это:
а) полиморфизм; б) изомерия; в) анизотропия; г) текстура.
17. Характеристика кристаллической решетки, определяющая число атомов, находящихся на наименьшем равном расстоянии от любого данного атома, – это:
а) базис решетки; б) параметр решетки; в) коэффициент компактности; г) координационное число.
18. К росту плотности вещества приведет изменение характеристик кристаллической решетки:
а) увеличение параметров решетки; б) уменьшение количества пор в элементарной ячейке; в) увеличение числа атомов в ячейке; г) увеличение координационного числа.
19. Характеристика кристаллической решетки, определяющая отношение объема атомов, приходящихся на элементарную ячейку, к объему ячейки, – это:
а)коэффициент компактности; б) координационное число; в) базис решетки; г) параметр решетки.
20. Элементарной ячейке принадлежит следующее число атомов (рис. 1.4):
а) 8; б) 6; в) 4; г) 14.
21. Химическая формула сплава с кристаллической решеткой (рис. 1.5):
| - компонент А |
| - компонент В |
22. Явление, заключающееся в неоднородности свойствматериала в различных кристаллографических направлениях – это:
а) изотропность; б) анизотропия; в) текстура; г) полиморфизм.
23. Анизотропией обладают:
а) аморфные материалы; б) ферромагнитные материалы; в) поликристаллические вещества; г) текстурованные поликристаллические материалы
24. Анизотропией обладают:
а) парамагнетики; б) монокристаллы; в) вещества, обладающие полиморфизмом; г) переохлажденные жидкости.
Разница между полиморфизмом и аллотропией
Полиморфизм — это наличие нескольких разных форм у одного и того же твердого материала. Это означает, что соединения этого типа могут иметь более одной кристаллической структуры. Аллотропия, с другой стороны, является аналогичной химической концепцией, но она описывает наличие нескольких различных форм одного и того же химического элемента.
Содержание
- Обзор и основные отличия
- Что такое полиморфизм
- Что такое аллотропия
- В чем разница между полиморфизмом и аллотропией
- Заключение
Что такое полиморфизм?
Полиморфизм — это способность твердого материала существовать в нескольких формах с различной кристаллической структурой. Увидеть эту характеристику можно в любом кристаллическом материале, таком как полимеры, минералы, металлы и д.р. Наиболее яркий пример демонстрирует минерал — карбонат кальция (СаСО3). Он демонстрирует полиморфизм при кристаллизации в Арагонит и Кальцит.
Арагонит Кальцит
Существует несколько типов полиморфизма:
- Упаковочный полиморфизм — в зависимости от различий в кристаллической упаковке
- Конформационный полиморфизм — наличие разных конформеров одной и той же молекуле
- Псевдополиморфизм — наличие разных типов кристаллов в результате гидратации или сольватации.
Изменение условий во время процесса кристаллизации является главной причиной, которая ответственна за возникновение полиморфизма в кристаллических материалах. Эти переменные условия следующие:
- Полярность растворителя
- Наличие примесей
- Уровень перенасыщения, при котором материал начинает кристаллизоваться
- Температура
- Изменения в условиях перемешивания при кристаллизации
Что такое аллотропия?
Аллотропия — это существование двух или более различных физических форм химического элемента. Эти формы существуют в одном физическом состоянии, в основном в твердом состоянии. Следовательно, это разные структурные модификации одного и того же химического элемента. Аллотропы содержат атомы одного и того же химического элемента, которые связывается друг с другом по-разному.
Алмаз и графит являются аллотропами углерода
Кроме того, эти разные формы могут иметь разные физические свойства, поскольку они имеют разную структуру, и химическое поведение также может меняться. Один аллотроп может превращаться в другой, при изменении некоторых факторов, таких как давление, свет, температура и т.д. Эти физические факторы влияют на стабильность этих соединений. Некоторые общие примеры для аллотропов следующие:
- Углерод — алмаз, графит, графен, фуллерены и др.
- Фосфор — белый фосфор, красный фосфор, дифосфор и др.
- Кислород — диоксид кислорода, озон, тетраоксиген и др.
- Бор — аморфный бор, альфа ромбоэдрический бор и др.
- Мышьяк — желтый мышьяк, серый мышьяк и др.
В чем разница между полиморфизмом и аллотропией?
Полиморфизм — это способность твердого материала существовать в более чем одной форме или кристаллической структуре. Полиморфизм происходит только в химических соединениях. Кроме того, он описывает различия в кристаллических структурах соединений. Аллотропия — это существование двух или более различных физических форм химического элемента. Аллотропия происходит только в химических элементах. В дополнение к этому, она описывает различия в атомном расположении соединений, имеющих атомы одного и того же химического элемента.
Заключение — Полиморфизм против Аллотропии
Полиморфизм и аллотропия — два связанных термина в неорганической химии. Разница между полиморфизмом и аллотропией заключается в том, что полиморфизм возникает в химических соединениях, а аллотропия — в химических элементах.
1.5. Аллотропия (полиморфизм) металлов
2.2. Аллотропия (полиморфизм) металлов
Аллотропией, или полиморфизмом, называется способность металлов в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение, а следовательно, и свойства при различных температурах.
Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называется аллотропическим (полиморфным) превращением. Аллотропические формы обозначают начальными буквами греческого алфавита: альфа α, бета β, гамма γ, дельта δ и т. д., начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.
На рис. 14 приведена кривая охлаждения железа, характеризующая аллотропические превращения. Железо имеет объемно центрированную кубическую решетку до температуры 911 °С и в интервале 1392–1539 °С (Feα), а от температуры 911 до 1392 °С имеет гранецентрированную кубическую решетку Feγ. Высокотемпературная α-модификация (от 1392 до 1539 °С) иногда обозначается Feδ (δ – железо). При температуре 768 °С происходит изменение магнитных свойств: ниже 768 °С железо магнитно, выше 768 °С железо немагнитно.
Характерным примером является аллотропия олова. При температуре ниже 18 °С устойчива модификация α-олова (Snα), называемая серым оловом, а выше 18 °С – модификация β-олова (Snβ), называемая белым оловом.
Решетка белого олова более компактна, чем серого олова, и превращение Snβ Snα идет со значительным увеличением объема. Поэтому при образовании на белом олове бугорка серого олова последнее, вследствие больших объемных изменений, рассыпается в порошок. Это явление получило название «оловянной чумы», превращение необратимо.
Максимального значения скорость аллотропического превращения Snβ Snα достигает при переохлаждении примерно до температуры – 30 °С. Поэтому опасность «оловянной чумы» особенно велика при хранении олова в зимнее время в холодном помещении.
2.3. Основные сведения о сплавах
Должны знать, что металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или металлов с металлоидами), обладающее металлическими свойствами. Обычным способом приготовления сплавов является сплавление, но иногда применяют спекание, электролиз или возгонку.
В большинстве случаев входящие в сплав элементы в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге, т. е. представляют собой жидкий раствор, в котором атомы различных элементов более или менее равномерно перемешаны друг с другом (рис. 15, а). В твердом виде сплавы способны образовывать твердые растворы, химические соединения и механические смеси (рис. 15, б, в, г).
в Химическое
г Механическая
Рис. 15. Структура и строение элементарной ячейки пространственной кристаллической решетки различных сплавов из двух металлов А к В: – атомы металлаA; – атомы металла В
Твердый раствор. Во многих сплавах при переходе в твердое состояние (при кристаллизации) сохраняется однородность распределения атомов различных элементов и, следовательно, сохраняется и растворимость. Образовавшийся в этом случае кристалл (зерно) называется твердым раствором.
Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия представляет собой совершенно однородные и одинаковые по составу зерна и похожа на структуру чистого металла (рис. 15, б). Твердый раствор, как и чистый металл, имеет одну кристаллическую решетку. Различие состоит только в том, что в кристаллической решетке чистого металла все узлы заняты атомами одного элемента, а в твердом растворе — атомами различных элементов, образующих этот твердый раствор.
Растворимость в твердом состоянии может быть неограниченной и ограниченной. Растворимость твердого раствора, полученного при любом количественном соотношении элементов, называется неограниченной.Растворимость твердого раствора, полученного при определенном количественном соотношении элементов, называется ограниченной.
По расположению атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.
В твердом растворе замещения атомы растворенного элемента занимают узлы атомов элемента растворителя, т. е. расположены в узлах общей кристаллической решетки (рис. 16, а).
В твердом растворе внедрения атомы растворенного элемента располагаются внутри кристаллической решетки элемента растворителя между атомами металла-растворителя (рис. 16, б).
При образовании твердых растворов свойства сплавов изменяются плавно и отличаются от свойств элементов, из которых они состоят.
Химическое соединение. Особый характер металлической связи в сплавах приводит к образованию особого вида химических соединений. В отличие от обычных химических соединений многие металлические соединения имеют переменный состав, который может изменяться в широких пределах. Характерной особенностью металлического химического соединения является образование кристаллической решетки (см. рис. 13, б), отличной от решеток образующих элементов, и существенное изменение всех свойств.
Иногда в металлических сплавах образуются также химические соединения с нормальной валентностью, например, оксиды, сульфиды, а также соединения металлов с резко отличным электронным строением атомов (Mg2Sn, Mg2Pb и др.).
Механическая смесь. Если элементы, входящие в состав сплава, не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения, то при этих условиях из атомов каждого элемента образуется отдельная кристаллическая решетка, и кристаллы (зерна) элементов, входящие в сплав, образуют механическую смесь (рис. 15,г). При образовании механической смеси, когда каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, свойства сплава получаются средними между свойствами элементов, которые его образуют.
Механические смеси образуются также в случаях, когда элементы обладают ограниченной растворимостью, а также когда образуют химическое соединение. Если в сплаве количество элементов превышает их предельную растворимость, то возникает механическая смесь двух насыщенных твердых растворов. При наличии в сплаве химического соединения образуется механическая смесь из зерен твердого раствора и химического соединения и т. д.
При изучении процессов, происходящих в металлах и сплавах при их превращениях, и описании их строения в металловедении пользуются следующими понятиями: «фаза», «структура», «система», «компонент».
Фазой называются однородные составные части системы (металла или сплава), имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение, свойства и одинаковое агрегатное состояние.
Например, жидкий металл является однофазной системой; смесь жидкого металла и твердых кристалликов – двухфазной системой, так как свойства жидкого металла значительно отличаются от свойств твердых кристалликов. Фазами могут быть отдельные металлы, их химические соединения, а также растворы на основе металлов.
Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.
Структурными составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Структурные составляющие могут состоять из одной, двух или более фаз. Одна из важнейших задач металловедения – определение взаимосвязи между составом, структурой и свойствами.
Системой называется совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температура, давление). Система, может быть, простой, если она состоит из одного элемента, и сложной, если она состоит из нескольких элементов.
Компонентами называют вещества, образующие систему. Компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) или устойчивые химические соединения.
Читайте также: