Явление аллотропии. Аллотропные модификации
Различных по строению и свойствам - так называемых аллотропных (или аллотропических) модификаций или форм.
Явление аллотропии обусловлено либо различным составом молекул простого вещества (аллотропия состава ), либо способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке (аллотропия формы ).
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Понятие аллотропии введено в науку Й. Берцелиусом в 1841 году для обозначения разных форм существования элементов; одновременно он предполагал, по-видимому, применить его и к изомерии соединений . После принятия гипотезы А. Авогадро в 1860 году стало понятно, что элементы могут существовать в виде многоатомных молекул, например, О 2 - кислород и О 3 - озон .
В начале XX века было признано, что различия в кристаллической структуре простых веществ (например, углерода или фосфора) также являются причиной аллотропии. В 1912 году В. Оствальд отметил, что аллотропия элементов является просто частным случаем полиморфизма кристаллов , и предложил отказаться от этого термина. Однако по настоящее время эти термины используются параллельно. Аллотропия относится только к простым веществам, независимо от их агрегатного состояния; полиморфизм - только к твёрдому состоянию независимо от того, простое это вещество или сложное. Таким образом, эти термины совпадают для простых твёрдых веществ (кристаллическая сера, фосфор, железо и др.) .
Примеры аллотропии
В настоящее время известно более 400 разновидностей простых веществ. Способность элемента к образованию аллотропных форм обусловлена строением атома, которое определяет тип химической связи, строение молекул и кристаллов.
Как правило, большее число аллотропных форм образуют элементы, имеющие переменные значения координационного числа или степени окисления (олово, фосфор). Другим важным фактором является катенация - способность атомов элемента образовывать гомоцепные структуры (например, сера). Склонность к аллотропии более выражена у неметаллов , за исключением галогенов , благородных газов , и полуметаллов .
Принято обозначать различные аллотропические формы одного и того же элемента строчными буквами греческого алфавита; причём форму, существующую при самых низких температурах, обозначают буквой α, следующую - β и т. д.
Неметаллы
Элемент Аллотропные модификации Водород : Водород может существовать в виде орто - и пара -водорода. В молекуле орто-водорода o -H 2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины параллельны, а у пара-водорода p -H 2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) - антипараллельны.
Углерод : Фосфор : Известно 11 аллотропных модификаций фосфора. Основные модификации: белый , красный и чёрный фосфор . Белый фосфор ядовит, светится в темноте, способен самовоспламеняться, красный фосфор не ядовит, не светится в темноте, сам по себе не воспламеняется.
Кислород : Две аллотропные модификации: О 2 - кислород и О 3 - озон . Кислород бесцветен, не имеет запаха; озон имеет выраженный запах, имеет бледно-фиолетовый цвет, он более бактерициден.
Сера : Большое число аллотропных модификаций, второе место после углерода. Основные модификации: ромбическая, моноклинная и пластическая сера.
Селен : Красный цикло-Se 8 , серый полимер Se и чёрный селен.
Полуметаллы
Элемент Аллотропные модификации Бор : Бор существует в аморфном и кристаллическом видах. Аморфный бор - порошок бурого цвета. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический бор. Кристаллический бор - вещество чёрного цвета. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, которые кристаллизуются в ромбической и тетрагональной сингониях. Наиболее устойчивая модификация - β-ромбический бор - состоит из икосаэдров B 12 , которые образуют слои, объединенные в бесконечную структуру.
Кремний : Различают две основные аллотропные модификации кремния - аморфную и кристаллическую. Решётка кристаллической модификации кремния - атомная, алмазоподобная. Также выделяют поликристаллический и монокристаллический кремний.
Мышьяк : Три основные аллотропные модификации: жёлтый мышьяк (неметалл, состоящий из молекул As 4 - структура, аналогичная белому фосфору), серый мышьяк (полуметаллический полимер), чёрный мышьяк (неметаллическая молекулярная структура, аналогичная красному фосфору).
Германий : Две аллотропные модификации: α-Ge - полуметалл с алмазоподобной кристаллической решёткой и β-Ge - с металлической структурой, аналогичной β-Sn.
Сурьма : Известны четыре металлических аллотропных модификаций сурьмы, существующих при различных давлениях, и три аморфные модификации (взрывчатая, чёрная и жёлтая сурьма), из которых наиболее устойчива металлическая форма серебристо-белого цвета с синеватым оттенком
Полоний : Полоний существует в двух аллотропных металлических модификациях. Кристаллы одной из них - низкотемпературной - имеют кубическую решетку (α-Po), а другой - высокотемпературной - ромбическую (β-Po). Фазовый переход из одной формы в другую происходит при 36 °C, однако при обычных условиях полоний находится в высокотемпературной форме вследствие разогрева собственным радиоактивным излучением.
Металлы
Среди металлов, которые встречаются в природе в больших количествах (до U, без Tc и Pm), 28 имеют аллотропные формы при атмосферном давлении: Li, Be, Na, Ca, Sc, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Th, Pa, U. Также важны аллотропные формы ряда металлов, образующиеся при их технологической обработке: Ti при 882˚C, Fe при 912˚C и 1394˚C, Co при 422˚C, Zr при 863˚C, Sn при 13˚C и U при 668˚C и 776˚C.
Элемент Аллотропные модификации Олово : Олово существует в трех аллотропных модификациях. Серое олово (α-Sn) мелкокристаллический порошок, полупроводник, имеющий алмазоподобную кристаллическую решётку, существует при температуре ниже 13,2 °С. Белое олово (β-Sn) - пластичный серебристый металл, устойчивый в интервале температур 13,2-161 °С. Высокотемпературное гамма-олово (γ-Sn), имеющее ромбическую структуру, отличается высокой плотностью и хрупкостью, устойчиво между 161 и 232 °С (температура плавления чистого олова).
Железо : Для железа известны четыре кристаллические модификации: до 769 °C (точка Кюри) существует α-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика ; в температурном интервале 769-917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика ; в температурном интервале 917-1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой; выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой
Лантаноиды : Церий, самарий, диспрозий и иттербий имеют по три аллотропических модификации; празеодим, неодим, гадолиний и тербий - по две.
Актиноиды : Для всех актиноидов, кроме актиния, характерен полиморфизм. Кристаллические структуры протактиния, урана, нептуния и плутония по своей сложности не имеют аналогов среди лантаноидов и более похожи на структуры 3d-переходных металлов. Плутоний имеет семь полиморфных модификаций (в том числе, при обычном давлении - 6), а уран, прометий, нептуний, америций, берклий и калифорний - три. Лёгкие актиноиды в точке плавления имеют объёмно-центрированную решётку, а начиная с плутония - гранецентрированную.
Энантиотропные и монотропные переходы
Переход одной аллотропной модификации в другую происходит при изменении температуры или давления (или одновременном воздействии обоих факторов) и связан со скачкообразным изменением свойств вещества. Этот процесс бывает обратимым (энантиотропным ) и необратимым (монотропным ).
Примером энантиотропного перехода может служить превращение ромбической серы в моноклинную α-S (ромб.) ↔ β-S (монокл.) при 95,6 °C. При обычной температуре стабильной является ромбическая модификация серы, которая при нагревании до 95,6 °С при нормальном давлении переходит в моноклинную форму. Последняя при охлаждении ниже 95,6 °С вновь переходит в ромбическую форму. Таким образом, переход одной формы серы в другую происходит при одной и той же температуре, и сами формы называются энантиотропными.
К монотропному переходу относится превращение белого фосфора P 4 под давлением 1,25 ГПа и температуре 200 °C в более стабильную модификацию - чёрный фосфор. При возвращении к обычным условиям обратный переход не происходит. Переход из нестабильной формы в стабильную в принципе возможен при любой температуре, а обратный - нет, то есть определенная точка перехода отсутствует. Ещё один пример - превращение графита в алмаз при давлении 6 ГПа и температуре 1500 °C в присутствии катализатора (никель, хром, железо и другие металлы), то есть при условиях термодинамической устойчивости алмаза. Тогда как алмаз легко и быстро переходит в графит при температурах выше 1000 °С. В обоих случаях давление способствует превращению, поскольку образуется вещества с более высокой плотностью, чем исходные.
Три известные модификации олова оловянная чума »). Обратный процесс возможен только путём переплавки.
Аллотропия
АЛЛОТРОПИ́Я -и; ж. [от греч. allos - другой и tropos - поворот, направление]. Существование одного и того же химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам.
◁ Аллотропи́ческий, -ая, -ое. Графит и алмаз являются аллотропическими видоизменениями углерода.
аллотро́пия(от алло... и греч. trópos - поворот, свойство), существование химических элементов в виде двух или более простых веществ. Может быть обусловлена образованием молекул с различным числом атомов (например, кислород О 2 и озон О 3) либо кристаллов различных модификаций (например, алмаз и графит, состоящие из атомов углерода). В последнем примере аллотропия - частный случай полиморфизма.
АЛЛОТРОПИЯАЛЛОТРО́ПИЯ (от алло... и греч. tropos - поворот, свойство), существование химических элементов в виде двух или более кристаллических фаз (см. ФАЗА) . Аллотропия - частный случай полиморфизма (см. ПОЛИМОРФИЗМ (в минералогии)) . В понятие аллотропия включают также существование некристаллических фаз, таких, как кислород и озон, орто- и параводород.
Большинство простых веществ существуют в нескольких аллотропных модификациях. Например, для чистого железа при атмосферном давлении известны три модификации:
a-железо « b-железо « d-железо
ОЦК 910 о С ГЦК 1400 о С ОЦК
Общеизвестен пример существования двух модификаций олова: серое a-олово - полупроводник со структурой алмаза и белое b-олово - типичный металл.
Каждая полиморфная (аллотропная) модификация вещества стабильна лишь в своей области температур и давлений, но и в метастабильном, неустойчивом состоянии она может существовать достаточно долго. Полиморфизм олова является здесь хорошим примером. Белое олово может переохлаждаться ниже температуры перехода, равной 13,2 °С, и существовать в виде белого металла достаточно долго. Однако его состояние при температуре менее 13,2 °С неустойчиво, поэтому сотрясение, механическое повреждение, внесение стабильной затравки вызывает резкий скачкообразный переход, получивший название «оловянной чумы». Переход из b- в a-модификацию происходит с изменением типа связи от металлической к ковалентной и сопровождается резким изменением объема. Коэффициент линейного расширения у серого олова в четыре раза больше, чем у белого, поэтому белое олово, переходя в серое, рассыпается в порошок.
Углерод существует в двух четко различающихся кристаллических аллотропных формах: в виде алмаза (см. АЛМАЗ (минерал)) и графита (см. ГРАФИТ) . Раньше полагали, что так называемые аморфные формы углерода, древесный уголь и сажа, - тоже его аллотропные модификации, но оказалось, что они имеют такое же кристаллическое строение, что и графит. Полиморфное превращение кристаллов углерода - пример монотропного, т. е. необратимого, перехода. При температурах выше 1000 °С алмаз легко и быстро переходит в графит. В противоположность этому превратить графит в алмаз удается лишь при температурах более 3000 °С и давлениях до 100 Мпа, т. е. при условиях термодинамической устойчивости алмаза. Аналогичная картина наблюдается для фосфора (см. ФОСФОР) . Белая его форма может превращаться в красную почти при любой температуре. При температурах ниже 200 °С процесс протекает очень медленно, но его можно ускорить с помощью катализатора, например йода. Обратный же переход красного фосфора в белый невозможен без образования промежуточной газовой фазы. Красная форма стабильна во всем диапазоне температур, где она находится в твердом состоянии, тогда как белая нестабильна при любой температуре (метастабильна). Переход из нестабильной формы в стабильную в принципе возможен при любой температуре, а обратный - нет, т. е. определенная точка перехода отсутствует. Здесь мы тоже имеем дело с монотропными модификациями элемента.
В случае серы при обычной температуре стабильной является ромбическая модификация серы, которая при нагревании до 95,6 °С и давлении 1 атм переходит в моноклинную форму. Последняя при охлаждении ниже 95,6 °С вновь переходит в ромбическую форму. Таким образом, переход одной формы серы в другую происходит при одной и той же температуре, и сами формы называются энантиотропными. Две известные модификации олова энантиотропны.Энциклопедический словарь . 2009 .
- аллополиплоидия
- аллохория
Смотреть что такое "аллотропия" в других словарях:
аллотропия - аллотропия … Орфографический словарь-справочник
АЛЛОТРОПИЯ - (от греч. allos иной, и trepein обращать). Свойство некоторых химических веществ принимать различные формы, вместе с различными свойствами; напр., углерод, являющийся в виде алмаза, графита, угля. Словарь иностранных слов, вошедших в состав… … Словарь иностранных слов русского языка
АЛЛОТРОПИЯ - (от алло... и греч. tropos поворот свойство), существование химических элементов в виде двух или более простых веществ. Может быть обусловлена образованием молекул с различным числом атомов (напр., кислород O2 и озон O3) либо кристаллов различных … Большой Энциклопедический словарь
АЛЛОТРОПИЯ - АЛЛОТРОПИЯ, свойство некоторых химических элементов, позволяющее им существовать в двух или более различных физических формах. Каждая форма (называемая аллотропом) может иметь различные химические свойства, но способна превратиться и в другой… … Научно-технический энциклопедический словарь
АЛЛОТРОПИЯ - полиморфизм элементов (углерод, сера и др.). Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия
АЛЛОТРОПИЯ - (от греч. allos иной и tropos образ), свойство некоторых хим. элементов существовать в нескольких видоизменениях, различных по физ. и хим. свойствам. Причины А.: полимерия (см.) различное число атомов в молекуле (напр., у О, S, Р), различное… … Большая медицинская энциклопедия
аллотропия - Существование одного и того же химич. элемента в виде двух или нескольких простых вещ в, разных по строению и свойствам, т.н. аллотропич. модификаций. А. м. б. результатом образования разных кристаллич. форм (напр., фа фит и алмаз, a Fe и y Fe)… … Справочник технического переводчика
АЛЛОТРОПИЯ - свойство некоторых хим. элементов в свободном виде существовать в нескольких видоизменениях (модификациях), различных по строению кристаллической решетки, физ. и хим. свойствам, напр. углерод существует в виде угля, графита и алмаза … Большая политехническая энциклопедия
Применительно к металлографии аллотропия - это существование одного вещества в нескольких кристаллических формах (аллотропия формы). Явление аллотропии обусловлено способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке.
Различные кристаллические формы одного вещества называются аллотропическими модификациями , которые обозначаются греческими буквами: и т.д. Аллотропическая форма, существующая при самой низкой температуре, обозначается потом следует модификация и т.д.
Явление аллотропии изучено достаточно хорошо. А вот продемонстрировать его не всегда удается. Причина тому - существование аллотропических форм существенно выше или ниже комнатной температуры, когда наличие той или иной формы можно определить только в лабораторных условиях, а зафиксировать структуру - и того реже.
Наиболее известные примеры аллотропных веществ - это железо, углерод, олово.Об аллотропии железа пишут много. Аллотропические формы железа (α- , - и -) различаются типом кристаллической решетки (рис. 1): объемноцентрированная у α-модификации и гранецентрированная у -модификации. -железо - это высокотемпературная модификация, также имеющая объемноцентрированную кубическую решетку. Для практических целей она существенного значения не имеет, поэтому о ней упоминают редко. Она оказывает определенное влияние на строение некоторых марок литых сталей и их последующую термическую обработку. Потом мы напишем немного и об этом. Строго говоря, выделяют еще - модификацию. Это немагнитное α - железо, которое существует в интервале 911-768 о С.Рисунок 1. Кривая охлаждения железа
Поскольку температуры перехода одной аллотропической формы в другую лежат в области высоких температур, понятно, что существование - железа при комнатной температуре возможно с помощью некоторых ухищрений. Фактически, мы видим при комнатной температуре не непосредственно - железо , а твердый раствор легирующих элементов в - железе - аустенит. Почему? Потому что некоторые легирующие элементы снижают температуру существования - железа до комнатной и ниже. В сущности, уже углерод при содержании 0,8% снижает температуру перехода Fe Fe почти на 200 градусов - с 911 о С до 727 о С. Ну, а если добавлять еще легирующие….. . Дело удается, и мы имеем структуру аустенита при комнатной температуре. Ну, а α-железо существует при комнатной температуре и чтобы увидеть его, дополнительного легирования не надо. В металловедении мы чаще всего имеем дело не с чистым α-железом, а с твердым раствором на его основе- ферритом.
Существование аллотропии железа позволило создать современные технологии термической обработки стали.
Здесь нас интересует структура, присущая разным аллотропическим формам. Структуры α-железа (феррит) и - железа (аустенит) надежно различаются микроскопически (рис. 2). Зерна феррита имеют округлую или полиэдрическую форму (рис.2а), аустенита - угловатую, многоугольную. В аустените, как правило, чаще наблюдаются двойники (рис.2б). Из представленных на рис.2 фотографий видно, что феррит не очень устойчив химически - зерна феррита окрасились при травлении. Аустенит более устойчив. Кстати - нержавеющие стали имеют аустенитную структуру.Рисунок 2. Структура феррита (а) и аустенита (б).
Еще большим разнообразием форм обладает углерод. Долгое время считалось, что он обладает двумя аллотропными модификациями, графитом и алмазом, но с середины двадцатого века разнообразие различных модификаций стало стремительно увеличиваться. В шестидесятых годах ХХ века открыт карбин, в 1985 году были открыты различные фуллерены, а не-сколько позже - нанотрубки, нанопена и др. Примерно в это же время были обнаружены фрагменты графита атомарной толщины, которые предложили назвать графеном. Его можно представить в виде атомарного слоя графита. С начала 2000-годов графен стал одним из самых интенсивно ис-следуемых физических объектов. Аллотропия углерода - это также аллотропия формы. В справочной литературе выделяют много аллотропных форм углерода, но здесь приведены только две из них - графит и алмаз . Тем более, что для целей материаловедения это как-то ближе. В особенности графит, который доступен в свободном виде по банальным карандашам, а также алмаз, прекрасный и не всегда доступный… Когда-то предполагали, что углерод в виде алмаза может присутствовать в сталях и чугунах, но не нашли. Придется удовольствоваться графитом.
Кристаллические решетки графита и алмаза различаются существенно. У графита - гексагональная, у алмаза - гранецентрированная кубическая.
Микроскопически графит прекрасно наблюдается в чугуне, особенно без травления на фоне блестящей металлической матрицы, и может принимать различные формы - глобулярную, пластинчатую, хлопьевидную, вермикулярную. Форма графита зависит от состава и способа получения чугуна. Если повезет, то можно увидеть сферокристалл графита (рис. 3, а). Ну, а если не повезет, то «куском» (рис.3, б). В принципе, структура у такого куска будет принципиально такая же, как и у компактного графита различных марок (рис. 4,5) - кристаллы, хаотично ориентированные. Для рассмотрения такого графита в микроскопе также желательно сделать шлиф. В данном случае образцы были пришлифованы на шкурке и стекловолокне.Рисунок 3. Графит в высокопрочном чугуне
Рисунок 4. Структура электродного графита.
Рисунок 5. Образцы и
Современные технологии позволяют получать графит в различных «ипостасях», например графитовая бумага. (Бумага - потому что состоит из тонких слоев. Но не для письма!)
а 
б в Рисунок 6. Образец графитовой бумаги (а) и его поверхность при различных увеличениях (б,в).
Существует графитовое (углеродное) волокно (рис. 7,а), которое является армирующим компонентом композиционных материалов (рис.7,б). Металлография позволяет рассмотреть углеродное волокно - армирующий компонент алюминиевого сплава (рис. 8).
Рисунок 8. Углеродное волокно в составе алюминиевого сплава
Другой популярной в описаниях аллотропной формой углерода является алмаз. Под микроскопом грани ювелирного алмаза можно рассмотреть в темном поле (рис. 9). Цвет здесь определяется настройками видеокамеры.
Рисунок 10. Алмазный порошок: а - светлое поле, б - темное поле; х200.
(этот материал будет продолжен)
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.
В процессе аллотропического превращения выделяется скрытая теплота кристаллизации (если превращение идет при охлаждении); на кривой охлаждения аллотропическое превращение отмечается горизонтальным участком. Аллотропические превращения имеют многие металлы, например, железо, марганец, олово, титан и др.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 (Fe α), а от температуры 911 до 1392 °С имеет гранецентрированную кубическую решетку Fe γ . 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 (Sn α), называемая серым оловом, а выше 18 °С – модификация β-олова (Sn β), называемая белым оловом.
Решетка белого олова более компактна, чем серого олова, и превращение Sn β Sn α 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 β Sn α 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).
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 (Mg 2 Sn, Mg 2 Pb 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.
Содержание статьи
АЛЛОТРОПИЯ, существование химических элементов в двух или более молекулярных либо кристаллических формах. Например, аллотропами являются обычный кислород O 2 и озон O 3 ; в этом случае аллотропия обусловлена образованием молекул с разным числом атомов. Чаще всего аллотропия связана с образованием кристаллов различных модификаций. Углерод существует в двух четко различающихся кристаллических аллотропных формах: в виде алмаза и графита. Раньше полагали, что т.н. аморфные формы углерода, древесный уголь и сажа, – тоже его аллотропные модификации, но оказалось, что они имеют такое же кристаллическое строение, что и графит. Сера встречается в двух кристаллических модификациях: ромбической (a -S) и моноклинной (b -S); известны по крайней мере три ее некристаллические формы: l -S, m -S и фиолетовая. Для фосфора хорошо изучены белая и красная модификации, описан также черный фосфор; при температуре ниже –77° С существует еще одна разновидность белого фосфора. Обнаружены аллотропные модификации As, Sn, Sb, Se, а при высоких температурах – железа и многих других элементов.
Энантиотропные и монотропные формы.
Кристаллические модификации химического элемента могут переходить одна в другую по-разному, что можно проиллюстрировать на примерах серы и фосфора. При обычной температуре стабильной является ромбическая модификация серы, которая при нагревании до 95,6° С и давлении 1 атм переходит в моноклинную форму. Последняя при охлаждении ниже 95,6° С вновь переходит в ромбическую форму. Таким образом, переход одной формы серы в другую происходит при одной и той же температуре, и сами формы называются энантиотропными. Другая картина наблюдается для фосфора. Белая его форма может превращаться в красную почти при любой температуре. При температурах ниже 200° С процесс протекает очень медленно, но его можно ускорить с помощью катализатора, например иода. Обратный же переход красного фосфора в белый невозможен без образования промежуточной газовой фазы. Красная форма стабильна во всем диапазоне температур, где она находится в твердом состоянии, тогда как белая нестабильна при любой температуре (метастабильна). Переход из нестабильной формы в стабильную в принципе возможен при любой температуре, а обратный – нет, т.е. определенная точка перехода отсутствует. Здесь мы имеем дело с монотропными модификациями элемента. Две известные модификации олова энантиотропны. Модификации углерода – графит и алмаз – монотропны, причем стабильной является форма графита. Красная и белая формы фосфора монотропны, а две белые его модификации энантиотропны, температура перехода равна –77° С при давлении 1 атм.
Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства