CC BY
0
УДК 669.017.11
О ВЛИЯНИИ РАЗМЕРА АТОМА НА СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: amosov-ea@mail.ru) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
В данной статье рассмотрен вопрос о возможном влиянии размера атома металла на тип кристаллической решетки (количество ближайших соседей у атома), модуль упругости, плотность материала.
Ключевые слова: размер атома, модуль Юнга, плотность металла, координационное число
Как известно из литературы, типичные металлы имеют, как правило, кубическую структуру, и при этом возможно две формы элементарной ячейки: гранецентрированная кубическая (ГЦК) и объёмно-центрированная кубическая (ОЦК). Кроме того, возможна ещё гексагональная плотноупако-ванная структура (ГПУ), являющаяся, как и ГЦК структура, разновидностью самой плотной упаковки атомов в кристалле [4-6].
Указанные типы структур отличаются в первую очередь числом ближайших соседей в кристалле у выделенного атома: в ОЦК структуре у выделенного атома восемь ближайших соседей, а в ГЦК и в ГПУ структурах - двенадцать [7].
Выясним, оказывает ли влияние размер атома на способ упаковки атомов металлов в кристаллической решётке и на другие свойства металлов и можно ли выделить здесь какую-то общую закономерность.
На рисунке 1 представлена зависимость между предковым номером элемента в таблице Д.И.Менделеева и орбитальным радиусом атома [8]. Также на этом графике отмечены тугоплавкие ОЦК металлы (W, Hf. Mo, Cr, Fe, в-Ti, V, Zr, Nb), типичные ГЦК и ГПУ металлы (Mg, Al, Сг, Zn, Pt, Au, Ag, Cd, Pb, Os, Co, Be) и элементы со структурой алмаза (С, Si, Ge, Sn), в которой у выделенного атома в кристаллической решётке 4 ближайших соседа.
Как можно заметить из рисунка 1, радиусы атомов указанных элементов с одинаковым координационным числом (или числом ближайших соседей у выделенного атома) группируются вокруг трёх параллельных линий, что даёт нам возможность полагать, что способ упаковки атомов (или тип кристаллической решётки) может быть закономерно взаимосвязан с размером атомов, то есть, в способе упаковки присутствует переделённая закономерность, связанная с размером атома.
Подобная закономерность является вполне ожидаемым результатом, поскольку, как известно из литературы [3, 4], типичные металлы имеют общие закономерности, обнаруженные в опытах (например, температура плавления металла обратно пропорциональна коэффициенту термического
расширения, а коэффициент теплопроводности металла прямо пропорционален его удельной электропроводности).
6
Рисунок 1 - Взаимосвязь способа упаковки атомов с их размером (отмечены типичные ОЦК металлы, ГЦК и ГПУ металлы и элементы со
структурой алмаза)
Отметим также, что ОЦК металлы с достаточно высокими температурами плавления Мо, 7г, МЬ, Та, Сг) имеют достаточно близкие размеры атомов, что также свидетельствует о возможном влиянии размера атома металла на физические свойства материала.
Определим теперь, как взаимосвязаны размер атома и модуль упругости металлов. На рисунке 2 отмечены металлы с достаточно высоким значением модуля упругости (рисунок ниже).
Как видно из рисунка 2, металлы с высоким модулем упругости (Ве, Об, 1г, Яи, Яе) группируются вокруг некоторой линии, то есть, иначе говоря, имеют не очень сильно отличающиеся радиусы атомов.
На рисунке 3 отмечены металлы с высоким значением плотности Та, Об, Щ, Яи, N1). Как видно из рисунка 3, металлы с высокой плотностью (также, как и в отмеченных ранее случаях) имеют достаточно близкие размеры атомов, что также указывает на возможное влияние размера атома на физические свойства материала.
2,5
V
5 1г
Ьп 'I и
<5 "
1а Ч. •и
I'
I
0,5
ИХ
/! ериодьГ
Зе
1%
не
Р |
,0
1 1
\_
1А1 1Р
ТГ
■■ Т
Мп'^0 си
С1 лг
Са Ав
гг> 1с
СсГ^
та"
№ ¡Се
Лп
вг
ь3е
ГХе
Нд1 Б1
>1
Iй
71 ^РЫ 1_Ро
Кг
(
10 20 30 ' М 50 " 60 70 80 Рисунок 2 - Металлы с высоким модулем упругости
30,
1} е риа дТГ
2,5
V
ч
=34 '> и
"а
* 1 $ 1
Сз
I
- И
аь
к
Щ
1эг
яь
9,5
н!
V
Мп^
,С1
?АГ
Тс' ■ -ЯП*
ба Аз
I
[Се
Бг
1Йе
х-азт
5 ¿6*-!---
\сд Лп
ГХе
-Не
ЩГ
В1
Зг
(ВО
АГ
йп
№
ш
20
30
р
I (
50
60
70
80
80,
Рисунок 3 - Металлы с высокой плотностью
10 20 30 • M 50 ' 60 70 $0 ' ¡0\
Рисунок 4 - Металлы с большим коэффициентом распыления
Периоды
Рисунок 5 - Металлы, карбиды и нитриды которых имеют одинаковую кристаллическую решетку (типа МаС1)
На рисунке 4 отмечены металлы, имеющие по литературным данным высокий коэффициент распыления, а именно Cu, Ag, Au, Pt, Pd [9]. Как видно из рисунка 4, данные металлы имеют близкие радиусы атомов (отметим, что структура этих металлов тоже одинакова - ГЦК). Данные рисунка 4 согласуется с предполагаемой закономерностью, что размер атома может влиять на связь атомов и, соответственно, на коэффициент распыления атомов металла.
На рисунке 5 отмечены металлы (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta), карбиды и нитриды которых имеют одинаковую кристаллическую решётку типа поваренной соли (отметим, что нитрид хрома имеет тоже кристаллическую решётку типа NaCl). Из рисунка 5 видно, что атомы указанных выше металлов имеют достаточно близкие размеры, что, вполне и влияет на характер укладки атомов в кристаллической структуре химического соединения.
Таким образом, приведённые выше опытные данные позволяют сделать вывод, что размер атома металла может оказывать закономерное влияние на размещение атомов в кристаллической решётке, и это, в частности, определяет некоторые физические свойства металла, что уже было отмечено нами в более ранней работе [11].
Подобные представления, по идее, согласуются с общими представлениями кристаллохимии и кристаллофизики о влиянии расположения атомов н различные свойства материалов, в частности, металлов [12-14].
Рассмотренные нами представления вполне могут быть использованы при рассмотрении общих закономерностей поведения материалов в учебных курсах, связанных с материаловедением.
Список литературы
1. Амосов, Е.А. Физическое моделирование в металловедении / Е.А. Амосов и др. -Самара: СамГТУ, 2012. - 54 с.
2. Амосов, Е.А. Простые модели некоторых процессов / Е.А. Амосов. - LAP, 2012. -63 с.
3. Лившиц, Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов / Б.Г. Лифшиц и др. - М., 1980. - 320 с.
4. Павлов, П.В. Физика твердого тела / П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов. - М., 2000. - 494
с.
5. Материаловедение / Ю.П. Солнцев и другие. - М.: Химиздат, 2020. - 784 с.
6. Фистуль, В И Химия и физика твердого тела /В.И. Фистуль. - М.: Металлургия, 1995. - 800 с
7. 7.Маейр, К. Физико-химическая кристаллография / К. Майер. - М.: Металлургия, 1972. - 480 с.
8. https://him.1sept.ru/article.php?ID=200601009
9. https://present5.com/11-eroziya-poverxnosti-pod-dejstviem-puchkov-zaryazhennyx-chastic/
10. Розин, К.М. Практическая кристаллография / К.М, Розин. - М.: МИСИС, 2005. -488 с.
11. Амосов, Е. А. Модель связи модуля упругости металла с другими его характеристиками / Е.А. Амосов // СМТТ. - 2023. - №2(47). - С.17-21.
12. Егоров-Тисменко, Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия / Ю.К. Егоров-Тисменко. - М.: МГУ, 2005. - 592 с.
13. Сергеев, Н.А. Кристаллофизика / Н.А. Сергеев, Д.С. Рябушкин. - М.: Университетская книга, 2016. - 160 с.
14. http://www.psu.ru/files/docs/science/books/uchebnie-posobiya/semenova-kristallofizika.pdf
15. Амосов, А. П. Основы материаловедения и технологии новых материалов / А. П. Амосов. — Самара: СамГТУ, ЭБС АСВ, 2016. — 203 c.
16. Энергетическая модель технологий упрочнения сплавов/ Амосов Е.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 196-199.
17. Взаимодействие расплава железа и карбосилицида титана/ Латухин Е.И., Амосов Е.А., Умеров Э.Р.// Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 6 (14). С. 54-60.
18. О взаимодействии частиц графита разного размера с расплавом титана в ходе СВС реакции/ Рыбаков А.Д., Амосов Е.А., Умеров Э.Р.// Современные материалы, техника и технологии. 2019. № 5 (26). С. 154-158.
19. Получение порошка нитрида кремния по азидной технологии СВС/ Белова Г.С., Амосов Е.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 2 (5). С. 32-36.
Amosov Evgeniy Aleksandrovich, cand.tech.sci., associate professor
(e-mail: amosov-ea@mail.ru)
Samara state technical university, Samara, Russia
THE INFLUENCE OF ATOM SIZE ON THE PROPERTIES OF METALS
Abstract. This article discusses the question of the possible influence of the size of a metal atom on the type of crystal lattice (the number of nearest neighbors of the atom), the modulus of elasticity, the density of the material.
Keywords: atom size, Young's modulus, metal density, coordination number
