Строение атома и химические связи
Почему металлы прочные, проводимые и деформируемые — основа всего
AI generated Металлы ведут себя так, как ведут, потому что их атомы соединены определённым образом: металлическая связь делает их проводимыми, деформируемыми и блестящими. Кто понимает строение атома, понимает, почему работает легирование, почему сталь становится твёрже и почему появляется ржавчина. Это самый нижний слой материаловедения.
Всё, что ты знаешь о металлах — их прочность, их проводимость, их деформируемость — следует из строения их атомов. Поэтому материаловедение начинается на уровень глубже, чем кажется.
Атом состоит из ядра (протоны + нейтроны) и оболочки из электронов. Электроны сидят на оболочках, и самая внешняя оболочка — валентные электроны — определяет химическое поведение. У металлов мало слабо связанных валентных электронов. Именно в этом их секрет.
В металле атомы отдают свои валентные электроны в общий котёл: «электронный газ», который свободно бродит по решётке. Положительно заряженные атомные остовы плавают в этом озере из отрицательных электронов. Это металлическая связь. Она объясняет почти всё:
• Проводимость: Свободные электроны переносят ток и тепло. Поэтому медь проводит лучше стали, а сталь лучше керамики.
• Деформируемость: Когда металл гнут, атомные остовы скользят друг относительно друга — электронное облако всё равно держит их вместе. Поэтому металл можно ковать, прокатывать и гнуть, не ломая.
• Блеск: Свободные электроны отражают свет.
Кроме металлической связи есть ионная связь (электроны полностью передаются, например, поваренная соль) и ковалентная связь (электроны делятся, например, в алмазе). Обе важны для керамики и пластмасс — и объясняют, почему они хрупкие: они не могут деформироваться как металлы, не ломаясь.
Для решающее значение имеет третье: . Если ты поместишь чужеродный атом в металлическую решётку, есть два варианта. Либо чужеродный атом похож по размеру и заменяет атом хозяина — (например, в железе). Либо он достаточно мал, чтобы проскользнуть в пустоты — (например, в железе).
Именно эти внедрённые атомы углерода — причина, по которой сталь вообще может закаляться: они напрягают решётку. Подробнее об этом в статье о и образовании .