Полиморфизм металлов: суть, определение, примеры

Когда один элемент может существовать в виде нескольких простых веществ с разными свойствами и характеристиками, это называется аллотропией, или полиморфизмом. У металлов такая способность тоже имеется. Некоторые из них могут изменять свою структуру и качества под действием определенных факторов, что порой очень полезно в промышленности и других сферах. О том, какие металлы обладают полиморфизмом и как это проявляется, мы и расскажем.

Разные формы одного

Аллотропия – это явление, при котором один химический элемент может образовывать несколько разновидностей простых веществ. Они могут существенно отличаться друг от друга по своим физическим и химическим свойствам, но при этом состоять они будут из атомов одно и того же вида. Например, графит и алмаз совершенно не похожи: они имеют разный цвет, твердость, структуру, но оба состоят из атомов углерода.

Такие варианты называются аллотропными модификациями, а появляются они благодаря различному порядку расположения частиц в кристаллических решетках или различному строению молекул. Так, молекула из двух атомов оксигена (О₂) образует простое вещество кислород, но если атомов оксигена в ней будет три (О₃), то возникнет вещество озон.

Понятие «аллотропия» в научную терминологию ввел Йенс Якоб Берцелиус в 1841 году, после того как обнаружил, что винная и виноградная кислоты имеют одинаковый состав, но отличаются свойствами. Сегодня известно больше 400 модификаций, среди которых есть как неметаллы, так и металлы. Термин «аллотропия» применяют ко всем простым веществам, не привязываясь к их агрегатному состоянию. В отношении твердых веществ, причем как простых, так и сложных, употребляется термин «полиморфизм».

Явление полиморфизма металлов

Аллотропия – это распространенное явление, но характерно оно далеко не для всех элементов. Способность образовывать модификации зависит от внутреннего строения самого атома, и присуща тем элементам, которые изменяют свою валентность под действием внешних условий.

У металлов полиморфизм проявляется преимущественно под воздействием температур. Если нагреть вещество до определенного значения, ионы и атомы в его кристаллической решетке начнут перестраиваться, изменяя свое положение относительно друг друга. В итоге вещество приобретет иные свойства и перейдет в другую модификацию.

Каждая новая форма обозначается строчной буквой греческого алфавита, которая через дефис присоединяется к названию элемента. Чем ниже температура, при которой образуется модификация, тем раньше в алфавите стоит буква.

Полиморфизм металлов нашел широкое применение в промышленности. Нередко это свойство веществ используется для создания прочных сплавов. К аллотропии склоны около 30 металлов. Температурная аллотропия характерна для олова, железа, урана, бериллия, титана, кобальта. Цинк, сурьма, цезий, ртуть, галлий, литий и кадмий переходят в другие формы под действием давления.

Железо

Fe, или железо, – один из самых распространенных элементов в земной коре. В таблице Менделеева он стоит под 26-м номером. В качестве простого вещества железо является светлым пластичным металлом с сильными магнитными свойствами. Оно часто применяется в различных сферах жизни, но в большинстве случаев используется в виде сплавов с углеродом, хромом, никелем, марганцем и другими металлами.

Полиморфизм железа проявляется в четырех формах:

• Феррит (α-Fe) - до температуры в 769 °C. Обладает объемноцентрированной кубической решеткой и ферромагнетическими свойствами.
• β-Fe – выше 769 °C. Обладает ведет себя как парамагнетик и отличается от феррита только некоторыми параметрами кубической решетки. Не всегда выделяется в отдельную модификацию и рассматривается как α-Fe.
• Аустенит (γ-Fe) – выше 917 °C. Имеет гранецентрированную кубическую решетку, хуже феррита проводит ток и тепло, ведет себя как парамагнетик.
• δ-Fe – выше1394 °C. Объемноцетрированная кубическая решетка.

Олово

В периодической таблице олово, или Sn, стоит под номером 50. Это легкий, блестящий, серебристо-белый металл, который хорошо поддается плавлению и ковке. Полиморфизм металла также проявляется при разных температурных режимах:

• Серое олово (α-Sn) – ниже 13,2 °С. Кубическая решетка алмазного типа, вещество существует в виде серого порошка, проявляет себя как узкозонный полупроводник.
• Белое олово(β-Sn) – выше 13,2 °С. Привычная форма олова единственная из всех модификаций имеет практическое применение и используется в промышленности. Обладает тетрагональной решеткой, при сгибании издает характерный хруст. При охлаждении превращается в α-Sn, теряя плотность и рассыпаясь. Этот процесс был назван «оловянной чумой».
• (γ-Sn) – выше 161 °С. Имеет ромбическую решетку, характеризуется повышенной хрупкостью и плотностью.