Metallarni kristallik tuzilishidagi nuqsonlar. Metall va qotishmadagi diffuziya xodisasi

Metallarni kristallik tuzilishidagi nuqsonlar.
Tabiatda uchraydigan 92 elementdan 80 taga yaqini metallar hisoblanadi. Bu metallarni esa 2 guruhga bo’lish qabul qilingan. Temir va uning qotishmalari (cho’yan, po’lat)-qora metallar, qolgan barcha metallar (Be,Mg, AI,Ti,V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, W, Au, Hg, Pb va boshqalar) va ularning qotishmalari esa rangli metallar deyiladi.
Eng ko’p qora metallar ishlatiladi. Temir asosida barcha konstruktsion va asbobsozlik materiallarining 90 % ga yaqini tayyorlanadi.
Rangli metallar esa o’zlarining fizikaviy-ximiyaviy xossalariga ko’ra quyidagilarga bo’linadi:
-yengil metallar (Be,Mg,AI va boshqalar), zichligi 3 T/m³ dan kichik bo’lgan metallar;
-og’ir metallar (Si.va boshq.), zichligi 7,9 T/m³ dan yuqori bo’lgan metallar;
-oson eriydigan metallar (Zn,Sd,Sn,Sb,Hg,Pb,Bi);
-qiyin eriydigan metallar (Ti,Cr,Zr,Nb,Mo,W,V va boshqa), suyuqlanish temperaturalari temir (1539⁰ C) dan yuqori bo’lgan metallar;
-asl metallar (Ph,Pd,Ag,Os,Pt,Au) ximiyaviy jihatdan inert bo’lgan metallar;
-radioaktiv (uranli) metallar (U,Th,Pa va boshq), asosan atom texnikasida ishlatiladigan aktinoidlar guruhidagi metallar;
-nodir metallar, yer yuzida kam uchraydigan metallar (EKM), Se,Pr,Nd,Sm, ya‘ni lantanoidlar guruhidagi metallar va shunga o’xshash itriy va skandiy;
-ishqoriy-yer metallari (Li,Na,K), bular asosan atom reaktorlarida «teplonositel»-«issiqlik tashuvchi» sifatida ishlatiladi.
Metallar va ularning qotishmalari qattiq, qisman suyuq holatida ham qator xarakterli xossalariga ega hisoblanadi, ya‘ni:
-yuqori issiqlik va elektr o’tkazuvchanlikka;
-yuqori temperaturalarda toza metallarning elektr qarshiligi ortadi. Ko’pgina metallar (30 ga yaqin) yuqori o’tkazuvchanlik xossasiga ega, bu metallarda, absolyut nolga yaqin temperaturada elektr qarshiligi keskin tushib ketib, nolga teng bo’lib qoladi.
-termoelektron emissiya, bu metallarning qizdirilganda elektronlar chiqarish qobiliyati;
-yaxshi qaytaruvchanlik qobiliyati, bu metallarning shaffof emasligi va yaltiroqligi;
-plastik deformatsiyalanish xususiyati, bu metallarning bolg’alanish mumkinligidir.
Ana shu xossalarning mavjudligi moddalarning metall holati bilan xarakterlanadi.
Metall va qotishmalarda sodir bo’ladigan ko’pgina jarayonlar (kristallanish, fazaviy o’zgarishlar, rekristallizatsiya, sirtini boshqa komponentlar bilan to’yintirish jarayonlari) diffuziya xarakteriga ega.
Moddaning biror muhitda kontsentratsiyasi kamayish yo’nalishida tarqalishi diffuziya deyiladi. Diffuziya deyilganda kristall jismdagi atomning atomlar orasidagi o’rtacha masofadan katta masofalarga siljishi tushuniladi. Agar atomlarning siljishi ayrim hajmlarda kontsentratsiyaning o’zgarishi bilan bog’liq bo’lmasa, u holda bunday jarayonlar o’z-o’zini diffuziyalash deb ataladi. Kristallardagi diffuziya jarayonlari asosida atom mexanizmi bo’lib ana shu tufayli har bir atom panjaraning turli muvozanat vaziyatlari orasida daydib yuradi.
Shunday qilib, diffuziyaning istalgan atom nazariyasi diffuziya mexanizmini ko’rib chiqishdan boshlanadi. Eng avvalo, ma‘lum atom qanday qilib bir pozitsiyadan boshqasiga o’tadi?- degan savolga javob berish lozim.
Qattiq kristall jism (metall) da diffuziya jarayonini bayon qilish uchun davriy, almashuvchan, vakansiya va uzellar aro kabi mumkin bo’lgan diffuziya mexanizmi mavjud bu yerda dm-diffuziya paytida dt vaqtda x o’qi bo’ylab, shu o’qqa perpendikulyar joylashgan S yuza orqali o’tgan element massasi, dc/dx- kontsentratsiya gradienti, D-diffuziya koeffitsienti, «-»-diffuziya kontsentratsiyasi katta bo’lgan hajmdan kontsentratsiyasi kichik bo’lgan hajmga qarab yo’nalishini bildiradi.
Agar kontsentratsiya gradienti dt vaqt ichida o’zgarsa, u holda diffuziya Fikning ikkinchi qonuniga bo’ysunadi. Bu qonunni chiqarishda, biz diffuziya koeffitsenti kontsentratsiyaga bog’liq emas, u faqat o’z-o’zini diffuziyalash uchun o’rinli deb hisobladik, shuning uchun bu tenglama diffuziyaning ma‘lum chegara shartlari asosida yechiladi.
Diffuziyaning birinchi va ikkinchi qonunlari o’tgan asrning o’rtalarida shveytsariyalik fizik A.Fik tomonidan o’rnatilgan. Faraz qilaylik, diffuziyalanadigan moddaning kontsentratsiyasi X1 nuqtada S1, X2 nuqtada S2 bo’lib, S2>S1 bo’lsin. Fik qonunidan shu narsa aniqki, moddaning diffuziya oqimi X2 nuqtadan X1 nuqtaga yo’nalgan bo’lib, uning kattaligi kontsentratsiyaning keskin darajada o’zgarishiga to’g’ri proportsional va u ga tengdir.
Odatda, moddaning migratsiyasi uning oqim zichligi bilan xarakterlanadi va j bilan belgilanadi hamda ma‘lum vaqt davomida berilgan ko’ndalang kesim yuzasidan o’tgan modda miqdori ana shunday nomlanadi. Oqim zichligi ma‘lum bo’lsa, diffuziyalanadigan modda miqdorini aniqlash uncha qiyinchilik tug’dirmaydi Metallarning issiqlik va elektrni yaxshi o’tkazishi – zaryadlangan zarrachalar metall kristallari orasida oson harakatlanishi hakida ma’lumot beradi. Nihoyat, metallarning elektr musbat elementlar jumlasiga kirishi – valent elektronlarning metall atomidan osongina chiqib ketishini ko’rsatadi. Bu 5 xususiyat oddiy moddalarni “metall” yoki “metalmasligi” sinfiga ajratish uchun asos bo’la oladi. Metallarning fizik xossalari. Metallarning zichligiga ko’ra shartli ravishda 2 guruhga bo’linadi:d<5 g/sm³ gacha bo’lgani yengil metallar: eng yengil metall – Li (d= 0,53 g/sm³);d> 5g/sm³ dan yuqori bo’lgani og’ir metallar: eng og’ir metall – Os (d = 22,61 g/sm³). Yengil metallar oson suyuqlanadi, masalan seziyning suyuqlanish harorati
28,5°C. Og’ir metallar esa qiyin suyuqlanadi, masalan, volframning suyuqlanish harorati 3395°C.
Metallar qattiqligi jihatidan bir biridan farq qiladi: volfram juda qattiq, natriy, kaliy juda yumshoq, ularni hatto pichoq bilan ham kesish mumkin.
Simobdan (va qisman seziydan) tashqari barcha metallar odatdagi sharoitda o’ziga xos yaltiroq qattiq moddalardir. Metallarning fizik xossalari jumlasiga ularning optik, termik, mexaniq, elektr va boshqa xossalari kiradi. Metallarning optik xossalari ularning yaltiroqligi va shaffof emasligidir.
Kumush, palladiy va indiyning yaltiroqligi yuqori. Shuninguchun ham kumush va palladiy kuzgu ishlab chiqarishda ishlatiladi. Ko’pmetallar to’q kulrang bilankumush rang orasidagi tusga ega, ya’ni kumushrang-oq (alyuminiy, kumush, nikel) yoki kumushrang-kulrang (temir, qo’rg’oshish). Faqat oltin sariq rangli, misqizil rangli, vismut qizgishbo’ladi.
Metall bug’lari alangani ma’lum tusga bo’yaydi, masalan, natriy – sariq, kaliy – binafsha, stronsiy – qizil, kalsiy qovoqrangga bo’yaydi.
Shunday qilib, metallar rangiga ko’ra shartli ravishda qora va ranglimetallarga bo’linadi. Qora metallarga temir va uning qotishmalari kiradi. Qolgan barcha metallar rangli metallar deyiladi. Metallarning elektr o’tkazuvchanliga qarab 2 guruhga bo’linadi:

1. 
   Elektron o’tkazgichlar (metall va yarim o’tkazgichlar)
   
2. 
   Ion o’tkazgichlar (elektrolitlar)
   

Metallar yarim o’tkazgichlar orqali elektr toki o’tganda hech qanday kimyoviy o’zgarishi sodir bo’lmaydi.

Elektrolitlar orqali elektr toki o’tganda, albatta, kimyoviy o’zgarish sodir bo’ladi. Metallarning elektr o’tkazuvchanligi harorat pasayishi bilan ortadi, nihoyat, absolyut nolga yaqin haroratda metallarning elektr o’tkazuvchanligi cheksiz katta qiymatga erishadi – metallar o’ta o’tkazuvchan bo’ladi. Hamma metallar elektrni bir xilda o’tkazavermaydi. Shunga asoslanib, metallarni elektr o’tkazuvchanligiga ko’ra quyidagi qatorga joylashgirish mumkin: Ag, Cu, Au, Cr, Al, Mg, Na, Jr, W, Li, Fe, Hg, Vi
Metallardagi turli qo’shimchalar ham elektronlarning harakatiga tuskinlik qiladi va metalda qushimchalar ko’paygan sari, bu metalning elektr o’tkazuvchanligi pasayadi. SHuning uchun metall begona moddalar qo’shimchasidan tozalanganda uning elektr o’tkazuzchanligi ortadi.
Metallarning issiqlik o’tkazuvchanligi ularning elektr o’tkazuvchanligi bilan mos ravishda o’zgaradi. Videman-Frans qonuniga muvofiq metallarda issiqlik o’tkazuvchanli-giga nisbatan doimiy kattalik bo’lib, metall tabiatiga ham bog’lik. Metallarni issiqliq o’tkazuvchanligi jihatidan quyidagi qatorga joylashtirish mumkin:
g, Cu, Au, Zn, Ni, Fe, Pt, Hg
Metallar orqali issiqliq o’tishda ham elektronlar ishtirok etadi. Ular kristall panjara ichida
harakatlanib, issiklik energiyasini metallning issik qismidan sovuq qismiga o’tkazadi.
Metallarning issiklik va elektrni yaxshi utkazishi - zaryadlangan zarrachalar metallning kristallari orasida oson xarakatlanishi xakida ma'lumot beradi. Nixoyat, metallarning elektromusbat elementlar jumlasiga kirishi-valent elektronlarning metall atomidan osongina chikib keta olishini kursatadi. Lekin bu (metallar) xususiyatlarining xech kaysisi oddiy moddalarning "metall" yoki "metallmaslari" sinfiga ajratish uchun asos bula olmaydi. Oddiy moddalarni «metall» yoki «metallmaslarga» ajratish uchun kimeviy boglanishlar tipini asos qilib olish, kup masalalarni izox qilib olishda juda tugri xulosalarga olib keladi. Demak, zarrachalar orasida metall boglanishli oddiy moddalarni metallar jumlasiga,kovalent boglanishli oddiy moddalarni esa metallmaslar jumlasiga kiritish kerak.

Oddiy moddalarni bunday 2 turkumga ajratish bir tomondan mutlak va ikkinchi tomondan nisbiy xarakterga ega. Ayni sharoitda oddiy moddalarni metall va metallmaslarga ajrata olamiz,lekin ba'zi oddiy moddalarning "metallar" turkumiga kiritilishi tashki sharoitning uzgarishiga boglik buladi.Masalan,surma "metallmaslar" turkumiga kiritiladi, lekin surmaning elektr utkazuvchanligi xarorat ortishi bilan kamayadi. Buni etiborga olganimizda surmani "metallar" turkumiga kiritishga tugri keladi. Kalay 13,2^oS dan yukorida metall, lekin xarorat pasayib -40 ^oS ga yetganda ok kalay "kulrang kalay"ga aylanadi. Kulrang kalayning kristall katagi xuddi olmos, kremniy va germaniylarning kristall katagi singaridir. Kulrang kalayda atomlar uzaro kovalent boglanishlar xosil qiladi; u yarim utkazuvchanlik xossalariga ega; uning elektr utkazuvchanligi, xuddi metallmaslarniki kabi, xarorat pasayishi bilan kamayadi.

Ximiyaviy boglanishlar tipiga kura oddiy moddalar "metall" va "metallmaslar" ga ajratish yarim utkazgichlarning xossalarini tugri izoxlashga imkon beradi. Masalan, odatdagi sharoitda bor, kremniy, uglerod, germaniy, selen, tellur kabi metallmaslarda atomlar bir-biri bilan kovalent boglangan, lekin bu moddalar kizdirilganda (yeki elektr tasirida) atomlararo kovalent boglanishlar yemirilib, orada erkin elektronlar paydo bula bula boshlaydi. Shuning uchun bu elementlar yarim utkazuvchilar jumlasiga kiradi.

1900 yilda Drude taklif etgan "elektron gaz" nazariyasiga muvofik, metall musbat earyadli ionlar va ular orasidagi tartibsiz xarakat qiluvchi erkin elektronlardan iborat,bu elektronlar gaz molekulalari buysungan konunlarga buysunadi. Odatdagi xaroratda elektronlar metallar sirtidan chikib keta olmaydi, chunki metallda erkin elektronlarni musbat zaryadli ionlar katta kuch bilan tortib turadi. Metallga tashkaridan elektr maydoni berilganda, elektronlar tartibsiz xarakatini yukotib malum yunalishda yugura boshlaydi. Elektronlarning bu xarakatiga musbat ionlar tuskinlik qiladi. Xarorat kutarilishi bilan ionlarning tebranish xarakati kuchayib tebranish amplitudalari kattalashadi. Shunda ionlarning elektronlar bilan tuknashish extimolligi ortadi. Binobarin, elektronlarning malum yunalish sari xarakati kiyinlashadi. Boshkacha aytganda, metallning elektr utkazuvchanligi xarorat ortganda kamayadi.

Metallarning tuzilishi xakida zonalar nazariyasi xam metallarda erkin elektronlar borligini etirof etadi. Bu nazariya asosida kuyidagi muloxazalar bor: Metallning kristall panjarasidagi musbat ionlar bir-biridan bir xil uzoklikda va malum tartib bilan joylashgani uchun bu ionlar bir xil elektr maydon xosil qiladi. Doimo xarakatda bulgan erkin elektronlar musbat zaryadli ionlarga yakinlashganida elektronlarning potensial energiyasi minimal kiymatga ega buladi.

Metallardan "asl" metallar oltin, platina, kumush, (bazan mis, kalay, simob) tabiatda erkin, yani tugma xolatda uchraydi

Metallarning asosiy massasi Yer kobigida birikmalar xolida uchraydi. Sof metallarning sanoat mikesida xosil qilish uchun yarokli tabiiy xom ashe metall rudasi nomi bilan yuritiladi.

Rudalar kupincha toza bulmaydi, ularga bekorchi jinslar-kum, loy, oxaktosh va boshkalar aralashgan buladi. Xar kanday ruda ishga tushirilishdan avval bekorchi jinslardan tozalanishi, boshkacha aytganda "boyitilishi" lozim. Bazan rudalarning boyitilgan shakli "konsentrat" deb ataladi. Rudalar turli usullar bilan boyitiladi. Kupchilik rudalar flotasion usulda boyitiladi.

Metall rudalarining birinchi turkumi oksidli rudalardir. Bunga temir rudalaridan-kizil temirtosh Fe₃O₂, kungir temirtosh Fe₂O₃3H₂O va magnitli temirtosh Fe₃O₂, alyuminiy rudasi-boksit Al₂O₃2H₂O, marganes rudasi- pirolyuzit MnO₂, kalay rudasi SnO₂, vismut oxrasi Bi₂O₃ va boshkalar misol bula oladi.

Juda kup metallar tabiatda sulfidlar xolida uchraydi. Bunday rudalar Yer pustlogining chukurrok kismiga joylashgan bulib, ularga suv, karbonat angidrid, xavo kislorodi tasir etmagan (shuning uchun ular birlamchi tog jinslari deb yuritiladi). Misol uchun mis kolchedani (CuSFe₂S₃), mis yaltirogi (Cu₂S), kinovar (HgS), kurgoshin yaltirogi (PbS), rux aldamasi (ZnS) va boshkalarni kursatish mumkin. Bazan bir necha metallarning sulfidlari aralash xolda uchrab, polimetall rudani tashqil qiladi.

Rudalardan metallar ajratib olishning bir necha usuli mavjud. Bu usullar kaytarilish, termik parchalanish va almashinish prosesslariga asoslangan. Texnikada bu prosesslar metallurgiyaning turli kurinishlarida (pirometallurgiya, gidrometallurgiya, elektrometallurgiyada) amalga oshiriladi.