Przeczytaj
Warto przeczytać
Istotną cechą budowy wewnętrznej metali jest obecność swobodnych elektronów (mających możliwość swobodnego ruchu w całej objętości materiału), wynikająca ze sposobu łączenia atomów tzw. wiązaniem metalicznym.
Właściwości metaliczne wykazuje większość pierwiastków (Rys. 2.).
Rys. 2. Ilustracja przedstawia układ okresowy pierwiastków. Większość pierwiastków zaznaczono na niebiesko, aby wskazać ich właściwości metaliczne. Pozostałe pierwiastki zaznaczono na pomarańczowo lub zielono. Należy do nich wodór (pomarańczowy kolor) znajdujący się w pierwszej kolumnie i w pierwszym okresie oraz pierwiastki znajdujące się po prawej stronie układu (również zaznaczone na pomarańczowo). Są to gazy szlachetne w ostatniej, osiemnastej kolumnie, fluor, chlor, brom i jod w siedemnastej kolumnie, tlen, siarka i selen w szesnastej kolumnie, azot i fosfor w piętnastej kolumnie oraz bar w trzynastej kolumnie.
Pierwiastkowe metale w temperaturze pokojowej (poza rtęcią) są zazwyczaj krystalicznymi ciałami stałymi. Istotną cechą kryształówkryształów jest powtarzający się okresowo układ atomów, który można odtworzyć, przesuwając w trzech nierównoległych kierunkach tzw. komórkę elementarnąkomórkę elementarną pokazującą sposób uporządkowania atomów (Rys. 3.).
Prawie wszystkie metale krystalizują w jednej z trzech typów sieci:
Układ przestrzenny atomów i komórka elementarna modelująca ten układ | Nazwa sieci krystalograficznej | Przykłady metali o danej strukturze |
---|---|---|
heksagonalna zwarta | magnez, beryl | |
regularna ściennie centrowana | wapń, miedź, złoto | |
Przykłady metali o danej strukturze | regularna przestrzennie centrowana | żelazo, chrom, wolfram |
Atomy tworząc wiązania chemiczne, czy to w cząsteczkach, czy w ciałach stałych, dążą do uzyskania ośmiu elektronów na ostatniej powłoce. Mogą to robić na kilka sposobów: pozbywając się elektronów z ostatniej powłoki, jeżeli na ostatniej powłoce jest ich niewiele (1‑3); zabierając elektrony innym atomom, jeżeli do ośmiu brakuje im niewiele (gdy mają 5‑7 na ostatniej powłoce). Mogą też uwspólniać elektrony z innymi atomami, tworząc wiązanie kowalencyjne.
Atomy metali mają od jednego do trzech elektronów na ostatniej powłoce, dlatego tworząc wiązania, chętnie się ich pozbywają. Te elektrony w metalicznym ciele stałym stają się elektronami swobodnymi i dzięki nim metale dobrze przewodzą zarówno prąd, jak i ciepło. Sieć krystaliczną w metalach tworzą dodatnie jony o wartościowości wynikającej z wartościowości chemicznej pierwiastka, utrzymywane na miejscu głównie dzięki oddziaływaniu chmury swobodnych elektronów. Dlatego w metalach zazwyczaj oddziaływania sąsiednich atomów nie są zbyt silne – można je dosyć łatwo przesuwać względem siebie. Dzięki temu typowe metale łatwo poddają się obróbce plastycznej, są kowalne i ciągliwe. Ponadto chmura swobodnych elektronów dobrze odbija promieniowanie elektromagnetyczne, nadając metalom charakterystyczny połysk. Plastyczność jest szczególnie dobrze widoczna dla metali alkalicznych (I grupa układu okresowego), które są na tyle miękkie, że można je kroić nożem.
Poza wiązaniem chmurą swobodnych elektronów, między sąsiednimi atomami może tworzyć się wiązanie kowalencyjne, które nadaje metalom wytrzymałość mechaniczną.
Teoria kwantowa właściwości elektryczne ciał stałych tłumaczy tworzeniem się pasm energetycznych i możliwością przemieszczania się nośników prądu w zależności od tego, jakiemu pasmu odpowiada ich energia.
W izolowanych atomach elektrony, w wyniku oddziaływania z jądrem atomowym i pozostałymi elektronami atomu, mają ściśle określoną energię zależną od zajmowanej powłoki elektronowej – im dalej od jądra znajduje się elektron, tym większą ma energię.
Odległość energetyczna między poziomami jest rzędu kilku – kilkunastu elektronowoltów (1 eV = 1,6 · 10Indeks górny -19-19 J – jednostka energii stosowana w fizyce atomu).
Gdy atomy zbliżają się do siebie, tworząc kryształ, na elektrony zaczynają oddziaływać wszystkie atomy, co doprowadza do rozszczepienia poziomów atomowych na szereg blisko siebie energetycznie położonych podpoziomów (odległość energetyczna podpoziomów to około 10Indeks górny -22-22 eV, a ich ilość jest rzędu liczby atomów budujących kryształ). Ze względu na niewielką odległość między podpoziomami można je traktować jako pasmo energetyczne. Można powiedzieć, że w wyniku oddziaływania wszystkich atomów, atomowe poziomy energetyczne poszerzają się w pasma energetyczne, o szerokości mierzonej energią. Szerokość pasma jest rzędu elektronowolta.
Elektrony o energiach odpowiadających najniższym pasmom są związane z konkretnym atomem. Wszystkie poziomy energetyczne w tych pasmach są obsadzone przez elektrony (Rys. 6a.). Nad tymi pasmami tworzy się też pasmo nie w pełni obsadzone – elektrony, o energii odpowiadającej temu pasmu, mogą przemieszczać się w całej objętości ciała – są elektronami swobodnymi. Pasmo tych energii nazywa się pasmem przewodnictwapasmem przewodnictwa.
W izolatorach i półprzewodnikach w niskich temperaturach (bliskich 0 K) praktycznie elektrony nie mają energii z zakresu pasma przewodnictwa. Energie wszystkich elektronów znajdują się w pasmach związanych z atomami. Między najwyższym z tych pasm (nazywanym podstawowym lub walencyjnymwalencyjnym) a pasmem przewodnictwapasmem przewodnictwa istnieje tzw. energetyczna przerwa wzbronionaenergetyczna przerwa wzbroniona, określająca minimalną energię , jaką muszą uzyskać elektrony, aby mogły „przejść” z pasma walencyjnegopasma walencyjnego do pasma przewodnictwa i stały się elektronami swobodnymi (Rys. 6b.). Wielkość tej przerwy wynosi od ułamka do kilkunastu elektronowoltów. W wyższych temperaturach część elektronów w wyniku odziaływania z atomami może uzyskać energię wystarczającą do przejść do pasma przewodnictwapasma przewodnictwa. Liczba elektronów przewodnictwa zależy zatem od temperatury i szerokości przerwy wzbronionejprzerwy wzbronionej.
W metalach pasmo przewodnictwapasmo przewodnictwa jest pasmem tworzonym przez energię elektronów z ostatniej powłoki, dlatego energie te mają elektrony w każdej temperaturze, dzięki czemu metale przewodzą prąd także w bardzo niskich temperaturach.
Słowniczek
(ang. cristal) ciało stałe, w którym cząsteczki atomy lub jony są ułożone w uporządkowany schemat powtarzający się we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych.
(ang. unit cell) podstawowy element sieci krystalicznej, przez którego przesuwanie w przestrzeni można odtworzyć cały kryształ.
(ang. conduction band) pasmo energetyczne określające zakres energii elektronów, przy której mogą przemieszczać się w całej objętości ciała.
(ang. valence band) (pasmo podstawowe) – zakres energii, jaką mają elektrony walencyjne związane z jądrem atomu.
(ang. energy gap) odległość energetyczna między pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa, określa minimalną energię, jaką muszą uzyskać elektrony związane z atomem, aby stały się elektronami swobodnymi.