Kryształy metaliczne zbudowane są z kationów metali, a elektronyelektronelektrony powłoki walencyjnej tworzą tzw. gaz elektronowygaz elektronowygaz elektronowy (elektrony te są nazywane także elektronami swobodnymi). Strukturę krystaliczną metali można porównać do boi unoszących się na morzu, symbolizujących kationykationkationy metali, natomiast woda między nimi tworzy gaz elektronowy, w którym elektrony mogą się swobodnie przemieszczać. Dzięki tej właściwości metale są dobrymi przewodnikamiprzewodnik elektrycznyprzewodnikami prądu elektrycznego.
RJn5inYd5Fx6v
Na ilustracji znajdują się kulki z plusami otaczające mniejsze kulki z minusami. Tworzą kształt koła.
Sieć krystaliczna metalu z elektronami zdolnymi do przemieszczania się
Źródło: GroMar Sp.z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
W sieci krystalicznej metali możemy przyjąć, że jony mają kształt kuli. Kule te tworzą strukturę najgęstszego ułożenia atomów, tzw. strukturę zwartą. Są one umieszczone w węzłach sieci, co obrazowo można porównać do ułożenia owoców na półkach w sklepie. Kationy metali ułożone są tak, aby pozostało między nimi jak najmniej „pustego” miejsca, zaś zdelokalizowane elektronydelokalizacja elektronówzdelokalizowane elektrony mogą poruszać się w obrębie całego kryształu.
RbGPWZVYGGiYa
Zdjęcie przedstawia mały sklep z owocami. Owoce znajdują się w koszach albo na specjalnych półkach. W tle jest lada i sprzedawca.
Jony w sieci kryształów metalicznych ułożone są jak owoce na wystawie – tak, aby zajmowały jak najmniej miejsca.
Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.
bg‑azure
Jakie wyróżniamy typy struktur zwartych?
Struktury heksagonalne zwarte - hcp
Struktury heksagonalne zwarte - hcp
Ułożenie jonów metalu, w strukturze heksagonalnie zwartej, składa się z nieograniczonej liczby powtarzających się dwóch warstw: 1 i 2 (pierwszej i drugiej). Liczba koordynacyjnaliczba koordynacyjnaLiczba koordynacyjna w strukturach hcp każdego jonu wynosi 12. Każdy z jonów (kulka znajdująca się w środku bryły) posiada sześciu sąsiadów w wierzchołkach sześciokąta (płaszczyzna pozioma przechodząca przez środek poniższej bryły) i po trzech sąsiadów w warstwie wyższej i niższej (płaszczyzny wyznaczające wierzchołek i spód bryły).
RCpvqFUlQ8Afl
Ilustracja przedstawia fioletową bryłę geometryczną. Przez środek bryły przechodzi płaszczyzna pozioma, która jest sześciokątem. W jej wierzchołkach są małe kulki. Spód i wierzch bryły stanowią trójkąty. W ich wierzchołkach są małe kulki. Dolna i górna część bryły są identyczne. Mają między innymi po jednej ścianie kwadratowej. W środku bryły jest duża kulka.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Jak wynika z rysunku poniżej jony drugiej warstwy zajmują położenie nad lukami warstwy pierwszej. Możemy zapisać taki układ schematycznie: 1‑2-1‑2-1‑2... Takiego typu struktury nazywa się także strukturami typu ABABAB.
ReCsYaIStfARd
Na ilustracji są trzy cienkie, prostokątne warstwy jedna nad drugą. Warstwy zewnętrzne mają kolor zielony, warstwa środkowa jest czerwona. Kolorowe powierzchnie ponumerowano od dołu do góry od 1 do 3. Na każdej warstwie w poprzek znajdują się trzy równoległe do siebie rzędy par fioletowych kulek. To jony. Jony drugiej warstwy zajmują położenie nad lukami warstwy pierwszej.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Metalem krystalizującym w tym układzie jest magnez w typie komórki elementarnejkomórka elementarnakomórki elementarnej P.
Struktury regularnie zwarte – fcc
Struktury regularnie zwarte – fcc
Struktury kryształów regularnie zwartych zbudowane są z trzech warstw atomów: 1, 2 i 3 (pierwszej, drugiej i trzeciej). Liczba koordynacyjnaliczba koordynacyjnaLiczba koordynacyjna w strukturach fcc każdego jonu wynosi 12. Każdy z jonów (kulka znajdująca się w środku bryły) posiada sześciu sąsiadów w wierzchołkach sześciokąta (płaszczyzna pozioma przechodząca przez środek poniższej bryły) i po trzech sąsiadów w warstwie wyższej i niższej (płaszczyzny wyznaczające wierzchołek i spód bryły).
R1EIU0HgU7W2H
Ilustracja przedstawia żółtą bryłę geometryczną. Przez środek bryły przechodzi płaszczyzna pozioma, która jest sześciokątem. W jej wierzchołkach są małe kulki. Spód i wierzch bryły stanowią trójkąty. W ich wierzchołkach są małe kulki. Dolna i górna część bryły nie są identyczne, choć podobne - na dole jedną ze ścian jest kwadrat, u góry też, z tym że z tyłu były. W środku bryły jest duża kulka.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Przykładem takiego typu struktury jest złoto, które krystalizuje w typie komórki elementarnej Fkomórka typu Fkomórki elementarnej F, gdzie na środkach ścian i w narożach znajdują się kationykationkationy złota.
Jony złota drugiej warstwy znajdują się w lukach pomiędzy atomami warstwy pierwszej, a atomy warstwy trzeciej znajdują się w lukach między atomami warstwy drugiej. Dopiero warstwa czwarta nakłada się z warstwą pierwszą. Tego typu struktury nazywane są również strukturami typu ABCABC.
RnhygpAIetfTh
Na ilustracji są cztery cienkie, prostokątne warstwy jedna nad drugą. Warstwy zewnętrzne mają kolor zielony, warstwa druga od dołu jest czerwona, a kolejna jasnozielona. Kolorowe powierzchnie ponumerowano od dołu do góry od 1 do 4. Na każdej warstwie w poprzek prostokąta znajdują się równoległe do siebie rzędy szarych kulek. To jony. Jony drugiej warstwy znajdują się w lukach pomiędzy atomami warstwy pierwszej, a atomy warstwy trzeciej znajdują się w lukach między atomami warstwy drugiej. Warstwa czwarta nakłada się z warstwą pierwszą.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Struktury regularne przestrzennie centrowane – bcc
Struktury regularne przestrzennie centrowane – bcc
W strukturach typu regularnie przestrzennie centrowanych, liczba koordynacyjna jonu metalu wynosi 8. Przykładem struktury typu bcc jest metaliczny sód. Komórka elementarna sodu to komórka typu Ikomórka typu Ikomórka typu I. W środku komórki znajduje się jeden kation sodu oddziałujący z ośmioma jonami sodu, znajdującymi się na krawędziach sześcianu. W sieci przestrzennej sodu możemy także zauważyć dwie płaszczyzny, tworzy on zatem strukturę typu ABABAB.
R1LgrU5Anzsyj
Na ilustracji jest sześcian. W wierzchołkach sześcianu są niebieskie kulki - jest ich w sumie osiem. W środku sześcianu jest jedna niebieska kulka.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Wielościan koordynacyjny jonu sodu – dwunastościan rombowy, jego sześć jonów sodu, znajdujących się na środku sześcianu, jest oddalone od kationu centralnego o około 15%. Ta odległość skutkuje tym, że jony nie są uwzględniane w strefie koordynacyjnej, ponieważ nie jest możliwe umieszczenie w środku komórki jonu o takim samym promieniu, jeżeli osiem sąsiadujących atomów nie oddali się od siebie. Atomy te „stykają się” ze sobą wzdłuż przekątnej sześcianu. Struktury typu bbc nie są strukturami najgęstszego upakowaniastruktura najgęstszego ułożenia atomówstrukturami najgęstszego upakowania.
R1clANvfeaRsO
Na ilustracji są trzy cienkie, prostokątne warstwy jedna nad drugą. Warstwy zewnętrzne mają kolor zielony, warstwa środkowa jest czerwona. Kolorowe powierzchnie ponumerowano od dołu do góry od 1 do 3. Na każdej warstwie po przekątnej prostokąta znajdują się równoległe do siebie rzędy fioletowych kulek.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RrI7qaNESHoCi
Na ilustracji znajduje się szara skała. Ma kształt prostokąta. To przykład HCP. Model kulkowy tworzy romb. W jego środku są trzy niebieskie kulki i jedna położona centralnie, które razem tworzą trójkąt. Środkowa kulkę oznaczono literą A, trzy pozostałe literą B. Przylegającą do trójkąta kulkę również oznaczono literą A. Wokół trójkąta zakreślono sześciokąt.
Na ilustracji znajduje się szara skała. Ma kształt prostokąta. To przykład HCP. Model kulkowy tworzy romb. W jego środku są trzy niebieskie kulki i jedna położona centralnie, które razem tworzą trójkąt. Środkowa kulkę oznaczono literą A, trzy pozostałe literą B. Przylegającą do trójkąta kulkę również oznaczono literą A. Wokół trójkąta zakreślono sześciokąt.
Beryl
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.
R766UHJwfDQtb
Na ilustracji znajdują się dwa kawałki minerału o nieregularnym wydłużonym kształcie. Mają szary kolor. To przykład HCP. Model kulkowy tworzy romb. W jego środku są trzy niebieskie kulki i jedna położona centralnie, które razem tworzą trójkąt. Środkowa kulkę oznaczono literą A, trzy pozostałe literą B. Przylegającą do trójkąta kulkę również oznaczono literą A. Wokół trójkąta zakreślono sześciokąt.
Na ilustracji znajdują się dwa kawałki minerału o nieregularnym wydłużonym kształcie. Mają szary kolor. To przykład HCP. Model kulkowy tworzy romb. W jego środku są trzy niebieskie kulki i jedna położona centralnie, które razem tworzą trójkąt. Środkowa kulkę oznaczono literą A, trzy pozostałe literą B. Przylegającą do trójkąta kulkę również oznaczono literą A. Wokół trójkąta zakreślono sześciokąt.
Cynk
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.
R13DLp8yi4kh1
Na ilustracji jest zdjęcie mikroskopowe. W kole znajduje się mozaika połączonych ze sobą ciemnych i jasnych wieloboków. To przykład BCC. Model kulkowy tworzy romb. Nieco po prawej stronie jest sześć niebieskich kulek z jedną położoną centralnie innego koloru. Kulki tworzą odwrócony trójkąt. Środkowa kulkę oznaczono literą A, sześć pozostałych literą B. Przylegającą do trójkąta kulkę również oznaczono literą A. Wokół trójkąta zakreślono sześciokąt.
Na ilustracji jest zdjęcie mikroskopowe. W kole znajduje się mozaika połączonych ze sobą ciemnych i jasnych wieloboków. To przykład BCC. Model kulkowy tworzy romb. Nieco po prawej stronie jest sześć niebieskich kulek z jedną położoną centralnie innego koloru. Kulki tworzą odwrócony trójkąt. Środkowa kulkę oznaczono literą A, sześć pozostałych literą B. Przylegającą do trójkąta kulkę również oznaczono literą A. Wokół trójkąta zakreślono sześciokąt.
Wanad
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.
R1eX8pqPbNIlL
Na ilustracji znajduje się kawałek metalu o bardzo nieregularnych kształtach. Są w nim otwory na wylot. Ma pomarańczowa barwę. To przykład FCC. Model kulkowy tworzy romb. Nieco po prawej stronie jest sześć niebieskich kulek z jedną położoną centralnie innego koloru. Kulki tworzą odwrócony trójkąt. Środkowa kulkę oznaczono literą A, sześć pozostałych literą B. Kulka, która przylega do środkowej kulki tworzącej ścianę trójkąta oznaczona jest również literą A. Wokół trójkąta zakreślono sześciokąt.
Na ilustracji znajduje się kawałek metalu o bardzo nieregularnych kształtach. Są w nim otwory na wylot. Ma pomarańczowa barwę. To przykład FCC. Model kulkowy tworzy romb. Nieco po prawej stronie jest sześć niebieskich kulek z jedną położoną centralnie innego koloru. Kulki tworzą odwrócony trójkąt. Środkowa kulkę oznaczono literą A, sześć pozostałych literą B. Kulka, która przylega do środkowej kulki tworzącej ścianę trójkąta oznaczona jest również literą A. Wokół trójkąta zakreślono sześciokąt.
Miedź
Źródło: Jonathan Zander, GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RR6PN4jHqBx2n
Na ilustracji znajduje się metal o nieregularnym kształcie. Tworzą go liczne schodki, ostre brzegi. To przykład FCC. Model kulkowy tworzy romb. Nieco po prawej stronie jest sześć niebieskich kulek z jedną położoną centralnie innego koloru. Kulki tworzą odwrócony trójkąt. Środkową kulkę oznaczono literą A, sześć pozostałych literą B. Kulka, która przylega do środkowej kulki tworzącej ścianę trójkąta oznaczona jest również literą A. Wokół trójkąta zakreślono sześciokąt.
Na ilustracji znajduje się metal o nieregularnym kształcie. Tworzą go liczne schodki, ostre brzegi. To przykład FCC. Model kulkowy tworzy romb. Nieco po prawej stronie jest sześć niebieskich kulek z jedną położoną centralnie innego koloru. Kulki tworzą odwrócony trójkąt. Środkową kulkę oznaczono literą A, sześć pozostałych literą B. Kulka, która przylega do środkowej kulki tworzącej ścianę trójkąta oznaczona jest również literą A. Wokół trójkąta zakreślono sześciokąt.
Srebro
Źródło: Alchemist-hp , GroMar Sp. z o.o., dostępny w internecie: www.pse-mendelejew.de, licencja: CC BY-SA 3.0.
Słownik
elektron
elektron
(gr. ḗlektron „bursztyn”) cząstka elementarna o ładunku ujemnym; znajduje się w chmurze elektronowej, otaczającej jądro atomu lub w stanie wolnym
gaz elektronowy
gaz elektronowy
model stosowany w opisie metali i opisuje zbiór elektronów walencyjnych, poruszających się między kationami metali
delokalizacja elektronów
delokalizacja elektronów
stan, w którym elektron bierze udział w tworzeniu więcej niż jednego wiązania chemicznego
kation
kation
(gr. kation „idący w dół”) jon o dodatnim ładunku elektrycznym
komórka elementarna
komórka elementarna
równoległościan, stanowiący podstawowy, powtarzający się w przestrzeni element; kształt i rozmiary komórki elementarnej określają stałe sieciowe: długości krawędzi: a, b, c, i kąty: αalfa, βbeta, γgamma między nimi
komórka typu I
komórka typu I
typ komórki elementarnej, w której indywidua chemiczne znajdują się w narożach sześcianu i w jego środku
RpiyGTuCGZsN7
Na ilustracji znajduje się sześcian o bokach oznaczonych literą a. Na każdym wierzchołki jest kulka.
Komórka elementarna typu I
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
komórka typu F
komórka typu F
typ komórki elementarnej, w której indywidua chemiczne znajdują się w narożach sześcianu i na środkach ścian
RAovr2iRJJbxG
Ilustracja przedstawia sześcian, boki oznaczono literą a. Na każdej ścianie zaznaczono przekątne. Na wierzchołkach i w punkcie przecięcia przekątnych są kulki.
Komórka elementarna typu F
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
liczba koordynacyjna
liczba koordynacyjna
liczba najbliższych indywiduów chemicznych, otaczających dany atom lub jon
przewodnik elektryczny
przewodnik elektryczny
każda substancja dobrze przewodząca prąd elektryczny
struktura najgęstszego ułożenia atomów
struktura najgęstszego ułożenia atomów
takie ułożenie, w którym każde indywiduum chemiczne otoczone jest przez dwanaście indywiduów
węzły sieciowe
węzły sieciowe
punkty przecięcia krawędzi komórek elementarnych w sieci kryształu
Bibliografia
Barrett C. S., X‑ray study of the alkali metals at low temperatures Sample: at T‑5K Note: lattice parametres are average of 5 values, „Acta Crystallographica” 1956, nr 9, s. 671‑677.
Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2007.
Borchardt‑Ott W., Crystallography an intoduction, Third Edition, London New York 2011
Encyklopedia PWN
Wyckoff R. W. G., Interscience Publishers, New York N: Cadmium Iodide Structure, „Crystal Structure” 1963, nr 1, s. 239‑444.
Van Meersshe, Feneau‑Dupont J., Krystalografia i chemia strukturalna, Warszawa1984.