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
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
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
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
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
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
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
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
RrI7qaNESHoCi
R766UHJwfDQtb
R13DLp8yi4kh1
R1eX8pqPbNIlL
RR6PN4jHqBx2n
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
komórka typu F
komórka typu F
typ komórki elementarnej, w której indywidua chemiczne znajdują się w narożach sześcianu i na środkach ścian
RAovr2iRJJbxG
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.