bg‑gold

Czym są kryształy metaliczne?

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
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
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‑gold

Jakie wyróżniamy typy struktur zwartych?

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
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
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 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
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
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
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
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
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Polecenie 1

Czy wiesz, czym różni się budowa heksagonalnie zwarta od regularnie zwartej i jakie kryształy ją posiadają? Zapoznaj się z animacjami i rozwiąż poniższe zadania.

ROSuronNRY9Gt1
Animacja przedstawia przykład budowy heksagonalnie zwartej. Przykłady: beryl, cynk, magnez. Animacja przedstawia spadające z góry kulki, które tworzą figurę geometryczną. Podstawę figury tworzy sześć układających się w koło kul, na nie spadają trzy kulki, układające się obok siebie, zwieńczenie figury stanowi jedna kulka. Powstaje stożek zbudowany z kulek. Do takiej figury zostaje podłączony zasilacz i żarówka. Żarówka świeci.
RanXbqbApIuze1
Animacja przedstawia przykład budowy regularnie zwartej. Przykłady: srebro, miedź, złoto. Animacja przedstawia spadające z góry kulki, tworzą one figurę geometryczną. Tworzą one podstawę, którą jest kwadrat. Na nią spadają cztery kulki, zwieńczenie figury stanowi jedna kulka. Powstaje ostrosłup czworokątny zbudowany z kulek. Do takiej figury zostaje podłączony zasilacz i żarówka. Żarówka świeci.
RnvrXDCV3ZHEI
Ćwiczenie 1
Czym różnią się kryształy metaliczne regularnie zwarte od heksagonalnie zwartych? Możliwe odpowiedzi: 1. Ułożeniem atomów w strukturze., 2. Kryształy regularnie zwarte przewodzą prąd, a heksagonalnie zwarte nie przewodzą prądu., 3. Mają zawszę taką samą liczbę koordynacyjną.
R1GAAZKxBh7IT
Ćwiczenie 2
Spośród podanych poniżej pierwiastków, wybierz te, których kryształy charakteryzują się budową heksagonalnie zwartą. Możliwe odpowiedzi: 1. Beryl, 2. Jod, 3. Siarka, 4. Cynk
R53hYzl6UZgdE
Ćwiczenie 3
Możliwe odpowiedzi: 1. Prawidłowa odpowiedź A, 2. Nieprawidłowa odpowiedź B, 3. Nieprawidłowa odpowiedź C, 4. Prawidłowa odpowiedź D
Ćwiczenie 4

By określić zwartość struktur metalicznych, należy obliczyć ułamek f przestrzeni zajętej przez atomy. Im ten współczynnik jest większy, tym kryształ jest bardziej upakowany. Dzięki wyprowadzeniu zależności, między promieniem jonu r metalu a parametrem a komórki elementarnej, możemy określić, do jakiego typu upakowania należy metal. Wynoszą one odpowiednio:

Struktura hcp

ra = 12

Struktura fcc

ra=24

Struktura bcc

ra =34

Promień jonowy platyny (Pt+) wynosi 1,39 Å. Platyna krystalizuje w układzie regularnym, w typie komórki elementarnej F, w której długość krawędzi a = 3,923 Å.

Zdecyduj, do jakiego typu upakowania, hcp, fcc czy bbc, należy platyna. Odpowiedź potwierdź odpowiednimi obliczeniami.

R1cNrg49It8Fw
(Uzupełnij).
Polecenie 2

Przeanalizuj jeszcze raz informacje zawarte wyżej i sporządź mapę pojęciową, która podsumuje budowę kryształów metalicznych. 

R9S6G7G93VAMJ
bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
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

kation
kation

(gr. katin „idący w dół”) jon o dodatnim ładunku elektrycznym

przewodnik elektryczny
przewodnik elektryczny

każda substancja dobrze przewodząca prąd elektryczny

delokalizacja elektronów
delokalizacja elektronów

stan, w którym elektron bierze udział w tworzeniu więcej niż jednego wiązania chemicznego

liczba koordynacyjna
liczba koordynacyjna

liczba najbliższych indywiduów chemicznych, otaczających dany atom lub jon

komórka elementarna
komórka elementarna

równoległościan, który stanowi podstawowy, powtarzający się okresowo w przestrzeni element sieci przestrzennej; kształt i rozmiary komórki elementarnej określają stałe sieciowe: długości krawędzi: a, b, c, i kąty: α, β, γ między nimi

liczba koordynacyjna
liczba koordynacyjna

liczba najbliższych indywiduów chemicznych, otaczających dany atom lub jon

komórka typu F
komórka typu F

typ komórki elementarnej, w której indywidua chemiczne znajdują się w narożach sześcianu i na środkach ścian

RAovr2iRJJbxG
Komórka elementarna typu F
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
kation
kation

(gr. katin „idący w dół”) jon o dodatnim ładunku elektrycznym

komórka typu I
komórka typu I

typ komórki elementarnej, w której indywidua chemiczne znajdują się w narożach sześcianu i w jego środku

RpiyGTuCGZsN7
Komórka elementarna typu I
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
struktura najgęstszego ułożenia atomów
struktura najgęstszego ułożenia atomów

takie ułożenie, w którym każde indywiduum chemiczne otoczone jest przez dwanaście indywiduów