11.17: Metaliczne ciała stałe

Metaliczne ciała stałe, takie jak kryształy miedzi, aluminium i żelaza, są tworzone przez atomy metalu. Struktura kryształów metalicznych jest często opisywana jako równomierny rozkład jąder atomowych w “morzu” zdelokalizowanych elektronów. Atomy w takim metalicznym ciele stałym są utrzymywane razem przez unikalną siłę znaną jako wiązanie metaliczne, która daje wiele użytecznych i zróżnicowanych właściwości masowych.

Wszystkie metaliczne ciała stałe wykazują wysoką przewodność cieplną i elektryczną, metaliczny połysk i plastyczność. Wiele z nich jest bardzo twardych i dość silnych. Ze względu na swoją plastyczność (zdolność do odkształcania się pod wpływem nacisku lub młotka) nie pękają, a zatem stanowią użyteczne materiały budowlane. Temperatury topnienia metali są bardzo zróżnicowane. Rtęć jest cieczą w temperaturze pokojowej, a metale alkaliczne topią się poniżej 200 °C. Niektóre metale poprzejściowe mają również niską temperaturę topnienia, podczas gdy metale przejściowe topią się w temperaturach powyżej 1000 °C. Różnice te odzwierciedlają różnice w sile wiązań metalicznych między metalami.

Właściwości ciał stałych metalicznych

Ze względu na swoją krystaliczną strukturę, metaliczne ciała stałe wykazują niewiele unikalnych właściwości związanych ze strukturą i zostały zestawione w poniższej tabeli.

Struktura krystaliczna metalicznych ciał stałych: Pakowanie w zamknięciu

Ciała stałe, które są zbudowane z identycznych atomów, mogą mieć dwa rodzaje układów: kwadratowe lub ciasno upakowane (ryc. 1). Ponieważ ciasne upakowanie maksymalizuje ogólne przyciąganie między atomami i minimalizuje całkowitą energię międzycząsteczkową, atomy w większości metali pakują się w ten sposób.

Rysunek 1. Układ kwadratowy vs ciasno upakowany.

W prostych metalicznych strukturach krystalicznych znajdujemy dwa rodzaje najbliższego upakowania: sześciokątne najbliższe upakowanie (HCP) i sześcienne najbliższe upakowanie (CCP). Oba składają się z powtarzających się warstw sześciokątnie ułożonych atomów. W obu typach druga warstwa (B) jest umieszczana na pierwszej warstwie (A) tak, że każdy atom w drugiej warstwie styka się z trzema atomami w pierwszej warstwie. Trzecia warstwa jest umieszczana na jeden z dwóch sposobów.

W HCP atomy w trzeciej warstwie znajdują się bezpośrednio nad atomami w pierwszej warstwie (tj. trzecia warstwa jest również typu A), a układanie składa się z naprzemiennie ciasno upakowanych warstw typu A i typu B (tj. ABABAB⋯) (rysunek 2a).

W CCP atomy w trzeciej warstwie nie znajdują się powyżej atomów w żadnej z pierwszych dwóch warstw (tj. trzecia warstwa jest typu C), a układanie składa się z naprzemiennie ciasno upakowanych warstw typu A, typu B i typu C (tj. ABCABCABC⋯) (Rysunek 2b). Układy sześcienne skoncentrowane na powierzchni (FCC) i CCP są w rzeczywistości tymi samymi strukturami ze zwartym upakowaniem atomów, zajmującymi 74% objętości.

Rysunek 2. (a) Sześciokątne upakowanie składa się z dwóch naprzemiennych warstw (ABABAB…). b) Sześcienne opakowanie zamknięte składa się z trzech naprzemiennych warstw (ABCABCABC…).

W obu typach upakowania każdy atom styka się z sześcioma atomami w swojej własnej warstwie, trzema w warstwie powyżej i trzema w warstwie poniżej. W ten sposób każdy atom dotyka 12 bliskich sąsiadów i dlatego ma liczbę koordynacyjną 12.

Około dwie trzecie wszystkich metali krystalizuje w najściślej upakowanych układach o liczbie koordynacyjnej 12. Metale, które krystalizują w strukturze HCP, obejmują Cd, Co, Li, Mg, Na i Zn, a metale, które krystalizują w strukturze CCP, obejmują Ag, Al, Ca, Cu, Ni, Pb i Pt.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcje 10.5 Stały stan materii, oraz 10.6 Struktury sieciowe w krystalicznych ciałach stałych.