11.21: Центрирующее и координационное число решетки

Структура кристаллического твердого тела, будь то металла или нет, лучше всего описывается с учетом его простейшего повторяющегося блока, который называется его единичной клеткой. Ячейка блока состоит из точек решетки, представляющих расположение атомов или ионов. Затем вся структура состоит из этой ячейки, повторяющейся в трех измерениях. Три различных типа ячеек в кубической решетке показаны на рисунке 1.

Типы ячеек устройства

Представьте, что вы берете большое количество идентичных сфер и равномерно распределите их в контейнере таким образом, чтобы один слой был непосредственно над сферами в слое ниже. Это устройство называется простой кубической структурой, а единичной ячейкой называется простая ячейка кубической единицы или примитивная ячейка кубической единицы. В простой кубической структуре сферы не упакованы так близко, как могли бы быть, и они только «заполняют» около 52% объема контейнера.

Атом в таком виде расположения контактирует только с четырьмя ближайшими соседями в его слое; один атом непосредственно над ним в слое выше; и один атом непосредственно под ним в слое ниже. Количество других частиц, которые каждая частица в кристаллическом твердом контакте известна как ее координационный номер. Для атома полония в простом кубическом массиве координационный номер составляет, таким образом, шесть.

Рисунок 1. Три различных кристаллических решетчатых конструкции, представленные системами кубической решетки.

В примитивной кубической решетке единицей ячейки, повторяемой во всех направлениях, является куб, определяемый центрами восьми атомов. Атомы в соседних углах этой ячейки устройства соприкасаются друг с другом, поэтому ячейка кубической единицы содержит только те части этих атомов, которые находятся в ней. Так как атом в углу простой ячейки кубической единицы содержится в общей сложности в восьми ячейках, только одна восьмая часть этого атома находится в конкретной единичной ячейке. А поскольку каждая простая ячейка кубической единицы имеет по одному атому на каждом из восьми “углов”, в одной простой ячейке кубической единицы имеется 8 × 1/8= 1 атома.

Некоторые металлы кристаллизуются в расположении, которое имеет кювету кубической единицы с атомами по всем углам и атомом в центре. Это называется кубическим твердым телом (BCC). Атомы в углах ячейки блока BCC не соприкасаются друг с другом, а контактируют с атомом в центре. Ячейка блока BCC содержит два атома: Один восьмой атома в каждом из восьми углов (8 × 1/8= 1 атома в углах) плюс один атом из центра. Любой атом в этой структуре касается четырех атомов в слое над ним и четырех атомов в слое под ним. Таким образом, атом в структуре БЦК имеет координационный номер восемь. Атомы в BCC-аранжировках гораздо более эффективно упакованы, чем в простой кубической структуре, занимая около 68% от общего объема.

Многие другие металлы кристаллизуются в расположении, которое имеет кювету с атомами по всем углам и в центре каждой грани. Эта схема называется кубической (FCC) твердой поверхностью, центрированной лицом. Ячейка FCC содержит четыре атома: Одну восьмую атома в каждом из восьми углов (8 × 1/8= 1 атома в углах) и половину атома на каждой из шести сторон (6 × 1/2= 3 атомов в гранях). Атомы в углах касаются атомов в центрах соседних лиц вдоль лицевой диагонали Куба. Поскольку атомы находятся в одинаковых точках решетки, они имеют одинаковые среды. Атомы в системе FCC упакованы как можно ближе друг к другу, атомы занимают 74% объема. Каждый атом контактирует с шестью атомами в собственном слое, тремя в слое выше и тремя в слое ниже. При таком расположении каждый атом соприкасается с 12 ближними соседями и, следовательно, имеет координационный номер 12.

Этот текст был адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., Sections 10.5 Solid State of Matter и 10.6 Lattice-структур в кристаллических солидах.