Back to chapter

11.17:

Metalik Katılar

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Metallic Solids

Languages

Share

Bakır, alüminyum ve altın gibi metalik katılar, tipik olarak güçlü metalik bağlarla bir arada tutulan, kurucu parçacıkları olarak metal atomlarına sahip katılardır. Metalik bir bağda, komşu metal atomlarının elektron bulutları üst üste biner, öyle ki bu valans elektronları katı boyunca yer değiştirir. Metalik katılar bazen, yer değiştirmiş elektronlar denizindeki sabit metal katyonlardan oluşan bir kafes olarak tanımlanır.Bu, moleküler veya iyonik katılardan daha esnek bir iç yapı ile sonuçlanır. Metalik katılar genellikle diğer katılardan daha büyük ölçüde kırılmadan bükülebilir ve deforme olabilir. Altın ve cıvanın sergilediği gibi, erime noktaları metalik bağların gücüne bağlı olarak büyük ölçüde değişir.Mobil elektronlar ayrıca bu katıları mükemmel ısı ve elektrik iletkenleri yapar. Saf metalik katıların atomları, tipik boyutta küreler için en verimli iki olası konfigürasyondan birinde düzenlenir veya paketlenir”hekzagonal sık düzen veya kübik sık düzen. Altıgen sık düzende, metal atomları, ikinci katmandaki atomların birinci katmanın girintilerini işgal ettiği iki tekrar eden katman halinde altıgen olarak düzenlenir.Üçüncü katman, karakteristik bir ABAB düzenlemesiyle sonuçlanan birinci katmanın bir tekrarıdır. Çinko metal, altıgen sık düzenli kafes sergiler. Birim hücresi, kafes noktalarında olmayan iki atom içerir.Kübik sık düzende atomlar, tekrarlayan üç katman halinde altıgen olarak düzenlenir. Her dördüncü katmandaki atomlar, birinci katmandaki atomlarla hizalanır ve karakteristik bir ABCABC düzeni oluşur. Bakır metalin kübik sık düzeni veya kafesi vardır.Bu kafes aynı zamanda yüzey merkezli kübik olarak da adlandırılır, çünkü düzenleme her kafes noktasında özdeş bir atom bulunan yüzey merkezli bir kübik kafes şeklindedir. Her iki düzenlenme türünde de her atomun koordinasyon sayısı on iki olur. Altıgen sık düzen yığınında, her atom aynı katmandan altı, yukarıdaki katmandan üç ve aşağıdaki katmandan üç atomla doğrudan temas halindedir.

11.17:

Metalik Katılar

Bakır, alüminyum ve demir kristalleri gibi metalik katılar, metal atomlarından oluşur. Metalik kristallerin yapısı genellikle, yerelleştirilmiş elektronların bir “denizi” içinde atom çekirdeğinin tekdüze bir dağılımı olarak tanımlanır. Böyle bir metalik katı içindeki atomlar, birçok kullanışlı ve çeşitli kütle özelliklerine yol açan, metalik bağ olarak bilinen benzersiz bir kuvvet tarafından bir arada tutulur.

Tüm metalik katılar, yüksek termal ve elektriksel iletkenlik, metalik parlaklık ve işlenebilirlik sergiler. Birçoğu çok sert ve oldukça güçlü. Dövülebilirlikleri nedeniyle (basınç veya çekiçleme altında deforme olma yetenekleri) kırılmazlar ve bu nedenle yararlı inşaat malzemeleri yaparlar. Metallerin erime noktaları çok çeşitlidir. Cıva, oda sıcaklığında sıvı haldedir ve alkali metaller 200 °C’nin altında erir. Çeşitli geçiş sonrası metaller de düşük erime noktalarına sahipken, geçiş metalleri 1000 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda erir. Bu farklılıklar, metaller arasındaki metalik bağın güçlerindeki farklılıkları yansıtır.

Metalik Katıların Özellikleri

Kristal yapıları nedeniyle metalik katılar, yapı ile ilişkili birkaç benzersiz özellik sergiler ve aşağıdaki tabloda tablo halinde verilmiştir.

Katının Tipi Parçacıkların Tipi Etkileşimlerin tipi Özellikler Örnekler
Metalik Elektropozitif elementlerinatomları Metalik bağlar parlak, dövülebilir, sünek, ısı ve elektriği iyi iletir, değişken sertlik ve erime sıcaklığı Cu, Fe, Ti, Pb, U

Metalik Katıların Kristal Yapısı: Yakın paketleme

Özdeş atomlardan oluşan katılar iki tür düzenlemeye sahip olabilir: kare veya kapalı paket (Şekil 1). Yakın paketleme atomlar arasındaki toplam çekiciliği maksimize ettiğinden ve toplam moleküller arası enerjiyi en aza indirdiğinden, çoğu metaldeki atomlar bu şekilde paketlenir.

Eq1

Şekil 1. Kare ve paketli düzenleme.

Basit metalik kristal yapılarda en yakın iki tür paket bulduk: altıgen en yakın istifleme (HCP) ve en yakın kübik istifleme (CCP). Her ikisi de altıgen olarak düzenlenmiş atomların tekrar eden katmanlarından oluşur. Her iki tipte de birinci katman (A) üzerine ikinci bir katman (B) yerleştirilir, böylece ikinci katmandaki her bir atom birinci katmandaki üç atomla temas halinde olur. Üçüncü katman, iki yoldan biriyle konumlandırılır.

HCP’de, üçüncü katmandaki atomlar birinci katmandaki atomların hemen üzerindedir (yani üçüncü katman aynı zamanda bir tip A’dır) ve istifleme, alternatif tip A ve tip B kapalı paketli katmanlardan (yani ABABAB⋯) oluşur ( Şekil 2a).

CCP’de, üçüncü katmandaki atomlar, ilk iki katmandan hiçbirindeki atomların üzerinde değildir (yani, üçüncü katman C tipidir) ve yığın, alternatif tip A, tip B ve tip C kapalı paketli katmanlardan oluşur ( yani, ABCABCABC) (Şekil 2b). Kübik yüz merkezli (FCC) ve CCP düzenlemeleri, hacmin% 74’ünü kaplayan, atomların kompakt bir şekilde paketlendiği aynı yapılardır.

Eq1

Şekil 2. (a) Altıgen kapalı paketleme, iki alternatif katmandan oluşur (ABABAB…). (b) Kübik yakın paketleme, üç alternatif katmandan oluşur (ABCABCABC…).

Her iki tür paketlemede de, her atom kendi katmanında altı atomla, üstteki katmanda üç ve aşağıdaki katmanda üç atomla temas eder. Böylelikle her atom yakın komşularına 12 dokunur ve bu nedenle koordinasyon numarası 12’dir.

Tüm metallerin yaklaşık üçte ikisi koordinasyon sayıları 12 olan en yakın paketlenmiş dizilerde kristalleşir. Bir HCP yapısında kristalleşen metaller arasında Cd, Co, Li, Mg, Na ve Zn bulunur ve bir CCP yapısında kristalleşen metaller Ag içerir. Al, Ca, Cu, Ni, Pb ve Pt.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştırOpenstax, Chemistry 2e, Sections 10.5 The Solid State of Matter, and 10.6 Lattice Structures in Crystalline Solids.