Back to chapter

11.17:

Metallische Vaste Stoffen

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

Metallische vaste stoffen, zoals koper, aluminium en goud, zijn vaste stoffen met metaalatomen als hun samenstellende deeltjes, die typisch bij elkaar worden gehouden door sterke metaalverbindingen. In een metaalbinding overlappen de elektronenwolken van aangrenzende metaalatomen elkaar, zodat deze valentie-elektronen door de vaste stof worden gedelokaliseerd. Metallische vaste stoffen worden soms beschreven als een rooster van stationaire metaalkationen in een zee van gedelokaliseerde elektronen.Dit resulteert in een meer flexibele interne structuur dan die van moleculaire of ionische vaste stoffen. Metallische vaste stoffen kunnen in het algemeen in grotere mate buigen en vervormen zonder te breken dan andere vaste stoffen. Zoals blijkt uit goud en kwik, variëren hun smeltpunten sterk, afhankelijk van de sterkte van de metaalverbindingen.De mobiele elektronen maken deze vaste stoffen ook uitstekende geleiders van warmte en elektriciteit. De atomen van zuivere metallische vaste stoffen zijn typisch gerangschikt, of gestapeld’in een van de twee meest efficiënte mogelijke configuraties voor bollen met een uniforme grootte:hexagonale dichtste stapeling of kubische dichtste stapeling. Bij hexagonale dichtste stapeling zijn de metaalatomen hexagonaal gerangschikt in twee herhalende lagen, waarbij de atomen in de tweede laag de verdiepingen van de eerste laag innemen.De derde laag is een herhaling van de eerste laag, wat resulteert in een karakteristieke ABAB-opstelling. Zinkmetaal vertoont een hexagonaal dichtste stapeling rooster. Zijn eenheidscel bevat twee atomen die niet op de roosterpunten staan.In kubische dichtste stapeling zijn de atomen hexagonaal gerangschikt in drie zich herhalende lagen. De atomen in elke vierde laag zijn uitgelijnd met de atomen in de eerste laag, waardoor een karakteristieke ABCABC-opstelling ontstaat. Kopermetaal heeft een kubische dichtste stapeling of kvg rooster.Dit rooster wordt ook wel kubisch vlakgecentreerd, of kbvg, genoemd, omdat de opstelling die is van een vlakgecentreerd kubisch rooster met een identiek atoom op elk roosterpunt. In beide soorten stapeling heeft elk atoom een coördinatiegetal van twaalf. Bij hcp-stapeling staat elk atoom in direct contact met zes atomen uit dezelfde laag, drie uit de laag erboven en drie uit de laag eronder.

11.17:

Metallische Vaste Stoffen

Metallic solids such as crystals of copper, aluminum, and iron are formed by metal atoms. The structure of metallic crystals is often described as a uniform distribution of atomic nuclei within a “sea” of delocalized electrons. The atoms within such a metallic solid are held together by a unique force known as metallic bonding that gives rise to many useful and varied bulk properties.

All metallic solids exhibit high thermal and electrical conductivity, metallic luster, and malleability. Many are very hard and quite strong. Because of their malleability (the ability to deform under pressure or hammering), they do not shatter and, therefore, make useful construction materials. The melting points of the metals vary widely. Mercury is a liquid at room temperature, and the alkali metals melt below 200 °C. Several post-transition metals also have low melting points, whereas the transition metals melt at temperatures above 1000 °C. These differences reflect differences in the strengths of metallic bonding among metals.

Properties of Metallic Solids

Owing to their crystalline structure, metallic solids exhibit few unique properties associated with the structure and have been tabulated in the following table.

Type of Solid Type of Particles Type of Attractions Properties Examples
Metallic Atoms of electropositive elements Metallic bonds shiny, malleable, ductile, conducts heat and electricity well, variable hardness and melting temperature Cu, Fe, Ti, Pb, U

Crystal Structure of Metallic Solids: Close-packing

Solids that are made of identical atoms can have two types of arrangements: square or close-packed (Figure 1). Since close-packing maximizes the overall attractions between atoms and minimizes the total intermolecular energy, the atoms in most metals pack in this manner.

Eq1

Figure 1. Square vs close-packed arrangement.

We find two types of closest packing in simple metallic crystalline structures: hexagonal closest packing (HCP), and cubic closest packing (CCP). Both consist of repeating layers of hexagonally arranged atoms. In both types, a second layer (B) is placed on the first layer (A) so that each atom in the second layer is in contact with three atoms in the first layer. The third layer is positioned in one of two ways.

In HCP, atoms in the third layer are directly above atoms in the first layer (i.e., the third layer is also a type A), and the stacking consists of alternating type A and type B close-packed layers (i.e., ABABAB⋯) (Figure 2a).

In CCP, atoms in the third layer are not above atoms in either of the first two layers (i.e., the third layer is type C), and the stacking consists of alternating type A, type B, and type C close-packed layers (i.e., ABCABCABC) (Figure 2b). Cubic face-centered (FCC) and CCP arrangements are actually the same structures with compact packing of atoms, occupying 74% of the volume.

Eq1

Figure 2. (a) Hexagonal close-packing consists of two alternating layers (ABABAB…). (b) Cubic close-packing consists of three alternating layers (ABCABCABC…).

In both types of packing, each atom contacts six atoms in its own layer, three in the layer above, and three in the layer below. Thus each atom touches 12 near neighbors and therefore has a coordination number of 12.

About two–thirds of all metals crystallize in closest-packed arrays with coordination numbers of 12. Metals that crystallize in an HCP structure include Cd, Co, Li, Mg, Na, and Zn, and metals that crystallize in a CCP structure include Ag, Al, Ca, Cu, Ni, Pb, and Pt.

This text has been adapted from Openstax, Chemistry 2e, Sections 10.5 The Solid State of Matter, and 10.6 Lattice Structures in Crystalline Solids.