Основные типы кристаллических решёток металлов
Физические свойства металлов определяются их электронным строением и природой кристаллической решётки.
Поскольку металлическая связь ненасыщаема и ненаправлена, для металлов характерны кристаллические структуры с высокими координационными числами (количество атомов, которое окружает один атом). Как правило, металлы кристаллизуются в одном из трёх типов решёток, для двух из них координационное число равно 12, а для третьей – 8.
Строение первых двух кристаллических решёток можно представить следующим образом. Мысленно положим шарообразные атомы металлов на стол и плотно придвинем их друг к другу. Мы заметим, что каждый шар окажется в окружении шести соседних шаров (на рисунке ниже – а).
Затем положим сверху на первый слой шаров (А) второй слой (В) так, чтобы шары второго слоя попали в углубления между шарами первого слоя (на рисунке выше – б). Проделаем то же самое, укладывая сверху шары третьего слоя. Укладка шаров третьего слоя возможна двумя различными способами. Однако это не влияет на координационное число, но в результате образуются две неодинаковые структуры.
Первый способ приводит к расположению шаров третьего слоя в точности над шарами первого слоя (на рисунке выше –в). Такая структура называется гексагональной плотнейшей упаковкой (ГПУ) и состоит из чередующихся слоёв атомов металла АВАВ. Слово «гексагональный» означает шестиугольный и указывает, что каждый шар в своём слое окружён шестиугольником ближайших соседей.
Второй способ отличается от первого тем, что расположение шаров третьего слоя С повернуто на 60 градусов вокруг вертикальной оси по отношению к первому слою (на рисунке выше – г). При этом шары третьего слоя оказываются над углублениями между шарами первого слоя. В таком случае только следующий, четвёртый, слой шаров в точности повторяет структуру шаров первого слоя. Такая структура называется кубической плотнейшей упаковкой (КПУ) или гранецентрированной кубической упаковкой (ГЦК) и состоит из чередующихся слоёв атомов металлов АВСАВС.
Третья кристаллическая структура (координационное число равно 8) может рассматриваться как цент куба, в вершинах которого находятся восемь его ближайших соседей. Такая структура называется объёмно-центрированной кубической упаковкой (ОЦУ).
Элементарные ячейки для всех типов кристаллических решёток металлов показаны на рисунке ниже.
Описанные кристаллические структуры отличаются степенью заполнение пространства: наиболее плотноупакованными (степень заполнения пространства составляет 74%) являются кристаллические решётки ГПУ и КПУ, менее плотноупакована (на 68%) – решётка типа ОЦУ. Пустоты играют важную роль в определении структуры металлических соединений и их сплавов.
Кристаллические решётки некоторых металлов
|
Тип решётки |
Металл |
| ГПУ | Mg, Zn, Be, Cd, Os, Ru |
| КПУ (ГЦК) | Cu, Ag, Al, Ca, Ni, Au, Pb, Pd, Pt, Co, Sr |
| ОЦУ | Li, Na, K, Rb, Cs, V, Cr, Mo, W, Fe, Ba |
Также важно знать, что ряд металлов в зависимости от температуры может кристаллизоваться в разных типах кристаллических решёток (явление полиморфизма), например белое и серое олово.