Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Warto przeczytać

Istotną cechą budowy wewnętrznej metali jest obecność swobodnych elektronów (mających możliwość swobodnego ruchu w całej objętości materiału), wynikająca ze sposobu łączenia atomów tzw. wiązaniem metalicznym.

R10uUFydCxQy7
Rys. 1. Schemat budowy wewnętrznej metali. Kolorem pomarańczowym oznaczono jądra atomów pierwiastka wraz z elektronami niewalencyjnymi (rdzenie atomowe). Kolorem niebieskim zaznaczone są elektrony swobodne.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Właściwości metaliczne wykazuje większość pierwiastków (Rys. 2.).

1
R1TZvReCytrVW1
Rys. 2. Układ okresowy z zaznaczonymi (na niebiesko) pierwiastkami o właściwościach metali.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Rys. 2. Ilustracja przedstawia układ okresowy pierwiastków. Większość pierwiastków zaznaczono na niebiesko, aby wskazać ich właściwości metaliczne. Pozostałe pierwiastki zaznaczono na pomarańczowo lub zielono. Należy do nich wodór (pomarańczowy kolor) znajdujący się w pierwszej kolumnie i w pierwszym okresie oraz pierwiastki znajdujące się po prawej stronie układu (również zaznaczone na pomarańczowo). Są to gazy szlachetne w ostatniej, osiemnastej kolumnie, fluor, chlor, brom i jod w siedemnastej kolumnie, tlen, siarka i selen w szesnastej kolumnie, azot i fosfor w piętnastej kolumnie oraz bar w trzynastej kolumnie.

RC5ksIgNSBs281
Skorzystaj z dostępnego układu okresowego pierwiastków.
Źródło: Zaadaptowane z zasobów American Chemical Society, wyprodukowane przez Independence Science, dostępny w internecie: https://www.acs.org/education/students/highschool/olympiad/prepare-for-exams/accessible-periodic-table.html.

Pierwiastkowe metale w temperaturze pokojowej (poza rtęcią) są zazwyczaj krystalicznymi ciałami stałymi. Istotną cechą kryształówKryształkryształów jest powtarzający się okresowo układ atomów, który można odtworzyć, przesuwając w trzech nierównoległych kierunkach tzw. komórkę elementarnąKomórka elementarnakomórkę elementarną pokazującą sposób uporządkowania atomów (Rys. 3.).

R1PnwaZEEvACo
Rys. 3. Przykładowy model sieci przestrzennej z zaznaczoną komórką elementarną tej sieci.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Prawie wszystkie metale krystalizują w jednej z trzech typów sieci:

Sieci krystalograficzne typowe dla metali

Układ przestrzenny atomów i komórka elementarna modelująca ten układ

Nazwa sieci krystalograficznej

Przykłady metali o danej strukturze

R1M2NGa1o87jr
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

heksagonalna zwarta

magnez, beryl

R1E0c61QuWgzX
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

regularna ściennie centrowana

wapń, miedź, złoto

RulAHDaTy8lmz
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Przykłady metali o danej strukturze

regularna przestrzennie centrowana

żelazo, chrom, wolfram

Atomy tworząc wiązania chemiczne, czy to w cząsteczkach, czy w ciałach stałych, dążą do uzyskania ośmiu elektronów na ostatniej powłoce. Mogą to robić na kilka sposobów: pozbywając się elektronów z ostatniej powłoki, jeżeli na ostatniej powłoce jest ich niewiele (1‑3); zabierając elektrony innym atomom, jeżeli do ośmiu brakuje im niewiele (gdy mają 5‑7 na ostatniej powłoce). Mogą też uwspólniać elektrony z innymi atomami, tworząc wiązanie kowalencyjne.

Atomy metali mają od jednego do trzech elektronów na ostatniej powłoce, dlatego tworząc wiązania, chętnie się ich pozbywają. Te elektrony w metalicznym ciele stałym stają się elektronami swobodnymi i dzięki nim metale dobrze przewodzą zarówno prąd, jak i ciepło. Sieć krystaliczną w metalach tworzą dodatnie jony o wartościowości wynikającej z wartościowości chemicznej pierwiastka, utrzymywane na miejscu głównie dzięki oddziaływaniu chmury swobodnych elektronów. Dlatego w metalach zazwyczaj oddziaływania sąsiednich atomów nie są zbyt silne – można je dosyć łatwo przesuwać względem siebie. Dzięki temu typowe metale łatwo poddają się obróbce plastycznej, są kowalne i ciągliwe. Ponadto chmura swobodnych elektronów dobrze odbija promieniowanie elektromagnetyczne, nadając metalom charakterystyczny połysk. Plastyczność jest szczególnie dobrze widoczna dla metali alkalicznych (I grupa układu okresowego), które są na tyle miękkie, że można je kroić nożem.

Poza wiązaniem chmurą swobodnych elektronów, między sąsiednimi atomami może tworzyć się wiązanie kowalencyjne, które nadaje metalom wytrzymałość mechaniczną.

Teoria kwantowa właściwości elektryczne ciał stałych tłumaczy tworzeniem się pasm energetycznych i możliwością przemieszczania się nośników prądu w zależności od tego, jakiemu pasmu odpowiada ich energia.

W izolowanych atomach elektrony, w wyniku oddziaływania z jądrem atomowym i pozostałymi elektronami atomu, mają ściśle określoną energię zależną od zajmowanej powłoki elektronowej – im dalej od jądra znajduje się elektron, tym większą ma energię.

RpZGWxfqbjYhM
Rys. 4. Poziomy energetyczne elektronu w atomie izolowanym (w centrum układu znajduje się jądro atomowe; E1, E2, E3 – przykładowe poziomy energetyczne elektronu w atomie).
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Odległość energetyczna między poziomami jest rzędu kilku – kilkunastu elektronowoltów (1 eV = 1,6 · 10Indeks górny -19 J – jednostka energii stosowana w fizyce atomu).

Gdy atomy zbliżają się do siebie, tworząc kryształ, na elektrony zaczynają oddziaływać wszystkie atomy, co doprowadza do rozszczepienia poziomów atomowych na szereg blisko siebie energetycznie położonych podpoziomów (odległość energetyczna podpoziomów to około 10Indeks górny -22 eV, a ich ilość jest rzędu liczby atomów budujących kryształ). Ze względu na niewielką odległość między podpoziomami można je traktować jako pasmo energetyczne. Można powiedzieć, że w wyniku oddziaływania wszystkich atomów, atomowe poziomy energetyczne poszerzają się w pasma energetyczne, o szerokości mierzonej energią. Szerokość pasma jest rzędu elektronowolta.

RGrTynIUU9cIS
Rys. 5. Schemat tworzenia się pasm energetycznych w kryształach metalicznych. Gdy odległość r między atomami maleje, poziomy energetyczne rozmywają się w pasma. Pionowa linia dla r0 pokazuje odległość charakterystyczną dla kryształów.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Elektrony o energiach odpowiadających najniższym pasmom są związane z konkretnym atomem. Wszystkie poziomy energetyczne w tych pasmach są obsadzone przez elektrony (Rys. 6a.). Nad tymi pasmami tworzy się też pasmo nie w pełni obsadzone – elektrony, o energii odpowiadającej temu pasmu, mogą przemieszczać się w całej objętości ciała – są elektronami swobodnymi. Pasmo tych energii nazywa się pasmem przewodnictwaPasmo przewodnictwapasmem przewodnictwa.

R1J8dp0o8kph9
Rys. 6. Modele jednowymiarowe pasm energetycznych.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

W izolatorach i półprzewodnikach w niskich temperaturach (bliskich 0 K) praktycznie elektrony nie mają energii z zakresu pasma przewodnictwa. Energie wszystkich elektronów znajdują się w pasmach związanych z atomami. Między najwyższym z tych pasm (nazywanym podstawowym lub walencyjnymPasmo walencyjnewalencyjnym) a pasmem przewodnictwaPasmo przewodnictwapasmem przewodnictwa istnieje tzw. energetyczna przerwa wzbronionaEnergetyczna przerwa wzbronionaenergetyczna przerwa wzbroniona, określająca minimalną energię Eg, jaką muszą uzyskać elektrony, aby mogły „przejść” z pasma walencyjnegoPasmo walencyjnepasma walencyjnego do pasma przewodnictwa i stały się elektronami swobodnymi (Rys. 6b.). Wielkość tej przerwy wynosi od ułamka do kilkunastu elektronowoltów. W wyższych temperaturach część elektronów w wyniku odziaływania z atomami może uzyskać energię wystarczającą do przejść do pasma przewodnictwaPasmo przewodnictwapasma przewodnictwa. Liczba elektronów przewodnictwa zależy zatem od temperatury i szerokości przerwy wzbronionejEnergetyczna przerwa wzbronionaprzerwy wzbronionej.

W metalach pasmo przewodnictwaPasmo przewodnictwapasmo przewodnictwa jest pasmem tworzonym przez energię elektronów z ostatniej powłoki, dlatego energie te mają elektrony w każdej temperaturze, dzięki czemu metale przewodzą prąd także w bardzo niskich temperaturach.

Słowniczek

Kryształ
Kryształ

(ang. cristal) ciało stałe, w którym cząsteczki atomy lub jony są ułożone w uporządkowany schemat powtarzający się we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych.

Komórka elementarna
Komórka elementarna

(ang. unit cell) podstawowy element sieci krystalicznej, przez którego przesuwanie w przestrzeni można odtworzyć cały kryształ.

Pasmo przewodnictwa
Pasmo przewodnictwa

(ang. conduction band) pasmo energetyczne określające zakres energii elektronów, przy której mogą przemieszczać się w całej objętości ciała.

Pasmo walencyjne
Pasmo walencyjne

(ang. valence band) (pasmo podstawowe) – zakres energii, jaką mają elektrony walencyjne związane z jądrem atomu.

Energetyczna przerwa wzbroniona
Energetyczna przerwa wzbroniona

(ang. energy gap) odległość energetyczna między pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa, określa minimalną energię, jaką muszą uzyskać elektrony związane z atomem, aby stały się elektronami swobodnymi.