Δήμητρα Σπανού χημικός καθηγήτρια α Βθμιας Εκπαίδευση ς οργσνικη θέση στο 1ο γυμν. Δάφνης
υπό κατασκευή
ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ
Η ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ
Όλα τα μέταλλα έχουν κρυσταλλική δομή, δηλαδή οργανώνονται σε κανονικά κρυσταλλικά πλέγματα. Τα πλέγματα αυτά αποτελούνται από στοιχειώδεις μονάδες που λέγονται "κύτταρα" ή κυψελίδες που βρίσκονται σε συγκεκριμένες αποστάσεις μεταξύ τους και αποτελούνται από άτομα μετάλλων που τοποθετούνται σε συγκεκριμένες θέσεις ώστε να σχηματίζεται ένα γεωμετρικό σχήμα στον χώρο.
Σε αυτήν την οργάνωση των ατόμων οφείλεται η ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα αλλά και από τον τύπο του πλέγματος, εξαρτάται η ολκιμότητα και ελατότητά τους . Ακόμα επιρρεάζεται τις μαγνητικές τους ικανότητες αλλά και η ικανότητά τους να αντιδρούν με άλλες ουσίες.
Οι κύριοι τύποι δομής των μετάλλων είναι η κυβική, η εξαγωνική και η τετραγωνική
Στην κυβική δομή έχουμε την απλή κυβική δομή (BCR) στην οποία το άτομο βρίσκεται στο κέντρο του κυττάρου του (νάτριο, κάλιο κ.α)
και την προσωποκεντρική κυβική δομή (FCC) όπου το άτομο βρίσκεται στο κέντρο του κυττάρου και στο κέντρο κάθε όψης του (Al, Cu, Ni...)
Ακόμα σημασία στην κρυσταλλική δομή έχει η απόσταση μεταξύ των κυψελίδων που διαφοροποιεί τις κρυσταλλικές δομές. Αξίζει να αναφερθεί η εξαγωνική πυκνή συσκευασία ατόμων (GPUA) που συναντάμε σε μέταλλα όπως ζιρκόνιο, τιτάνιο κ.α.)
ΔΟΜΗ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΣΕ ΑΛΚΑΛΙΜΕΤΑΛΛΑ
Στα αλκαλιμέταλλα της 1ης ομάδας του περιοδικού συστήματος, έχουν πυκνή κυβική ή εξαγωνική συσκευασία κυψελίδων που έχουν ένα άτομο στο κέντρο τους και άλλα άτομα στις κορυφές μιας κυβικής ή εξαγωνικής κυψελίδας
Αυτό το κρυσταλλικό πλέγμα των μετάλλων της 1ης ομάδας, έχει μεγάλη ενδιάμεση διατομική απόσταση και μικρό αριθμό επιφανειών διεπαφής
και για αυτό παρουσιάζει απαλότητα και παραμορφωσιμότητα
Παράδειγμα: 3η περίοδος Το Νάτριο
Η ατομική ακτίνα είναι 190.10-12m
, η ιοντική ακτίνα Na+ είναι 97.10-12m
η ομοιοπολική ακτίνα Na είναι 154.10-12m
σε συνηθισμένη θερμοκρασία, κρυσταλλώνεται σε κυβικό σωματοκεντρικό πλέγμα, a = 4,28 Å.
Πυκνότητα 0,968 g/cm3 (19,7 °C)
ΔΟΜΗ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΣΕ ΑΛΚΑΛΙΚΕΣ ΓΑΙΕΣ
Στα μέταλλα των αλκαλικών γαιών σχηματίζεται κρυσταλλικό πλέγμα που αποτελείται από μονάδες που ονομάζονται κυψελίδες ή κύτταρα και σε αυτές τα μέταλλα των αλκαλικών γαιών καταλαμβάνουν ειδικές θέσεις. Μια κοινή μεταλλική δομή όπως και 
στα αλκάλια είναι η δομή στην οποία η κυψελίδα έχει ένα τέτοιο άτομο στο κέντρο και τα υπόλοιπα άτομα βρίσκονται σε ειδικες θέσεις στον χώρο. Η δομή είναι κυβική ή εξαγωνική, συνήθης δομή του πλέγματος είναι κυβική
Και εδώ η κρυσταλλική δομή επιρρεάζει την φυσική συμπεριφορά και τις χημικές ιδιότητες των ατόμων
Παράδειγμα 3η περίοδος : Το μαγνήσιο
με ατομική ακτίναι 160.10-12m
με ιοντική ακτίνα Mg+2 είναι 66.10-12m
Το κρυσταλλικό πλέγμα του μαγνήσιου είναι εξαγωνικής δομής
παράμετροι πλέγματος μαγνησίου a = 0,32029 nm, c = 0,52000 nm, Z = 2.
Πυκνότητα 1,738 g/cm3 (19,7 °C)
ΔΟΜΗ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΣΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΕΤΑΠΤΩΣΕΩΣ
Τα στοιχεία μεταπτώσεως περιλαμβάνουν στοιχεία του d και f τομέα που έχουν συνήθως 2 ηλεκτρόνια στο εξωτερικό επίπεδο (σπανίως ένα) τα οποία είναι αασθενώς συνδεδεμένα με τον πυρήνα και εξ αυτού όλα τα μεταβατικά στοιχεία είναι μέταλλα.
Σε κάθε περίοδο, για τον τομέα d το υποεπίπεδο d μπορεί να περιέχει από 1 έως 10 ηλεκτρόνια και για τον τομέα f (λανθανίδες -ακτινίδες) το υποεπίπεδο f μπορεί να περιέχει από 1 έως 14 ηλεκτρόνια
Αν το υποεπίπεδο είναι γεμάτο ονομάζονται αντίστοιχα της 4ης περιόδου 3dυποεπίπεδα, της 5ης περιόδου 4dυποεπίπεδα κ.λ.π. και είναι αυξημένης σταθερότητας ( όπως ο ψευδάργυρος, το κάδμιο και ο υδράργυρος για τον τομέα d)
Παράδειγμα: 4η περίοδος Το Σκάνδιο ηλεκτρονική διαμόρφωση: 3d1 4s2
Η ατομική ακτίνα είναι 162.10-12m
, η Ομοιοπολική ακτίνα του Sc είναι 144.10-12m
σε συνηθισμένη θερμοκρασία, κρυσταλλώνεται στους 1446 Co σε εξαγωνικό κλειστό πλέγμα, a = 3,309 Å. c= 5,268 Å
αναλογία γ/α= 1,592
Παράδειγμα: 4η περίοδος Ο ψευδάργυρος: ηλεκτρονική διαμόρφωση: [Ar]3d10 4s2
Η ατομική ακτίνα είναι 134.10-12m
Η ιοντική ακτίνα είνα (+2e) 74.10-12m
ακτίνα wan der walls Zn του είναι 139.10-12m
σε συνηθισμένη θερμοκρασία, κρυσταλλώνεται στους 419,6 C o σε εξαγωνικό πλέγμα, a = 2.6648 Å. c= 4,6448 Å
αναλογία γ/α 1,856
2. Τρεις τύποι δομής κρυσταλλικού πλέγματος
1. Κυβικό ογκομετρικό κεντραρισμένο (BCC)
2. Κυβικό πρόσωπο με επίκεντρο (FCC);
3. Εξαγωνική πυκνά συσκευασμένη (GPU).
ΜΕΤΑΛΛΙΚΗ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΔΟΜΗ
Τα μέταλλα σχηματίζουν ένα ιδιαίτερο τύπο κρυσταλλικής δομής που λέγεται μεταλλική δομή.
Το κρυσταλλικό μεταλλικό πλέγμα αποτελείται από θετικά μεταλλικα ιόντα στους κόμβους του και μεταξύ αυτών υπάρχουν τα ηλεκτρόνια σθένους των μετάλλων τα οποία ξεφεύγουν από την ασθενού έλξη με τον πυρήνα και κινουνται ανάμεσα στα θετικά ιόντα (ηλεκτρόνια αγωγιμότητας)
Η κίνηση αυτή των ηλεκτρονίων
α. δημιουργεί μια ισχυρή σύνδεση ανάμεσα στα μεταλλικά ιόντα και ταυτόχρονα τα ηλεκτρόνια συγκρατούνται από τα μεταλλικά ιόντα μέσα στο μεταλλικό πλέγμα.
β. Οι δυνάμεις όμως που συγκρατούν ιόντα και ηλεκτρόνια στο πλέγμα δεν είναι εντοπισμένες ή κατευθυνόμενες, όμως συγκρατούν τα ιόντα με τρόπο ώστε αν το μέταλλο παίρνει σχήμα ή τεντώνεται τα ιόντα μετατοπίζονται σχετικά εύκολα το ένα προς το άλλο.
Τα περισσότερα μέταλλα είναι όλκιμα δηλαδή ένα μεταλλικό σύρμα μπορεί να λυγίσει χωρίς να σπάσει κι αυτό εξηγείται από την ιδιότητα των ατόμων στα μέταλλα να αντέχουν την μετατόπιση στρωμάτων ατόμων χωρίς να σπάνε. Στον χρυσό για παράδειγμα κατασκευάζονται λεπτά στρώματα.
γ. η κίνηση των ηλεκτρονίων επιτρέπει την μεταφορά θερμότητας και ηλεκτρισμού δια μέσου του μετάλλου
Το κρυσταλλικό πλέγμα είναι γεωμετρικό μοντέλο που χαρακτηρίζεται από τις αποστάσεις μεταξυ γειτονικών μορίων, τον τύπο, στερεομετρία, του πλέγματος (κυβικό, εξαγωνικό κ.α.) και την πυκνότητα συσκευασίας (αριθμός συντονισμού) και την ύπαρξη ή μη ατελειών λόγω προσμίξεων
Στις περισσότερες περιπτώσεις εμφανίζονται υψηλοι αριθμοί συντονισμού: Τα αλκάλια που κρυσταλλώνονται στο κυβικό σύστημα με αριθμό συντονισμού 8 και κάθε μεταλλικό ιόν έχει 8 άλλα ιόντα γύρω του, ενώ σε κυβικό πλέγμα FCC όπως νικέλιου, χαλκού, κ.α ο αριθμός συντονισμού είναι 12. Σε εξαγωνικό είναι επίσης 12
Οι κρύσταλλοι των μετάλλων σχηματίζονται όταν περνά από την υγρή στην στερεά κατάσταση και αναπτύσσονται σε μεγαλύτερο μέγεθος όταν η κρυστάλλωση γίνεται αργά.
Οι δυνάμεις που συγκρατούν τα άτομα των μετάλλων στο πλέγμα είναι ιοντικής φύσης μεταλλικής φύσεως και ομοιοπολικής
Στα αλκάλια, υπερτερούν οι ιοντικοί δεσμού και για τον λόγο αυτό οι μεταλλικες ιδιότητες φαίνονται μειωμένες (σκληρότητα, πυκνότητα, ολκιμότητα, ελατότητα κ.λ.π.)
Στα μέταλλα των τομέων p και d έχουμε μεταλλικούς δεσμούς στο πλέγμα.
Στα ημιμέταλλα Βόριo B, Πυρίτιο Si, γερμάνιο Ge, Αρσενικό As, Αντιμόνιο Sb, Βισμούθιο Bi, Σελήνιο Se, Τελούριο Te, Πολώνιο Po, oi δεσμοί μεταξύ των ατόμων είναι κυρίως ομοιοπολικοι.
Όσο μεγαλύτερη είναι η αναλογια μεταλλικών δεσμού στο πλέγμα τόσο εντονότερες είναι οι μεταλλικές ιδιότητες
ΟΙ ΠΡΟΣΜΙΞΕΙΣ ΣΤΟ ΜΕΤΑΛΛΙΚΟ ΠΛΕΓΜΑ
Επισης είναι συνηθισμένο στο μεταλλικό πλέγμα να εγκλωβίζονται διάφορες άλλες ουσίες, είτε ανάμεσα στα μεταλλικά ιόντα,
σε κενά του πλέγματος εάν τα άτομα της ξένης ουσίας είναι μικρά άτομα
ή αντικαθιστώντας μεταλλικά ιόντα στο πλέγμα αν πρόκειται για πρόσμειξη με άτομα παραπλήσιου μεγέθους και δομής.
Και στις δύο περιπτώσεις έχουμε παραμόρφωση του πλέγματος που φέρνει και μεταβολή των ιδιοτήτων του.
Ένας από τους τύπους ελαττωμάτων είναι τα ελαττώματα σημείου που δημιουργούν αποκλίσεις από την ιδανική κανονικότητα στην κρυσταλλική δομή. Τα ελαττώματα σημείου μπορεί να είναι αρνητικά ή ελαττώματα κενού που σημαίνει την απουσία κάποιου ατόμου στην κανονική του θέση στο πλέγμα, ή ελαττώματα τύπου ακαθαρσίας δηλαδή η παρουσία ατόμων άλλου χημικού στοιχείου στο πλέγμα.
Ια ελαττώματα αλλάζουν τις ιδιότητες των μετάλλων. Τα κενά αυξάνουν την ατομική κινητικότητα και την διάχυση σε ένα μεταλλικό υλικό. Οι ακαθαρσίες μπορούν να αλλάξουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες του μετάλλου.
Ακόμα, η παρουσία προσμίξεων στο μεταλλικό πλέγμα αυξάνει την δυνατότητα διάχυση ξένων ατόμων στο εσωτερικό του μεταλλικού πλέγματος καθώς και την διάβρωση
Η θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα μειώνονται με την άνοδο της θερμοκρασίας
ακατέργαστο
ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΗΜΙΜΕΤΑΛΛΩΝ
Τα ημιμέταλλα εμφανίζονται σε δύο αλλοτρομικές τροποποιήσεις κρυστάλλων, η μια είναι μεταλλικού και η άλλη μη μεταλλικού χαρακτήρα
Η ηλεκτρική αγωγιμότιτά τους είναι αρκετά μικρή σε θερμοκρασία δωματίου αλλά αυξάνεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες αντίθετα με τα συνηθισμένα μέταλλα
Το πυρίτιο είναι ένας ημιαγωγός έμμεσης ζώνης και . οι ηλεκτροφυσικές του ιδιότητες επιρρεάζονται από τις ακαθαρσίες που περιέχει. Αν περιέχει προσμείξεις βόριου αλουμίνιου, γάλλιου, ίνδιο από ομάδα ΙΙΙ γίνεται ημιαγωγός οπών. Αν οι προσμείξεις φωσφόρος , αρσενικό και αντιμόνιο από ομάδα V γίνεται ημιαγωγός ηλεκτρονίων
Το Γερμάνιο είναι ο πιο Κοινός ημιαγωγός στον πλανήτη
Το κράμα με Γάλιο χησιμοποιείται σε υπεραγωγούς.
ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΟΝ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟ
Ζώνη σθένους: Ο όρος χρησιμοποιείται για να εξηγησει την ηλεκτρική αγωγιμότητα ιδιαίτερα των ημιαγωγών. Είναι η υψηλότερη πλήρως κατελημένη ζώνη ενέργειας ηλεκτρονίων στο απόλυτο μηδέν ή είναι οι ζώνες ηλεκτρονίων στις οποίες τα ηλεκτρόνια συμβάλουν στον χημικό δεσμό.
Ζώνη αγωγιμότητας: Είναι είναι μοντέλο ζώνης που χρησιμοποιείται για να εξηγήσει την ηλεκτρική αγωγιμότητα των υλικών. Αναφέρεται για την ενεργειακή ζώνη που βρίσκεται ενεργειακά πάνω από τη ζώνη σθένους των ηλεκτρονίων
Ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην ζώνη αγωγιμότητας μπορούν εύκολα να απορροφήσουν ενέργεια από ένα ηλεκτρικό πεδίο λόγω καταστάσεων ελεύθερης ενέργειας στη ζώνη αγωγιμότητας. Σύμφωνα με το θεώρημα Bloch τα ηλεκτρόνια τότε θεωρούνται σαν ελεύθερα σωματίδια και εφαρμόζεται σε αυτά η εξίσωση Stondinger. Επομένως το υλικό είναι ηλεκτρικά αγώγιμο.
Στην περίπτωση των ημιαγωγών και των μονωτών αυτή η ζώνη σθένους καταλαμβάνεται πλήρως και διαχωρίζεται από την ζώνη αγωγιμότητας από διάκενο ζώνης. Μπορούν να ξεπεράσουν μόνο με παροχή ενέργειας (θερμική, κινητική, φωτονική)
Στην περίπτωση των αγωγών αυτή η ζώνη σθένους είτε είναι πανομοιότυπη με την ζώνη αγωγιμότητας (όπως στην περίπτωση του Νατρίου) ή να μπορεί να επικαλύπτεται από την επόμενη ενεργειακά υψηλότερη ζώνη
ΠΗΓΕΣ
Μέταλλα - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)
Κρυσταλλικά πλέγματα μετάλλων: δομή, ιδιότητες και εφαρμογή (fb.ru)
Δομή του κρυσταλλικού πλέγματος μετάλλων αλκαλικών γαιών (yourknives.ru)
https://tm.spbstu.ru/%D0%9A%D1%83%D0%B1%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%80%D0%B5%D1%88%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B0
Лекция №1 - Кристаллическое строение металлов. (mpei.ac.ru)
Όλα τα μέταλλα έχουν κρυσταλλική δομή: οι κύριες απαντήσεις (yourknives.ru)
https://foxford.ru/wiki/himiya/osobennosti-stroeniya-perehodnyh-metallov?utm_referrer=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F
https://chemicalstudy.ru/skandiy-svoystva-atoma-himicheskie-i-fizicheskie-svoystva/#kristallicheskaya-reshetka
https://www.himsnab-spb.ru/article/ps/zn/