Fazy proste są zbudowane z jednego pierwiastka. W grupie pierwiastków metalicznych najczęściej występują trzy typy struktury krystalicznej: regularna o sieci ściennie centrowanej, regularna o sieci przestrzennie centrowanej, heksagonalna o sieci zwartej.
Spotyka się różne oznaczenia tych struktur ( Tabela 1 ). W metaloznawstwie jest powszechnie stosowana symbolika wprowadzona przez „Strukturbericht”, mimo że według wskazań IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) nie powinna być używana. Obecnie jest zalecana symbolika Pearsona, zawierająca dwie litery i cyfrę. Pierwsza (mała) litera oznacza układ krystalograficzny (c- regularny, h – heksagonalny), druga (duża) litera – typ sieci Bravais’go (I – przestrzennie centrowana, F – ściennie centrowana), natomiast cyfra – liczbę atomów przypadających na komórkę elementarną. Często struktury są oznaczane skrótowo – pierwszymi literami ich nazwy.
| Rodzaj struktury | Oznaczenie wg „Strukturbericht” | Oznaczenie wg Pearsona | Skrócony opis sieci w języku polskim | Skrócony opis sieci w języku angielskim |
| Regularna o sieci ściennie centrowanej | A1 | cF4 | RSC | f.c.c. |
| Regularna o sieci przestrzennie centrowanej | A2 | cJ2 | RPC | b.c.c. |
| Heksagonalna zwarta | A3 | hP2 | HZ | h.p.c. |
Struktura A1 o sieci RSC przedstawia najgęściej upakowany układ atomów o jednakowej średnicy. Atomy są rozmieszczone w narożach oraz środkach ścian komórki regularnej ( Rys. 1a). Komórka elementarna zawiera 4 atomy \( (8 \cdot \frac{1}{8}+6 \cdot \frac{1}{2}) \). Najgęściej obsadzonymi przez atomy są płaszczyzny sieciowe \( \{111\} \), a w każdej z nich trzy kierunki \( <110> \) ( Rys. 1b).
Strukturę o sieci RSC można również przedstawić jako pakiet ułożony z równoległych do siebie warstw atomowych, gdzie każda warstwa odpowiada płaszczyźnie sieciowej \( \{111\} \). Zwarte ułożenie atomów w jednej warstwie oznacza, że każdy atom styka się z sześcioma atomami sąsiednimi. Zwarty przestrzenny układ atomów powstaje, gdy atomy kolejnej warstwy leżą w zagłębieniach warstwy poprzedniej ( Rys. 2 ).
Środki atomów w strukturze o sieci RSC w trzech kolejnych warstwach A, B i C ( Rys. 1c) nie są położone nad sobą i dopiero czwarta warstwa znajduje się dokładnie nad wyjściową warstwą A. Występuje zatem sekwencja warstw: ABCABCA…. Przy takim układzie wokół każdego atomu jest skoordynowany zespół 12 atomów stykających się ze sobą oraz z atomem centralnym. Liczba koordynacyjna LK = 12, a figurą koordynacyjną jest kubooktaedr regularny. Jeśli traktuje się atomy jako kule o promieniu \( R \), to stopień wypełnienia nimi przestrzeni wynosi \( 74,04\% \). Pomiędzy tymi atomami występują dwa rodzaje luk. Luki większe – oktaedryczne – są otoczone sześcioma atomami, których środki tworzą ośmiościan foremny ( Rys. 1d). W luce oktaedrycznej mieści się kula o promieniu \( r = 0,414R \). Środki tych luk są zlokalizowane w środku komórki elementarnej oraz w środkach jej krawędzi. Luki mniejsze – tetraedryczne – są otoczone czterema atomami rozmieszczonymi na narożach czworościanu foremnego ( Rys. 1e). Luka tetraedryczna może pomieścić kulę o promieniu \( r = 0,255R \). Środki tych luk są umiejscowione na przekątnych komórki elementarnej, w odległości \( a\sqrt{\frac{3}{4}} \) od naroży.
Struktura A2 o sieci RPC ma mniejszy stopień wypełnienia przestrzeni niż w sieci RSC; wynosi on \( 68,02\% \). Atomy są rozmieszczone w narożach i w środku elementarnej komórki regularnej ( Rys. 3a). Komórka zawiera tylko 2 atomy \( (8 \cdot \frac{1}{8}+1) \). Najgęściej upakowanymi płaszczyznami w tej strukturze są \( \{110\} \), na których wzdłuż kierunków \( <111> \) atomy stykają się ze sobą ( Rys. 3b). Każdy atom jest otoczony ośmioma położonymi w jednakowej odległości – stąd liczba koordynacyjna LK = 8. Figurą koordynacyjną jest sześcian. Struktura o sieci RPC zawiera luki oktaedryczne i tetraedryczne. Środki luk oktaedrycznych są umiejscowione w środkach ścian oraz na środkach krawędzi komórki elementarnej ( Rys. 3c). Środki luk tetraedrycznych są zlokalizowane na ścianach komórki w połowie odległości między środkiem ściany i środkiem krawędzi ( Rys. 3d). Luka oktaedryczna mieści kulę o promieniu \( r = 0,154R \), natomiast tetraedryczna – kulę o promieniu \( r = 0,291R \).
Sieci RSC i RPC są sieciami Bravais’go, natomiast sieć HZ nie jest siecią Bravais’go. Składa się z trzech prymitywnych sieci heksagonalnych przesuniętych względem siebie o wektor \( \vec{R}= \frac{2}{3} \vec{a}_{1}+\frac{1}{3} \vec{a}_{2}+\frac{1}{2} \vec{a}_{3} \). Na komórkę elementarną ( Rys. 4a) przypada 6 atomów \( (12 \cdot \frac{1}{6}+2 \cdot \frac{1}{2}+3) \).
Strukturę A3 o sieci HZ można przedstawić jako pakiet warstw o zwartym ułożeniu atomów równoległych do podstawy (0001) komórki elementarnej ( Rys. 4a). Warstwy te mają taką sama budowę jak warstwy \( \{111\} \) w strukturze o sieci RSC. Struktury o sieci RSC i HZ są do siebie podobne – różnią się tylko sekwencją ułożenia zwartych warstw. Sekwencję w strukturze o sieci HZ można przedstawić zapisem ABABAB… - atomy co drugiej warstwy są położone dokładnie nad sobą. Stąd liczba koordynacyjna, figura koordynacyjna i stopień wypełnienia przestrzeni w strukturze o sieci HZ są takie same jak w strukturze o sieci RSC. Luki oktaedryczne ( Rys. 4b) i tetraedryczne ( Rys. 4c) mieszczą w sobie kule o takich samych średnicach względnych jak luki struktury o sieci RSC. Wartość ilorazu stałych sieciowych komórki elementarnej struktury o sieci HZ, warunkująca stykanie się wszystkich atomów między sobą, wynosi \( \frac{c}{a}=\sqrt{\frac{8}{3}} \approx \) 1,633. W rzeczywistości przyjmuje wartość od 1,56 do 1,85.
Moduł opracowano na podstawie [1], [2].
Bibliografia
1. J. Sieniawski, A. Cyunczyk: Struktura ciał stałych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 20082. A. Bielański: Chemia ogólna i nieorganiczna, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1977