أفضل وصف لبنية المادة الصلبة المتبلورة، سواء كان معدنًا أم لا، هو النظر في أبسط وحدة مكررة، والتي يشار إليها باسم خلية الوحدة. تتكون خلية الوحدة من نقاط شبكية تمثل مواقع الذرات أو الأيونات. يتكون الهيكل بأكمله من خلية الوحدة هذه التي تتكرر في ثلاثة أبعاد. الأنواع الثلاثة المختلفة من خلايا الوحدة الموجودة في الشبكة المكعبة موضحة في الشكل 1.

أنواع خلايا الوحدة

تخيل أخذ عدد كبير من المجالات المتشابهة وترتيبها بشكل موحد في وعاء بحيث تكون إحدى الطبقات فوق الكرات الموجودة في الطبقة أدناه مباشرةً. يسمى هذا الترتيب بنية مكعبة بسيطة ، وتسمى خلية الوحدة خلية الوحدة المكعبة البسيطة أو خلية الوحدة المكعبة البدائية. في هيكل مكعب بسيط ، لا تكون الكرات معبأة بشكل وثيق قدر الإمكان ، و “تملأ” فقط حوالي 52٪ من حجم الحاوية.

تتلامس الذرة في هذا النوع من الترتيب مع أقرب أربعة جيران فقط في طبقتها ؛ ذرة واحدة فوقها مباشرة في الطبقة أعلاه ؛ وذرة واحدة تحتها مباشرة في الطبقة أدناه. يُعرف عدد الجسيمات الأخرى التي كل جسيم في اتصال صلب بلوري برقم التنسيق الخاص به. بالنسبة لذرة البولونيوم في مصفوفة مكعبة بسيطة، يكون رقم التنسيق ، بالتالي ، ستة.

الشكل 1. ثلاثة هياكل شبكية بلورية مختلفة معروضة بواسطة أنظمة الشبكة المكعبة.

في الشبكة المكعبة البدائية، تكون خلية الوحدة التي تتكرر في جميع الاتجاهات هي مكعب محدد بمراكز ثماني ذرات. تتلامس الذرات الموجودة في الزوايا المجاورة لهذه الوحدة الخلوية مع بعضها البعض، لذلك تحتوي خلية الوحدة المكعبة فقط على أجزاء هذه الذرات الموجودة بداخلها. نظرًا لأن الذرة الموجودة في زاوية خلية وحدة مكعبة بسيطة محتواة في إجمالي ثماني خلايا وحدة، فإن ثُمن تلك الذرة فقط هو داخل خلية وحدة معينة. وبما أن كل خلية وحدة مكعبة بسيطة تحتوي على ذرة واحدة في كل من “أركانها,” الثمانية، هناك 8 × 1/8= 1 ذرة داخل خلية وحدة مكعبة بسيطة.

تتبلور بعض المعادن في ترتيب يحتوي على خلية وحدة مكعبة بها ذرات في جميع الزوايا وذرة في المركز. وهذا ما يسمى مكعب صلب محوره الجسم (BCC). لا تتلامس الذرات الموجودة في زوايا خلية وحدة BCC مع بعضها البعض ولكنها تلامس الذرة الموجودة في المركز. تحتوي خلية وحدة BCC على ذرتين: ثمن ذرة في كل زاوية من الزوايا الثمانية (8 × 1/8= 1 ذرة من الزوايا) بالإضافة إلى ذرة واحدة من المركز. تلامس أي ذرة في هذا الهيكل أربع ذرات في الطبقة التي فوقها وأربع ذرات في الطبقة التي تحتها. وبالتالي، فإن الذرة في بنية BCC لها رقم تنسيق ثمانية. الذرات في ترتيبات BCC أكثر كفاءة بكثير مما كانت عليه في هيكل مكعب بسيط، حيث تحتل حوالي 68٪ من الحجم الإجمالي.

تتبلور العديد من المعادن الأخرى في ترتيب يحتوي على خلية وحدة مكعبة بها ذرات في جميع الزوايا وفي مراكز كل وجه. يُطلق على هذا الترتيب مادة صلبة مركزية الوجه (FCC). تحتوي خلية وحدة التكسير التحفيزي المائع على أربع ذرات: ثمن ذرة في كل زاوية من الزوايا الثمانية (8 × 1/8= 1 ذرة من الزوايا) ونصف ذرة على كل من الوجوه الستة (6 × 1/2= 3 ذرات من الوجوه). تلامس الذرات الموجودة في الزوايا الذرات الموجودة في مراكز الوجوه المتجاورة على طول أقطار وجه المكعب. نظراً لوجود الذرات على نقاط شعرية متطابقة ، فإن لديهم بيئات متطابقة. الذرات في ترتيب التكسير التحفيزي المائع معبأة مع بعضها بشكل وثيق قدر الإمكان ، مع احتلال الذرات 74٪ من الحجم. تلامس كل ذرة ست ذرات في طبقتها الخاصة ، وثلاث في الطبقة أعلاه ، وثلاث في الطبقة التي تحتها. في هذا الترتيب، تلامس كل ذرة 12 بالقرب من الجيران وبالتالي يكون لها رقم تنسيق 12.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Sections 10.5 The Solid State of Matter, and 10.6 Lattice Structures in Crystalline Solids.