¿Por qué es imposible que un metal tenga una estructura de cristal cúbico simple? En otras palabras, ¿por qué todos los metales deben ser BCC, FCC o HCP?

El empaque de los átomos metálicos es una función de la forma de ese átomo. Todos los átomos no son perfectamente esféricos. Los que son como los átomos d-5 y d-10 tienden a formar estructuras de empaquetamiento más cercanas como ccp y hcp, empaquetamiento cúbico más cercano y empaquetamiento hexagonal más cercano. Tenga en cuenta que fcp cúbico centrado en la cara es lo mismo que ccp. Es solo un segundo nombre para representar la misma estructura de empaque.

Para ver cómo se ve el empaque más cercano, coloque las bolas esféricas en una caja y vea que se alinean espontáneamente en capas donde las bolas forman pequeños triángulos y las capas posteriores se sientan en los huecos formados en las capas anteriores. Este es el empaque más cercano y es lo que obtienes espontáneamente con bolas esféricas.

Ahora deja caer pelotas de fútbol en una bañera grande y mira lo que hacen. Les será imposible adoptar una estructura de embalaje más cercana y elegirán algo diferente que sea menos eficiente pero que sea lo mejor que puedan hacer.

Ahora deje caer los bloques de madera para niños en una caja. Con un pequeño movimiento, se acomodarán en un arreglo más cúbico.

Los átomos solo son perfectamente esféricos si sus subcapas están llenas o medio llenas. Esto incluye s átomos d-5 y d-10 átomos. Otros átomos con subcapas parcialmente llenas tienen diferentes formas y lo mejor que pueden hacer es algo que puede no ser una estructura de “empaquetamiento más cercano”. No muchos átomos tienen forma cúbica, por lo que no se encuentran estructuras cristalinas cúbicas simples en los metales.

Muchos átomos de p no son metálicos y forman enlaces covalentes más direccionales en lugar de enlaces metálicos, por lo que son una categoría completamente diferente. Po es uno de esos átomos, que forma enlaces direccionales covalentes y forma una estructura de cristal cúbico.

La respuesta simple es que los átomos de metal se agrupan en estructuras compactas para reducir la cantidad de espacio libre.

En relación con la estructura cúbica simple, BCC y FCC reducen el espacio vacío en aproximadamente un 25%.

Una respuesta más detallada implica la minimización del potencial energético y también tiene en cuenta que la mayoría de los metales son óxidos o sulfuros que tienen radios atómicos diferentes que los iones metálicos.

Eche un vistazo a este video de YouTube para obtener una aclaración rápida.

Mi ciencia de los materiales de los metales está un poco oxidada, pero creo que el polonio realmente adopta una estructura cúbica. Sin embargo, es el único y esto en gran parte porque la naturaleza tiende a favorecer la eficiencia. Intenta apilar bolas de boliche en una estructura cúbica. Terminarán cambiando para alinearse en un arreglo escalonado que podría reconocer como HCP. Recuerdo que se incluyeron algunas matemáticas increíblemente elegantes en nuestro trabajo de curso para probar estas características (algo sobre la densidad de empaque lineal), pero este simple ejemplo debería ser un comienzo útil.

Kyet Vonnegut tiene una buena referencia en Cats Cradle que tiene que ver con la eficiencia de embalaje de las balas de cañón que valen la pena leer.