Кристаллическая решетка na. Как определить тип кристаллической решетки
Поговорим о твердых телах. Твердые тела можно разделить на две большие группы: аморфные и кристаллические . Разделять мы их будем по принципу есть порядок или нет.
В аморфных веществах молекулы располагаются хаотично. В их пространственном расположении нет никаких закономерностей. По сути, аморфные вещества – это очень вязкие жидкости, настолько вязкие, что твердые.
Отсюда и название: «а-» – отрицательная частица, «morphe» – форма. К аморфным веществам относятся: стекла, смолы, воск, парафин, мыло.
Отсутствие порядка в расположении частиц обусловливает физические свойства аморфных тел: они не имеют фиксированных температур плавления . По мере нагревания их вязкость постепенно снижается, и они также постепенно переходят в жидкое состояние.
В противоположность аморфным веществам существуют кристаллические. Частицы кристаллического вещества пространственно упорядочены. Это правильная структура пространственного расположения частиц в кристаллическом веществе называется кристаллической решеткой .
В отличии от аморфных тел, кристаллические вещества имеют фиксированные температуры плавления.
В зависимости от того какие частицы находятся в узлах решетки , и от того какие связи удерживают их различают: молекулярную , атомную , ионную и металлическую решетки.
Для чего принципиально важно знать, какая у вещества кристаллическая решетка? Что она определяет? Все. Структура определяет, как химические и физические свойства вещества .
Самый простой пример: ДНК. У всех организмов на земле она построена из одинакового набора структурных компонентов: нуклеотидов четырех видов. А какое многообразие жизни. Это все определяется структурой: порядком, в котором эти нуклеотиды расположены.
Молекулярная кристаллическая решетка.
Типичный пример вода – в твердом состоянии (лед). В узлах решетки находятся целые молекулы. И удерживают их вместе межмолекулярные взаимодействия : водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса.
Связи эти слабые, поэтому молекулярная решетка – самая непрочная , температура плавления таких веществ низкая.
Хороший диагностический признак: если вещество имеет при нормальных условиях жидкое или газообразное состояние и/или имеет запах – то скорее всего у этого вещества молекулярная кристаллическая решетка. Ведь жидкое и газообразное состояния – это следствие того, что молекулы на поверхности кристалла плохо держатся (связи то слабые). И их «сдувает». Это свойство называется летучестью. А сдутые молекулы, диффундируя в воздухе доходят до наших органов обоняния, что субъективно ощущается как запах.
Молекулярную кристаллическую решетку имеют:
- Некоторые простые вещества неметаллов: I 2 , P, S (то есть все неметаллы, у которых не атомная решетка).
- Почти все органические вещества (кроме солей ).
- И как уже говорилось ранее, вещества при нормальных условиях жидкие, либо газообразные (будучи замороженными) и/или имеющие запах (NH 3 , O 2 , H 2 O, кислоты, CO 2).
Атомная кристаллическая решетка.
В узлах атомной кристаллической решетки, в отличие от молекулярной, располагаются отдельные атомы . Получается, что удерживают решетку ковалентные связи (ведь именно они связывают нейтральные атомы).
Классический пример – эталон прочности твердости – алмаз (по химической природе – это простое вещество углерод). Связи: ковалентные неполярные , так как решетку образуют только атомы углерода.
А вот, например, в кристалле кварца (химическая формула которого SiO 2) есть атомы Si и O. Поэтому связи ковалентные полярные .
Физические свойства веществ с атомной кристаллической решеткой:
- прочность, твердость
- высокие температуры плавления (тугоплавкость)
- нелетучие вещества
- нерастворимы (ни в воде, ни в других растворителях)
Все эти свойства обусловлены прочностью ковалентных связей.
Веществ в атомной кристаллической решеткой немного. Особой закономерности нет, поэтому их нужно просто запомнить:
- Аллотропные модификации углерода (C): алмаз, графит.
- Бор (B), кремний (Si), германий (Ge).
- Только две аллотропные модификации фосфора имеют атомную кристаллическую решетку: красный фосфор и черный фосфор. (у белого фосфора – молекулярная кристаллическая решетка).
- SiC – карборунд (карбид кремния).
- BN – нитрид бора.
- Кремнезем, горный хрусталь, кварц, речной песок – все эти вещества имеют состав SiO 2 .
- Корунд, рубин, сапфир – у этих веществ состав Al 2 O 3 .
Наверняка возникает вопрос: С – это и алмаз, и графит. Но они же совершенно разные: графит непрозрачный, пачкает, проводит электрический ток, а алмаз прозрачный, не пачкает и ток не проводит. Отличаются они структурой.
И то, и то – атомная решетка, но разная. Поэтому и свойства разные.
Ионная кристаллическая решетка.
Классический пример: поваренная соль: NaCl. В узлах решетки располагаются отдельные ионы : Na + и Cl – . Удерживает решетку электростатические силы притяжения между ионами («плюс» притягивается к «минусу»), то есть ионная связь .
Ионные кристаллические решетки довольно прочные, но хрупкие, температуры плавления таких веществ довольно высокие (выше, чем у представителей металлической, но ниже чем у веществ с атомной решеткой). Многие растворимы в воде.
С определением ионной кристаллической решетки, как правило, проблем не возникает: там, где ионная связь – там ионная кристаллическая решетка. Это: все соли , оксиды металлов , щелочи (и другие основные гидроксиды).
Металлическая кристаллическая решетка.
Металлическая решетка реализуется в простых веществах металлах . Ранее мы говорили, что все великолепие металлической связи можно понять лишь вместе с металлической кристаллической решеткой. Час настал.
Главное свойство металлов: электроны на внешнем энергетическом уровне плохо удерживаются, поэтому легко отдаются. Потеряв электрон металл превращается в положительно заряженный ион – катион:
Na 0 – 1e → Na +
В металлической кристаллической решетке постоянно протекают процессы отдачи, и присоединения электронов: от атома металла в одном узле решетки отрывается электрон. Образуется катион. Оторвавшийся электрон притягивается другим катионом (или этим же): вновь образуется нейтральный атом.
В узлах металлической кристаллической решетки находятся как нейтральные атомы, так и катионы металла. А между узлами путешествуют свободные электроны:
Эти свободные электроны называются электронным газом. Именно они обусловливают физические свойства простых веществ металлов:
- тепло- и электропроводность
- металлический блеск
- ковкость, пластичность
Это и есть металлическая связь: катионы металлов притягиваются к нейтральным атомам и все это «склеивают» склеивают свободные электроны.
Как определить тип кристаллической решетки.
P. S. Есть кое-что в школьной программе и программе ЕГЭ по этой теме то, с чем мы не совсем согласны. А именно: обобщение, о том, что любая связь металл-неметалл – это ионная связь. Это допущение, намеренно сделано, видимо, для упрощения программы. Но это ведет к искажению. Граница между ионной и ковалентной связью условная. У каждой связи есть свой процент «ионности» и «ковалентности». Связь с малоактивным металлом имеет малый процент «ионности», она больше похожа на ковалентную. Но по программе ЕГЭ, она «округляется» в сторону ионной. Это порождает, порой абсурдные вещи. Например, Al 2 O 3 – вещество с атомной кристаллической решеткой. О какой ионности здесь может идти речь. Только ковалентная связь может удерживать таким образом атомы. Но по стандарту «металл-неметалл» мы квалифицируем эту связь как ионную. И получается противоречие: решетка атомная, а связь ионная. Вот к чему приводит, излишнее упрощение.
Кристаллическая решетка – система точек, расположенных в равных, параллельно ориентированных вершинах и смежных по граням параллелепипедов без промежутков, заполняющих пространство точек, называющимися узлами, прямые - рядами, плоскости - сетками, параллелепипеды называются элементарными ячейками.
Типы кристаллических решеток: атомная – если в узлах расположены атомы, ионная – если в узлах расположены ионы, молекулярная - если в узлах расположены молекулы
2.Свойства кристаллических веществ - однородность, анизотропность, способность самоограняться.
Однородность - два одинаковых элементарных объема вещества параллельно ориентированых в пространстве, но выделены в разных точках вещества, абсолютно одинаковы по свойствам (берилл - турмалин).
Анизотропность - в разных направлениях кристаллической решетки в непараллельных направлениях многие свойства (н-р, прочность, твердость, показатель преломления) различны.
Способность самоограняться – свойство кристаллов при свободном росте образовывать правильно ограненные многогранники.
Свойство постоянства двугранных узлов – углы м/у соответствующимигранями и ребрами во всех кристаллах одного и того же вещества одинаковы.
3.Понятие сингонии. На какие категории подразделяются сингонии.
Сингония – совокупность видов симметрий, имеющая 1 или или несколько общих элементов симметрии, при равном числе единичных направлений. С. к. характеризуется соотношениями между осями а, b, с и углами ячейки.
Существует 7 Делятся на:
Низшую( не имеют осей симметрии выше второго порядка)
Среднюю (они имеют одну ось симметрии высшего порядка)
Единичные направления – направления, неповторяющиеся в кристаллах.
Являясь наиболее крупным классификационным подразделением в симметрии кристаллов, каждая С. к. включает в себя несколько точечных групп симметрий и Браве решёток.
4.Простые формы и комбинации. Физический смысл выделения простых форм в кристалле.
По внешнему виду кристаллы делятся на простые формы и комбинации. Простые формы – кристаллы полученные из одной грани путем действия на нее элемента симметрии.
Элементы симметрии:
геометрический образ
плоскость симметрии – плоскость перпендикулярная изображению, разделяющая фигуру на 2 части, соотносящиеся как предмет и его зеркальное отражение.
Ось симметрии – это прямая, перпендикулярная изображению, при повороте вокруг которой на 360 о фигура совмещается сама с собой n раз.
Центр симметрии – точка внутри кристалла характеризующаяся тем, что каждая проводимая через нее прямая встречается с двух сторон на одинаковом расстояниях идентичные точки.
Комбинации - кристаллы, состоящие из граней, различного типа, отличающихся по форме и размеру. Образуются сочетанием двух или более простых форм. Сколько на равномерно развитом кристалле типов граней столько в нем и простых форм.
Выделение граней разного типа имеет физический смысл , поскольку разные грани растут с различной скоростью и имеют разные свойства (твердость, плотность, показатель преломления).
Простые формы бывают открытые и закрытые. Закрытая простая форма с помощью граней одного типа самостоятельно замыкает пространство (тетрагональная дипирамида), открытая простая форма может замыкать пространство только в сочетании с другими простыми формами (тетрагональная пирамида+плоскость.) Всего существует 47 простых форм. Все они подразделяются по категриям:
Моноэдр - простая форма, представленная одной гранью.
Пинакоид - две равные параллельные грани, которые могут быть обратно расположенными.
Диэдр - две равные пересекающиеся грани (могут пересекаться на своём продолжении) .
Ромбическая призма - четыре равных попарно параллельных грани; в сечении образуют ромб.
Ромбическая пирамида четыре равные пересекающиеся грани; в сечении также образуют ромб. Перечисленные простые формы относятся к открытым, так как они не замыкают пространства. Присутствие в кристалле открытых простых форм, например, ромбической призмы обязательно вызывает присутствие других простых форм, например, пинакоида или ромбической дипирамиды, необходимых для того, чтобы получилась замкнутая форма.
Из закрытых простых форм низших сингоний отметим следующие. Ромбическая дипирамида две ромбические пирамиды, сложенные основаниями; форма имеет восемь разных граней, дающих в поперечном сечении ромб; Ромбический тетраэдр четыре грани, замыкающие пространство и имеющие форму косоугольных треугольников.
Средняя категория (сингонии: триклинная, тетрагональная, гексагональная)– 27 п.ф.: моноэдр, пинокоид, 6 дипирамид, 6 пирамид, 6 призм, тетраэдр, ромбоэдр, 3 трапециэдра (грани в форме трапеции), 2 скаленоидра (образуются путем удвоения граней тетраэдра и ромбоэдра).
Высшая категория – 15 п.ф.: основными являются тетраэдр, октаэдр, куб. Если вместо одной грани появляются 3 грани – тритетраэдр, если 6 – гексатетраэдр, если 4 – тетратетраэдр. Грани могут быть 3х, 4х, 5тиугольные: 3х – тригон, 4х – тетрагон, 5ти – пентагон.
Простой формой кристалла называют семейство граней, взаимосвязанных симметрическими операциями данного класса симметрии. Все грани, образующие одну простую форму кристалла, должны быть равны по размеру и форме. В кристалле могут присутствовать одна или несколько простых форм. Сочетание нескольких простых форм называется комбинацией.
Закрытыми называют такие формы, грани которых полностью замыкают заключенное между ними пространство, как, например, куб;
Открытые простые формы не замыкают пространство и не могут существовать самостоятельно, а только в комбинациях. Например, призма + пинакоид.
|
|
|
Рис.6. Простые формы низшей категории: моноэдр (1), пинакоид (2), диэдр (3). |
Моноэдр (от греч. "моно"- один, "эдра"- грань) - простая форма, представленная одной единственной гранью. Моноэдром является, например, основание пирамиды.
Пинакоид (от греч."пинакс"- доска) - простая форма, состоящая из двух равных параллельных граней, часто обратно ориентированных.
Диэдр (от греч."ди" - два, "эдр"- грань) - простая форма, образованная двумя равными пересекающимися (иногда на своем продолжении) гранями, образующими "прямую крышу".
Ромбическая призма - простая форма, которая состоит из четырех равных, попарно параллельных граней, которые в сечении образуют ромб.
Ромбическая пирамида - простая форма состоит из четырех равных пересекающихся граней; в сечении также - ромб. Из закрытых простых форм низших сингоний отметим следующие:
Ромбическая дипирамида две ромбические пирамиды, сложенные основаниями. Форма имеет восемь равных граней, дающих в поперечном сечении ромб.
Ромбический тетраэдр - простая форма, четыре грани которой имеют форму косоугольных треугольников и замыкают пространство.
Открытыми простыми формами сингоний средней категории будут призмы и пирамиды.Тригональная призма (от греч."гон"- угол) - три равных грани, пересекающихся по параллельным ребрам и образующих в сечении равносторонний треугольник;
Тетрагональная призма (от греч."тетра"- четыре) - четыре равных попарно параллельных грани, образующих в сечении квадрат;
Гексагональная призма (от греч."гекса"- шесть) - шесть равных граней, пересекающихся по параллельным ребрам и образующих в сечении правильный шестиугольник.
Названия дитригональных, дитетрагональных и дигексагональных получили призмы с удвоенным числом граней, когда все грани равны, а одинаковые углы между гранями чередуются через один.
Пирамиды - простые формы кристаллов средней категории могут быть, также как и призмы, тригональными (и дитригональными), тетрагональными (и дитетрагональными), гексагональными(и дигексагональными). Они образуют в сечении правильные многоугольники. Грани пирамид располагаются под косым углом к оси симметрии высшего порядка.
В кристаллах средней категории встречаются так же закрытые простые формы. Таких форм несколько:
Дипирамиды - простые формы, образованные двумя равными пирамидами, сложенными основаниями. В таких формах происходит удвоение пирамиды горизонтальной плоскостью симметрии, перпендикулярной главной оси симметрии высшего порядка (рис. 8). Дипирамиды, как и простые пирамиды, в зависимости от порядка оси могут иметь различные формы сечения. Они могут быть тригональными, дитригональными, тетрагональными, дитетрагональными, гексагональными и дигексагональными.
Ромбоэдр - простая форма, которая состоит из шести граней в виде ромбов и напоминает вытянутый или сплющенный по диагонали куб. Он возможен только в тригональной сингонии. Верхняя и нижняя группа граней повернуты относительно друг друга на угол 60о таким образом, что нижние грани располагаются симметрично между верхними.
Большинство твердых веществ имеет кристаллическое строение. Кристаллическая решетка построена из повторяющихся одинаковых структурных единиц, индивидуальных для каждого кристалла. Эта структурная единица носит название “элементарная ячейка”. Другими словами, кристаллическая решетка служит отображением пространственной структуры твердого вещества.
Классифицировать кристаллические решетки можно различным образом.
I. По симметрии кристаллов решетки классифицируются на кубические, тетрагональные, ромбические, гексагональные.
Эта классификация удобна при оценке оптических свойств кристаллов, а также их каталитической активности.
II. По природе частиц , находящихся в узлах решетки и по типу химической связи между ними различают атомные, молекулярные, ионные и металлические кристаллические решетки . Тип связи в кристалле определяет различие в твердости, растворимости в воде, величине теплоты растворения и теплоты плавления, электрической проводимости.
Важной характеристикой кристалла является энергия кристаллической решетки, кДж/моль – энергия, которую необходимо затратить на разрушение данного кристалла.
Молекулярная решетка
Молекулярные кристаллы состоят из молекул, удерживаемых в определенных положениях кристаллической решетки слабыми межмолекулярными связями (вандерваальсовыми силами) или водородными связями. Эти решетки характерны для веществ с ковалентными связями.
Веществ с молекулярной решеткой очень много. Это большое число органических соединений (сахар, нафталин и др.), кристаллическая вода (лед), твердый углекислый газ (“сухой лед”), твердые галогеноводороды, иод, твердые газы, в том числе и благородные,
Минимальна энергия кристаллической решетки у веществ с неполярными и малополярными молекулами (СН 4 , СО 2 и т.п.).
Решетки, образованные более полярными молекулами, имеют и более высокую энергию кристаллической решетки. Наибольшей энергией обладают решетки с веществами, образующими водородные связи (Н 2 О, NН 3).
Из-за слабого взаимодействия между молекулами эти вещества летучи, легкоплавки, имеют небольшую твердость, не проводят электрический ток (диэлектрики) и обладают низкой теплопроводностью.
Атомная решетка
В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы одного или различных элементов, связанных между собой ковалентными связями по всем трем осям. Такие кристаллы , которые называют также ковалентными , сравнительно немногочисленны.
Примерами кристаллов этого типа могут служить алмаз, кремний, германий, олово, а также кристаллы сложных веществ, таких как нитрид бора, нитрид алюминия, кварц, карбид кремния. Все эти вещества имеют алмазоподобную решетку.
Энергия кристаллической решетки в таких веществах практически совпадает с энергией химической связи (200 – 500 кДж/моль). Это определяет и их физические свойства: высокие твердость, температура плавления и температура кипения.
Разнообразны электропроводящие свойства этих кристаллов: алмаз, кварц, нитрид бора – диэлектрики; кремний, германий – полупроводники; металлическое серое олово хорошо проводит электрический ток.
В кристаллах с атомной кристаллической решеткой нельзя выделить отдельную структурную единицу. Весь монокристалл представляет собой одну гигантскую молекулу .
Ионная решетка
В узлах ионной решетки чередуются положительные и отрицательные ионы, между которыми действуют электростатические силы. Ионные кристаллы образуют соединения с ионной связью, например, хлорид натрия NaCl, фторид калия и KF и др. В состав ионных соединений могут входить и сложные ионы, например, NO 3 - , SO 4 2 - .
Ионные кристаллы также представляют собой гигантскую молекулу, в которой каждый ион испытывает значительной воздействие со стороны всех остальных ионов.
Энергия ионной кристаллической решетки может достигать значительных величин. Так, Е (NaCl) = 770 кДж/моль, а Е (ВеО) = 4530 кДж/моль.
Ионные кристаллы имеют высокие температуры плавления и кипения и высокую прочность, но хрупки. Многие из них плохо проводят электрический ток при комнатной температуре (примерно на двадцать порядков ниже, чем у металлов), но с ростом температуры наблюдается увеличение электрической проводимости.
Металлическая решетка
Кристаллы металлов дают примеры простейших кристаллических структур.
Ионы металла в решетке металлического кристалла можно приближенно рассматривать в виде шаров. В твердых металлах эти шары упакованы с максимальной плотностью, на что указывает значительная плотность большинства металлов (от 0,97 г/см 3 у натрия, 8,92 г/см 3 у меди до 19,30 г/см 3 у вольфрама и золота). Наиболее плотная упаковка шаров в одном слое – это гексагональная упаковка, в которой каждый шар окружен шестью другими шарами (в той же плоскости). Центры любых трех соседних шаров образуют равносторонний треугольник.
Такие свойства металлов, как высокие тягучесть и ковкость, указывают на отсутствие жесткости в металлических решетках: их плоскости довольно легко сдвигаются одна относительно другой.
Валентные электроны участвуют в образовании связи со всеми атомами, свободно перемещаются по всему объему куска металла. На это указывают высокие значения электропроводимости и теплопроводности.
По энергии кристаллической решетки металлы занимают промежуточное положение между молекулярными и ковалентными кристаллами. Энергия кристаллической решетки составляет:
Таким образом, физические свойства твердых веществ существенно зависят от типа химической связи и структуры.
Структура и свойства твердых веществ
| Характеристики | Кристаллы | |||
| Металлические | Ионные | Молекулярные | Атомные | |
| Примеры | K, Al, Cr, Fe | NaCl, KNO 3 | I 2 , нафталин | алмаз, кварц |
| Структурные частицы | Положительные ионы и подвижные электроны | Катионы и анионы | Mолекулы | Атомы |
| Тип химической связи | Металлическая | Ионная | В молекулах – ковалентная; между молекулами – вандерваальсовы силы и водородные связи | Между атомами – ковалентная |
| t плавления | Высокая | Высокая | Невысокая | Очень высокая |
| t кипения | Высокая | Высокая | Невысокая | Очень высокая |
| Механические свойства | Твердые, ковкие, тягучие | Твердые, хрупкие | Мягкие | Очень твердые |
| Электропроводность | Хорошие проводники | В твердом виде – диэлектрики; в расплаве или растворе – проводники | Диэлектрики | Диэлектрики (кроме графита) |
| Растворимость | ||||
| в воде | Нерастворимы | Растворимы | Нерастворимы | Нерастворимы |
| в неполяр- ных раство- рителях | Нерастворимы | Нерастворимы | Растворимы | Нерастворимы |
(Все определения, формулы, графики и уравнения реакций даются под запись.)
Кристалл - это тело, частицы которого (атомы, ионы, молекулы) располагаются не в хаотичном, а в строго определенном порядке. Этот порядок периодически повторяется, образуя как бы воображаемую «решетку». Принято считать, что существует четыре типа кристаллических решеток: металлические, ионные, атомные и молекулярные. А как можно определить, какой тип кристаллической решетки имеет то или иное вещество?
Инструкция
Как легко можно догадаться из самого называния, металлический тип решетки встречается у металлов. Эти вещества характеризуются, как правило, высокой температурой плавления, металлическим блеском, твердостью, являются хорошими проводниками электрического тока. Запомните, что в узлах решеток такого типа находятся или нейтральные атомы или положительно заряженные ионы. В промежутках между узлами – электроны, миграция которых и обеспечивает высокую электропроводимость подобных веществ.
Ионный тип кристаллической решетки. Следует запомнить, что он присущ оксидам и солям. Характерный пример – кристаллы всем известной поваренной соли, хлорида натрия. В узлах таких решеток попеременно чередуются положительно и отрицательно заряженные ионы. Такие вещества, как правило, тугоплавки, с малой летучестью. Как легко догадаться, они имеют ионный тип химической связи.
Атомный тип кристаллической решетки присущ простым веществам – неметаллам, которые при нормальных условиях представляют собою твердые тела. Например, сере, фосфору, углероду. В узлах таких решеток находятся нейтральные атомы, связанные друг с другом ковалентной химической связью. Таким веществам свойственна тугоплавкость, нерастворимость в воде. Некоторым (например, углероду в виде алмаза) – исключительно высокая твердость.
Наконец, последний тип решетки - молекулярный. Он встречается у веществ, находящихся при нормальных условиях в жидком или газообразном виде. Как опять-таки легко можно понять из названия, в узлах таких решеток – молекулы. Они могут быть как неполярного вида (у простых газов типа Cl2, О2), так и полярного вида (самый известный пример – вода H2O). Вещества с таким типом решетки не проводят ток, летучи, имеют низкие температуры плавления.
Таким образом, чтобы с уверенностью определить, какой тип кристаллической решетки имеет то или иное вещество, вам следует разобраться, к какому классу веществ оно относится и какие физико-химические свойства имеет.
Внимание, только СЕГОДНЯ!
Все интересное
Алмаз - это минерал, относящийся к одной из аллотропных модификаций углерода. Отличительной чертой его является высокая твердость, которая по праву приносит ему звание самого твердого вещества. Алмаз достаточно редкий минерал, но вместе с этим и…
Атом - это мельчайшая стабильная (в большинстве случаев) частица вещества. Молекулой же называют несколько атомов, связанных между собой. Именно молекулы хранят в себе информацию о всех свойствах определенного вещества. Атомы образуют молекулу при…
Кислород - газ без цвета и запаха, который входит в состав воздуха. Он необходим для дыхания и горения и является одним их самых распространенных элементов на Земле. Инструкция 1Кислород - это химический элемент 7А группы периодической системы…
Агрегатное состояние вещества зависит от физический условий, в которых оно находится. Наличие у веществ нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении их молекул в разных условиях. Инструкция 1Вещество может находиться в…
В кристаллах химические частицы (молекулы, атомы и ионы) расположены в определенном порядке, в некоторых условиях они образуют правильные симметричные многогранники. Выделяют четыре типа кристаллических решеток - ионные, атомные, молекулярные и…
Под термином «электролитическая диссоциация» понимают процесс распада вещества, проводящего электрический ток, на ионы. Этот процесс может проходить как в растворах, так и в расплавах вещества. Диссоциации подвергаются кислоты,…
Известно, что более нагретые тела хуже проводят электрический ток, чем охлажденные. Причина этому – так называемое термическое сопротивление металлов. Что такое термическое сопротивлениеТермическое сопротивление – это сопротивление проводника…
Ионная связь – это одна из разновидностей химической связи, возникающая между разноименно заряженными ионами электроположительных и электроотрицательных элементов. Ионы же, как известно, - это частицы, несущие положительный или отрицательный заряд,…
В природе есть два вида твердых тел, которые заметно различаются своими свойствами. Это аморфные и кристаллические тела. И аморфные тела не имеют точной температуры плавления, они во время нагревания постепенно размягчаются, а затем переходят в…
Часто в электротехнической литературе встречается понятие "удельное электрическое сопротивление меди". И невольно задаешься вопросом, а что же это такое? Понятие «сопротивление» для любого проводника непрерывно связано с пониманием…
Атомно-молекулярное строение вещества стало активно изучаться Ломоносовым. Русский ученый впервые применил в химии теорию, сущность которой сводилась к определенным положениям. Все вещества включают в свой состав "корпускулы". Этим термином…
Строение вещества определяется не только взаимным расположением атомов в химических частицах, но и расположением этих химических частиц в пространстве. Наиболее упорядочено размещение атомов, молекул и ионов в кристаллах (от греческого "кристаллос " - лед), где химические частицы (атомы, молекулы, ионы) расположены в определенном порядке, образуя в пространстве кристаллическую решетку. При определенных условиях образования они могут иметь естественную форму правильных симметричных многогранников. Кристаллическое состояние характеризуется наличием дальнего порядка в расположении частиц и симметрией кристаллической решетки.
Для аморфного состояния характерно наличие только ближнего порядка. Структуры аморфных веществ напоминают жидкости, однако обладают гораздо меньшей текучестью. Аморфное состояние обычно неустойчиво. Под действием механических нагрузок или при изменении температуры аморфные тела могут закристаллизоваться. Реакционная способность веществ в аморфном состоянии значительно выше, чем в кристаллическом.
Аморфные вещества
Главный признак аморфного (от греческого "аморфос " - бесформенный) состояние вещества - отсутствие атомной или молекулярной решетки, то есть трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния.
При охлаждении жидкого вещества не всегда происходит его кристаллизация. при определенных условиях может образоваться неравновесное твердое аморфное (стеклообразное) состояние. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (углерод, фосфор мышьяк, сера, селен), оксиды (например, бора, кремния, фосфора), галогениды, халькогениды, многие органические полимеры.
В этом состоянии вещество может быть устойчиво в течение длительного промежутка времени, например, возраст некоторых вулканических стекол исчисляется миллионами лет. Физические и химические свойства вещества в стеклообразном аморфном состоянии могут существенно отличаться от свойств кристаллического вещества. Например, стеклообразный диоксид германия химически более активен, чем кристаллический. Различия в свойствах жидкого и твердого аморфного состояния определятся характером теплового движения частиц: в аморфном состоянии частицы способны лишь к колебательным и вращательным движениям, но не могут перемещаться в толще вещества.
Существуют вещества, которые в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Это относится к полимерам с нерегулярной последовательностью звеньев.
Аморфные тела изотропны , то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления: плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Физическая модель аморфного состояния до сих пор не создана.
Кристаллические вещества
Твердые кристаллы - трехмерные образования, характеризующиеся строгой повторяемостью одного и того же элемента структуры (элементарной ячейки ) во всех направлениях. Элементарная ячейка представляет собой наименьший объем кристалла в виде параллелепипеда, повторяющегося в кристалле бесконечное число раз.
Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена, прежде всего, их строго закономерным внутренним строением. Если вместо атомов, ионов или молекул в кристалле изобразить точки как центры тяжести этих частиц, то получится трехмерное регулярное распределение таких точек, называемое кристаллической решеткой. Сами точки называют узлами кристаллической решетки.
Типы кристаллических решеток
В зависимости от того, из каких частицы построена кристаллическая решетка и каков характер химической связи между ними, выделяют различные типы кристаллов.
Ионные кристаллы образованы катионами и анионами (например, соли и гидроксиды большинства металлов). В них между частицами имеется ионная связь.
Ионные кристаллы могут состоять из одноатомных
ионов. Так построены кристаллы хлорида натрия
, иодида калия, фторида кальция.
В образовании ионных кристаллов многих солей участвуют одноатомные катионы металлов и многоатомные анионы, например, нитрат-ион NO 3 − , сульфат-ион SO 4 2− , карбонат-ион CO 3 2− .
В ионном кристалле невозможно выделить одиночные молекулы. Каждый катион притягивается к каждому аниону и отталкивается от других катионов. Весь кристалл можно считать огромной молекулой. Размеры такой молекулы не ограничены, поскольку она может расти, присоединяя новые катионы и анионы.
Большинство ионных соединений кристаллизуется по одному из структурных типов, которые отличаются друг от друга значением координационного числа, то есть числом соседей вокруг данного иона (4, 6 или 8). Для ионных соединений с равным числом катионов и анионов известно четыре основных типа кристаллических решеток: хлорида натрия (координационное число обоих ионов равно 6), хлорида цезия (координационное число обоих ионов равно 8), сфалерита и вюрцита (оба структурных типа характеризуются координационном числом катиона и аниона, равным 4). Если число катионов вдвое меньше числа анионов, то координационное число катионов должно быть вдвое больше координационного числа анионов. В этом случае реализуются структурные типы флюорита (координационные числа 8 и 4), рутила (координационные числа 6 и 3), кристобалита (координационные числа 4 и 2).
Обычно ионные кристаллы твердые, но хрупкие. Их хрупкость обусловлена тем, что даже при небольшой деформации кристалла катионы и анионы смещаются таким образом, что силы отталкивания между одноименными ионами начинают преобладать над силами притяжения между катионами и анионами, и кристалл разрушается.
Ионные кристаллы отличаются высокими температурами плавления. В расплавленном состоянии вещества, образующие ионные кристаллы, электропроводны. При растворении в воде эти вещества диссоциируют на катионы и анионы, и образующиеся растворы проводят электрический ток.
Высокая растворимость в полярных растворителях, сопровождающаяся электролитической диссоциацией обусловлена тем, что в среде растворителя с высокой диэлектрической проницаемостью ε уменьшается энергия притяжения между ионами. Диэлектрическая проницаемость воды в 82 раза выше, чем вакуума (условно существующего в ионном кристалле), во столько же раз уменьшается притяжение между ионами в водном растворе. Эффект усиливается за счет сольватации ионов.
Атомные кристаллы состоят из отдельных атомов, объединенных ковалентными связями. Из простых веществ только бор и элементы IVA-группы имеют такие кристаллические решетки. Нередко соединения неметаллов друг с другом (например, диоксид кремния) также образуют атомные кристаллы.
Так же как и ионные, атомные кристаллы можно считать гигантскими молекулами. Они очень прочные и твердые, плохо проводят теплоту и электричество. Вещества, имеющие атомные кристаллические решетки, плавятся при высоких температурах. Они практически нерастворимы в каких-либо растворителях. Для них характерна низкая реакционная способность.
Молекулярные кристаллы построены из отдельных молекул, внутри которых атомы соединены ковалентными связями. Между молекулами действуют более слабые межмолекулярные силы. Они легко разрушаются, поэтому молекулярные кристаллы имеют низкие температуры плавления, малую твердость, высокую летучесть. Вещества, образующие молекулярные кристаллические решетки, не обладают электрической проводимостью, их растворы и расплавы также не проводят электрический ток.
Межмолекулярные силы возникают за счет электростатического взаимодействия отрицательно заряженных электронов одной молекулы с положительно заряженными ядрами соседних молекул. На силу межмолекулярного взаимодействия влияет много факторов. Важнейшими среди них является наличие полярных связей, то есть смещения электронной плотности от одних атомов к другим. Кроме того, межмолекулярное взаимодействие проявляется сильнее между молекулами с большим числом электронов.
Большинство неметаллов в виде простых веществ (например, иод I 2 , аргон Ar, сера S 8) и соединений друг с другом (например, вода, диоксид углерода, хлороводород), а также практически все твердые органические вещества образуют молекулярные кристаллы.
Для металлов характерна металлическая кристаллическая решетка. В ней имеется металлическая связь между атомами. В металлических кристаллах ядра атомов расположены таким образом, чтобы их упаковка была как можно более плотной. Связь в таких кристаллах является делокализованной и распространяется на весь кристалл. Металлические кристаллы обладают высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, металлическим блеском и непрозрачностью, легкой деформируемостью.
Классификация кристаллических решеток отвечает предельным случаям. Большинство кристаллов неорганических веществ принадлежит к промежуточным типам - ковалентно-ионным, молекулярно-ковалентным и т.д. Например, в кристалле графита внутри каждого слоя связи ковалентно-металлические, а между слоями - межмолекулярные.
Изоморфизм и полиморфизм
Многие кристаллические вещества имеют одинаковые структуры. В то же время одно и то же вещество может образовывать разные кристаллические структуры. Это находит отражение в явлениях изоморфизма и полиморфизма .
Изоморфизм заключается в способности атомов, ионов или молекул замещать друг друга в кристаллических структурах. Этот термин (от греческих "изос " - равный и "морфе " - форма) был предложен Э. Мичерлихом в 1819 г. Закон изоморфизма бы сформулирован Э. Мичерлихом в 1821 г. таким образом: "Одинаковые количества атомов, соединенные одинаковым способом, дают одинаковые кристаллические формы; при этом кристаллическая форма не зависит от химической природы атомов, а определяется только их числом и относительным положением".
Работая в химической лаборатории Берлинского университета, Мичерлих обратил внимание на полное сходство кристаллов сульфатов свинца, бария и стронция и близость кристаллических форм многих других веществ. Его наблюдения привлекли внимание известного шведского химика Й.-Я. Берцелиуса , который предложил Мичерлиху подтвердить замеченные закономерности на примере соединений фосфорной и мышьяковой кислот. В результате проведенного исследования был сделан вывод, что "две серии солей различаются лишь тем, что в одной в качестве радикала кислоты присутствует мышьяк, а в другой - фосфор". Открытие Мичерлиха очень скоро привлекло внимание минералогов, начавших исследования по проблеме изоморфного замещения элементов в минералах.
При совместной кристаллизации веществ, склонных к изоморфизму (изоморфных веществ), образуются смешанные кристаллы (изоморфные смеси). Это возможно лишь в том случае, если замещающие друг друга частицы мало различаются по размерам (не более 15%). Кроме того, изоморфные вещества должны иметь сходное пространственное расположение атомов или ионов и, значит, сходные по внешней форме кристаллы. К таким веществам относятся, например, квасцы. В кристаллах алюмокалиевых квасцов KAl(SO 4) 2 . 12H 2 O катионы калия могут быть частично или полностью заменены катионами рубидия или аммония, а катионы алюминия - катионами хрома(III) или железа(III).
Изоморфизм широко распространен в природе. Большинство минералов представляет собой изоморфные смеси сложного переменного состава. Например, в минерале сфалерите ZnS до 20% атомов цинка могут быть замещены атомами железа (при этом ZnS и FeS имеют разные кристаллические структуры). С изоморфизмом связано геохимическое поведение редких и рассеянных элементов, их распространение в горных породах и рудах, где они содержатся в виде изоморфных примесей.
Изоморфное замещение определяет многие полезные свойства искусственных материалов современной техники - полупроводников, ферромагнетиков, лазерных материалов.
Многие вещества могут образовывать кристаллические формы, имеющие различные структуру и свойства, но одинаковый состав (полиморфные модификации). Полиморфизм - способность твердых веществ и жидких кристаллов существовать в двух или нескольких формах с различной кристаллической структурой и свойствами при одном и том же химическом составе. Это слово происходит от греческого "полиморфос " - многообразный. Явление полиморфизма было открыто М. Клапротом , который в 1798 г. обнаружил, что два разных минерала - кальцит и арагонит - имеют одинаковый химический состав СаСО 3 .
Полиморфизм простых веществ обычно называют аллотропией, в то же время понятие полиморфизма не относится к некристаллическим аллотропным формам (например, газообразным О 2 и О 3). Типичный пример полиморфных форм - модификации углерода (алмаз, лонсдейлит, графит, карбины и фуллерены), которые резко различаются по свойствам. Наиболее стабильной формой существования углерода является графит, однако и другие его модификации при обычных условиях могут сохраняться сколь угодно долго. При высоких температурах они переходят в графит. В случае алмаза это происходит при нагревании выше 1000 o С в отсутствие кислорода. Обратный переход осуществить гораздо труднее. Необходима не только высокая температура (1200-1600 o С), но и гигантское давление - до 100 тысяч атмосфер. Превращение графита в алмаз проходит легче в присутствии расплавленных металлов (железа, кобальта, хрома и других).
В случае молекулярных кристаллов полиморфизм проявляется в различной упаковке молекул в кристалле или в изменении формы молекул, а в ионных кристаллах - в различном взаимном расположении катионов и анионов. Некоторые простые и сложные вещества имеют более двух полиморфных модификаций. Например, диоксид кремния имеет десять модификаций, фторид кальция - шесть, нитрат аммония - четыре. Полиморфные модификации принято обозначать греческими буквами α, β, γ, δ, ε,... начиная с модификаций, устойчивых при низких температурах.
При кристаллизации из пара, раствора или расплава вещества, имеющего несколько полиморфных модификаций, сначала образуется модификация, менее устойчивая в данных условиях, которая затем превращается в более устойчивую. Например, при конденсации пара фосфора образуется белый фосфор, который в обычных условиях медленно, а при нагревании быстрее превращается в красный фосфор. При обезвоживании гидроксида свинца вначале (около 70 o С) образуется менее устойчивый при низких температурах желтый β-PbO, около 100 o С он превращается в красный α-PbO, а при 540 o С - снова в β-PbO.
Переход одной полиморфной модификации в другую называется полиморфными превращениями. Эти переходы происходят при изменении температуры или давления и сопровождаются скачкообразным изменением свойств.
Процесс перехода одной модификации в другую может быть обратимым или необратимым. Так, при нагревании белого мягкого графитоподобного вещества состава BN (нитрид бора) при 1500-1800 o С и давлении в несколько десятков атмосфер образуется его высокотемпературная модификация - боразон , по твердости близкий к алмазу. При понижении температуры и давления до значений, отвечающих обычным условиям, боразон сохраняет свою структуру. Примером обратимого перехода может служить взаимные превращения двух модификаций серы (ромбической и моноклинной) при 95 o С.
Полиморфные превращения могут проходить и без существенного изменения структуры. Иногда изменение кристаллической структуры вообще отсутствует, например, при переходе α-Fe в β-Fe при 769 o С структура железа не меняется, однако исчезают его ферромагнитные свойства.
