В узлах металлической кристаллической решетки. Атомная кристаллическая решетка

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:

1. Некоторые простые вещества неметаллов: I 2 , P, S (то есть все неметаллы, у которых не атомная решетка).
2. Почти все органические вещества (кроме солей ).
3. 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:

1. прочность, твердость
2. высокие температуры плавления (тугоплавкость)
3. нелетучие вещества
4. 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:

1. Аллотропные модификации углерода (C): алмаз, графит.
2. Бор (B), кремний (Si), германий (Ge).
3. Только две аллотропные модификации фосфора имеют атомную кристаллическую решетку: красный фосфор и черный фосфор. (у белого фосфора – молекулярная кристаллическая решетка).
4. SiC – карборунд (карбид кремния).
5. BN – нитрид бора.
6. Кремнезем, горный хрусталь, кварц, речной песок – все эти вещества имеют состав SiO 2 .
7. 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:

1. тепло- и электропроводность
2. металлический блеск
3. 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.

5. Ионная и металлическая связь. Водородная связь. Валентность

5.4. Типы кристаллических решеток

Вещества в твердом состоянии могут иметь аморфное и кристаллическое строение. В аморфных веществах (стекло, полимеры) расположение частиц неупорядоченное, а в кристаллических структурные единицы (атомы, молекулы или ионы) расположены в строгом порядке.

Под кристаллической решеткой понимается каркас, который образуется, если структурные единицы кристалла соединить воображаемыми прямыми линиями. Точки пересечения этих линий называются узлами кристаллической решетки . В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, а также от типа химической связи между ними различают четыре основных вида (типа) кристаллических решеток: атомную, молекулярную, ионную и металлическую.

Вещества с атомной, ионной и металлической кристаллическими решетками имеют немолекулярное строение

В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы одинаковых или разных химических элементов (как правило, неметаллов), связанных между собой прочными ковалентными связями (см. рис. 16.1 на с. 347). Вещества с атомной решеткой называются атомными или ковалентными кристаллами.

Запомним вещества с атомной кристаллической решеткой: бор, кремний, алмаз, графит, черный и красный фосфор, карборунд SiC, оксид кремния(IV) SiO 2 .

Благодаря высокой энергии ковалентных связей вещества атомного строения имеют очень высокую температуру плавления, высокие твердость и прочность, низкую растворимость; как правило, являются диэлектриками или полупроводниками (кремний, германий). Самое твердое природное вещество - алмаз (температура плавления 3500 °С), самое тугоплавкое - графит (3700 °С); высокую температуру плавления имеют карборунд SiC (2700 °С) и кремнезем SiO 2 (1610 °С).

В узлах молекулярных кристаллов (веществ с молекулярной кристаллической решеткой, молекулярного строения) находятся молекулы (рис. 5.7, а ). Между собой молекулы связаны слабыми межмолекулярными силами (не путайте: в молекулах связь ковалентная, т.е. прочная), для разрыва которых требуется сравнительно немного энергии. Поэтому молекулярные вещества имеют небольшую прочность, малую твердость, значительную сжимаемость, низкие температуры плавления и кипения. Для них характерна летучесть, многие имеют запах, некоторые возгоняются. Молекулярные кристаллы не проводят электрический ток, могут быть растворимы в полярных и неполярных растворителях.

Молекулярную кристаллическую решетку имеют большинство веществ с ковалентной полярной или неполярной связью, за исключением перечисленных выше веществ атомного строения. Молекулярное строение более характерно для органических веществ. Примеры веществ молекулярного строения: благородные газы (для них понятия атом и молекула идентичны, можно сказать, что благородные газы состоят из одноатомных молекул), галогены (в твердом состоянии), белый фосфор P 4 , ромбическая и моноклинная сера S 8 , твердые кислород, озон, азот, вода, галогеноводороды, алканы, бензол.

Рис. 5.7. Строение кристаллической решетки углекислого газа (CO 2) в твердом состоянии (а ) и хлорида натрия (б )

Все вещества с ионной связью образуют ионные кристаллические решетки , имеют ионное строение. Это соли, основные и амфотерные оксиды, основания, бинарные соединения металлов с неметаллами (гидриды, нитриды и т.д.). В узлах ионных кристаллов находятся противоположно заряженные простые или сложные катионы и анионы, связанные между собой прочной ионной связью (рис. 5.7, б ).Благодаря прочности ионной связи ионные кристаллы обладают большой твердостью, нелетучи и не имеют запаха, для них характерны высокие температуры кипения и плавления. При комнатной температуре ионные вещества плохо проводят электрический ток и теплоту, многие хорошо растворимы в полярных растворителях, их водные растворы и расплавы проводят электрической ток (электролиты). Для ионных веществ характерны слабая деформируемость и хрупкость, так как при смещении ионов относительно друг друга между одноименно заряженными ионами возникают силы отталкивания.

Вещества с металлической связью образуют металлические кристаллические решетки (металлические кристаллы), в которых (см. рис. 5.1) связь обеспечивается свободными электронами (электронным газом).

По этой причине простые вещества металлы (и их сплавы) имеют характерный металлический блеск, очень высокие тепло- и электропроводность, они непрозрачные, ковкие и пластичные. У металлов наблюдается большой разброс температур плавления (например, при обычных условиях ртуть находится в жидком агрегатном состоянии), твердости (мягкий свинец и очень твердый хром), что обусловлено некоторыми различиями в характере металлической связи разных металлов. Как уже отмечалось, мерой прочности металлической связи может служить температура плавления металлов: чем выше t пл, тем энергия металлической связи больше. Температура плавления металлов повышается в ряду:

ртуть → щелочные металлы → щелочноземельные металлы →

→ металлы d -семейства → вольфрам.

Пример 5.4. Среди соединений хлора с элементами 3-го периода наименьшую температуру плавления имеет:

Решение. Искомое вещество - SCl 2 , так как оно имеет молекулярную кристаллическую решетку (все другие вещества - ионную).

Твердые вещества, как правило, имеют кристаллическое строение. Оно характеризуется правильным расположением частиц в строго определенных точках пространства. При мысленном соединении этих точек пересекающимися прямыми линиями образуется пространственный каркас, который называюткристаллической решеткой . Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки . В узлах воображаемой решетки могут находиться ионы, атомы или молекулы. Они совершают колебательные движения. С повышением температуры амплитуда колебаний возрастает, что проявляется в тепловом расширении тел.

В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают 4 вида кристаллических решеток: ионные (NaCl, KCl), атомные, молекулярные и металлические.

Кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются ионными . Их образуют вещества с ионной связью. Примером может служить кристалл хлорида натрия, в котором каждый ион натрия окружен 6 хлорид-ионами, а каждый хлорид-ион 6 ионами-натрия.

Кристаллическая решетка NaCl

Число ближайших соседних частиц, вплотную примыкающих к данной частице в кристалле или отдельной молекуле называется координационным число .

В решетке NaCl координационные числа обоих ионов равны 6. И так, в кристалле NaCl нельзя выделить отдельные молекулы соли. Их нет. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую макромолекулу, состоящую из равного числа ионов Na + и Cl - , Na n Cl n – где n большое число. Связи между ионами в таком кристалле весьма прочны. Поэтому вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью. Они тугоплавки и малолетучи.

Плавление ионных кристаллов приводит к нарушению геометрически правильной ориентации ионов относительно друг друга и уменьшению прочности связи между ними. Поэтому расплавы их проводят электрический ток. Ионные соединения, как правило, легко растворяются в жидкостях, состоящих из полярных молекул, например, воде.

Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называются атомными . Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями. Примером может служить алмаз - одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с 4 соседними атомами. Координационное число углерода в алмазе равно 4. Вещества с атомной кристаллической решеткой имеют высокую температуру плавления (у алмаза свыше 3500 о С), прочны и тверды, практически не растворимы в воде.

Кристаллические решетки, состоящие из молекул (полярных и неполярных), называются молекулярными . Молекулы в таких решетках соединены между собой сравнительно слабыми межмолекулярными силами. Поэтому вещества с молекулярной решеткой имеют малую твердость и низкую температуру плавления, нерастворимы или малорастворимы в воде, их растворы почти не проводят электрический ток. Примерами их являются лед, твердый СО 2 («сухой лед»), галогены, кристаллы водорода, кислорода, азота, благородных газов и др.

Валентность

Важной количественной характеристикой, показывающей число взаимодействующих между собой атомов в образовавшейся молекуле, является валентность – свойство атомов одного элемента присоединять определенное число атомов других элементов.

Количественно валентность определяется числом атомов водорода, которое данный элемент может присоединять или замещать. Так, например, в плавиковой кислоте (HF) фтор одновалентен, в аммиаке (NH 3) азот трехвалентен, в кремневодороде (SiH 4 – силан) кремний четырехвалентен и т.д.

Позже, с развитием представлений о строении атомов, валентность элементов стали связывать с числом неспаренных электронов (валентных), благодаря которым осуществляется связь между атомами. Таким образом, валентностьопределяется числом неспаренных электронов в атоме, принимающих участие в образовании химической связи (в основном или возбужденном состоянии). В общем случае валентность равна числу электронных пар, связывающих данный атом с атомами других элементов.

С древнейших времен металлы играют огромную роль в развитии человечества. Внедрение их в повседневную жизнь произвело настоящую революцию как в способах обработки материалов, так и в восприятии человеком окружающей действительности. Современная промышленность и сельское хозяйство, транспорт и инфраструктура невозможны без применения металлов, использования их полезных качеств и свойств. Эти качества, в свою очередь, определяются внутренней структурой данного класса химических соединений, в основе которой лежит кристаллическая решетка.

Понятие и сущность кристаллической решетки

С точки зрения внутреннего устройства любое вещество может находиться в одном из трех состояний - жидком, газообразном и твердом. При этом именно последнее характеризуется наибольшей устойчивостью, что обусловлено тем, что кристаллическая решетка подразумевает не только четкое расположение атомов или молекул в строго определенных местах, но и необходимость приложения достаточно большой силы, чтобы связи между этими элементарными частицами разорвать.

Особенности ионной решетки

Структура любого вещества, находящегося в твердом состоянии, обязательно предполагает периодическую повторяемость молекул и атомов сразу в трех измерениях. При этом в зависимости от того, что находится в узловых пунктах, кристаллическая решетка может быть ионной, атомной, молекулярной и металлической. Что касается первой разновидности, то здесь базовыми компонентами служат разнополярно заряженные ионы, между которыми возникают и действуют так называемые кулоновские силы. При этом сила взаимодействия находится в прямой зависимости от радиусов заряженных частиц.

Такая решетка представляет собой сложную систему, состоящую из катионов металла, в пространстве между которыми перемещаются отрицательно заряженные электроны. Именно наличие этих элементарных частиц придает решетке устойчивость и твердость, ибо они служат своеобразными компенсаторами для положительно заряженных катионов.

Сила и слабость атомной решетки

Достаточно интересной с точки зрения строения является атомная кристаллическая решетка. Уже из названия можно сделать вывод, что в ее узлах располагаются атомы, удерживающиеся за счет ковалентных связей. Многие ученые в последние годы относят данный тип взаимодействия к семейству неорганических полимеров, так как строение данной молекулы во многом определяется валентностью входящих в ее состав атомов.

Основные характеристики молекулярной решетки

Молекулярная кристаллическая решетка является наименее устойчивой из всех представленных. Все дело в том, что уровень взаимодействия находящихся в ее узлах молекул крайне низкий, а энергетический потенциал определяется целым рядом факторов, основную роль в которых играют дисперсионные, индукционные и ориентационные силы.

Влияние кристаллической решетки на свойства объектов

Таким образом, кристаллическая решетка во многом определяет свойства того или иного вещества. Например, атомные кристаллы плавятся при чрезвычайно высокой температуре и обладают повышенной твердостью, а вещества с металлической решеткой являются прекрасными проводниками

Твердые вещества, как правило, имеют кристаллическое строение. Оно характеризуется правильным расположением частиц в строго определенных точках пространства. При мысленном соединении этих точек пересекающимися прямыми линиями образуется пространственный каркас, который называют кристаллической решеткой .

Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки . В узлах воображаемой решетки могут находиться ионы, атомы или молекулы. Они совершают колебательные движения. С повышением температуры амплитуда колебаний возрастает, что проявляется в тепловом расширении тел.

В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные , атомные , молекулярные и металлические .

Кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются ионными . Их образуют вещества с ионной связью. Примером может служит кристалл хлорида натрия, в котором, как уже отмечалось, каждый ион натрия окружен шестью хлорид-ионами, а каждый хлорид-ион — шестью ионами натрия. Такому расположению соответствует наиболее плотная упаковка, если ионы представить в виде шаров, размещенных в кристалле. Очень часто кристаллические решетки изображают, как показано на рис , где указывается только взаимное расположение частиц, но не их размеры.

Число ближайших соседних частиц, вплотную примыкающих к данной частице в кристалле или в отдельной молекуле, называется координационным числом .

В решетке хлорида натрия координационные числа обоих ионов равны 6. Итак, в кристалле хлорида натрия нельзя выделить отдельные молекулы соли. Их нет. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую макромолекулу, состоящую из равного числа ионов Na + и Cl — , Na n Cl n , где n — большое число. Связи между ионами в таком кристалле весьма прочны. Поэтому вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью. Они тугоплавки и малолетучи.

Плавление ионных кристаллов приводит к нарушению геометрически правильной ориентации ионов относительно друг друга и уменьшению прочности связи между ними. Поэтому расплавы их проводят электрический ток. Ионные соединения, как правило, легко растворяются в жидкостях, состоящих из полярных молекул, например в воде.

Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называются атомными . Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями. Примером может служить алмаз — одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами. Координационное число углерода в алмазе 4 . В решетке алмаза, как и в решетке хлорида натрия, молекулы отсутствуют. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую молекулу. Атомная кристаллическая решетка характерна для твердого бора, кремния, германия и соединений некоторых элементов с углеродом и кремнием.

Кристаллические решетки, состоящие из молекул (полярных и неполярных), называются молекулярными .

Молекулы в таких решетках соединены между собой сравнительно слабыми межмолекулярными силами. Поэтому вещества с молекулярной решеткой имеют малую твердость и низкие температуры плавления, нерастворимы или малорастворимы в воде, их растворы почти не проводят электрический ток. Число неорганических веществ с молекулярной решеткой невелико.

Примерами их являются лед, твердый оксид углерода (IV) ("сухой лед"), твердые галогеноводороды, твердые простые вещества, образованные одно- (благородные газы), двух- (F 2 , Сl 2 , Br 2 , I 2 , Н 2 , О 2 , N 2), трех- (О 3), четырех- (Р 4), восьми- (S 8) атомными молекулами. Молекулярная кристаллическая решетка йода показана на рис . Большинство кристаллических органических соединений имеют молекулярную решетку.