Кристаллические решетки Тип решетки Виды частиц в узлах решетки Вид связи между частицами Примеры веществ Физические свойства веществ Ионная ИоныИонная Это бинарные соединения металлов (I А и II A), соли, оксиды и гидроксиды типичных металлов. Твердые, прочные, нелетучие, хрупкие, тугоплавкие, многие растворимы в воде, растворы и расплавы проводят электрический ток.
Кристаллические решетки Тип решетки Виды частиц в узлах решетки Вид связи между частицами Примеры веществ Физические свойства веществ Атомная Атомы 1. Ковалентная неполярная - связь очень прочная 2. Ковалентная полярная - связь прочная Простые вещества: алмаз (C), графит (C), бор (B), кремний (Si), красный фосфор. Сложные вещества: оксид алюминия (Al 2 O 3), оксид кремния (IY) -SiO 2. Очень твердые, тугоплавкие, нелетучие, не растворимы в воде.
Кристаллические решетки Тип решетки Виды частиц в узлах решетки Вид связи между частицами Примеры веществ Физические свойства веществ Молеку лярная Молеку лы Между молекулами- слабые силы межмолекулярного притяжения, а внутри молекул прочная ковалентная связь. Твердые вещества при низких температурах. При обычных - газы или жидкости – О 2, Н 2, Cl 2, N 2, Br 2, H 2 O, CO 2, HCl, благородные газы, сера, белый фосфор Р 4, йод; органические вещества. Непрочные, летучие, легкоплавкие, имеют небольшую твердость.
Кристаллические решетки Тип решетки Виды частиц в узлах решетки Вид связи между частицами Примеры веществ Физические свойства веществ Металл ическая Атомы, ионы Металлич еская, разной прочности Металлы и сплавы. Металлы, которые находятся в I A, II A, IIIA (кроме бора), а металлы побочных подгрупп Ковкие, обладают металлическим блеском, тепло - и электропроводностью
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.)
Большинство твердых веществ имеют кристаллическую структуру , в которой частицы, из которых она «построена» находятся в определенном порядке, создавая тем самым кристаллическую решетку . Она строится из повторяющихся одинаковых структурных единиц - элементарных ячеек , которая связывается с соседними ячейками, образуя дополнительные узлы. В результате существует 14 различных кристаллических решеток.
В зависимости от частиц, которые стоят в узлах решетки, различают:
Ионные кристаллы обладают повышенной хрупкостью, т.к. сдвиг в решетке кристалла (даже незначительный) приводит к тому, что одноименно заряженные ионы начинают отталкиваться друг от друга, и связи рвутся, образуются трещины и расколы.
Основная особенность межмолекулярной связи заключается в ее «слабости» (ван-дер-ваальсовые, водородные).
Это структура льда. Каждая молекула воды связана водородными связями с 4-мя окружающими ее молекулами, в результате структура имеет тетраэдрический характер.
Водородная связь объясняет высокую температуру кипения, плавления и малую плотность;
В узлах кристаллической решетки находятся атомы. Эти кристаллы разделяются на 3 вида:
Каркасной структурой обладает алмаз - одно их самых твердых веществ в природе. Атом углерода образует 4 одинаковые ковалентные связи, что говорит о форме правильного тетраэдра (sp 3 - гибридизация). Каждый атом имеет неподеленную пару электронов, которые также могут связываться с соседними атомами. В результате чего образуется трехмерная решетка, в узлах которой только атомы углерода.
Энергии для разрушения такой структуры требуется очень много, температура плавления таких соединений высока (у алмаза она составляет 3500°С).
Слоистые структуры говорят о наличии ковалентных связях внутри каждого слоя и слабых ван-дер-ваальсовых - между слоями.
Рассмотрим пример: графит. Каждый атом углерода находится в sp 2 - гибридизации. 4-ый неспаренный электрон образует ван-дер-ваальсовую связь между слоями. Поэтому 4ый слой очень подвижен:
Связи слабые, поэтому их легко разорвать, что можно наблюдать у карандаша - «пишущее свойство» - 4ый слой остается на бумаге.
Графит - отличный проводник электрического тока (электроны способны перемещаться вдоль плоскости слоя).
Цепочечными структурами обладают оксиды (например, SO 3 ), который кристаллизуется в виде блестящих иголок, полимеры, некоторые аморфные вещества, силикаты (асбест).
Твердые кристаллы можно представить как трехмерные конструкции, в которых четко повторяется один и тот же структуры во всех направлениях. Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена их строго закономерным внутренним строением. Если центры притяжения , ионов или молекул в кристалле изобразить в виде точек, то получим трехмерное регулярное распределение таких точек, которое называется кристаллической решеткой, а сами точки — узлы кристаллической решетки. Определенная внешняя форма кристаллов является следствием их внутренней структуры, которая связана именно с кристаллической решеткой.
Кристаллическая решетка — это воображаемый геометрический образ для анализа строения кристаллов, который представляет собой объемно-пространственную сетчатую структуру, в узлах которой располагаются атомы, ионы или молекулы вещества.
Для характеристики кристаллической решетки используют следующие параметры:
Основой кристаллической решетки является элементарная ячейка, которая повторяется в кристалле бесконечное количество раз.
Элементарная ячейка — это наименьшая структурная единица кристаллической решетки, которая обнаруживает все свойства ее симметрии.
Упрощенно элементарную ячейку можно определить как малую часть кристаллической решетки, которая еще выявляет характерные особенности ее кристаллов. Признаки элементарной ячейки описываются с помощью трех правил Бреве:
Для описания формы кристаллов используют систему трех кристаллографических осей а, b, с, которые отличаются от обычных координатных осей тем, что они являются отрезками определенной длины, углы между которыми a, b, g могут быть как прямыми, так и непрямыми.
Модель кристаллической структуры: а) кристаллическая решетка с выделенной элементарной ячейкой; б) элементарная ячейка с обозначениями гранных углов
Форму кристалла изучает наука геометрическая кристаллография, одним из основных положений которой является закон постоянства гранных углов: для всех кристаллов данного вещества углы между соответствующими гранями всегда остаются одинаковыми.
Если взять большое количество элементарных ячеек и заполнить ими плотно друг к другу определенный объем, сохраняя параллельность граней и ребер, то образуется монокристалл идеальной строения. Но на практике чаще всего встречаются поликристаллов, в которых регулярные структуры существуют в определенных пределах, по которым ориентация регулярности резко меняется.
В зависимости от соотношения длин ребер а, b, с и углов a, b, g между гранями элементарной ячейки различают семь систем — так называемых сингоний кристаллов. Однако элементарная ячейка может быть построенной и таким образом, что она имеет дополнительные узлы, которые размещаются внутри ее объема или на всех ее гранях — такие решетки называются соответственно объемноцентрированными и гранецентрированными. Если дополнительные узлы находятся только на двух противоположных гранях (верхний и нижний), то это базоцентрированная решетка. С учетом возможности дополнительных узлов существует всего 14 типов кристаллических решеток.
Внешняя форма и особенности внутреннего строения кристаллов определяются принципом плотной «упаковки»: наиболее устойчивой, а потому и наиболее вероятной структурой будет такая, которая соответствует наиболее плотному расположению частиц в кристалле и в которой остается наименьшее по объему свободное пространство.
В зависимости от природы частиц, содержащихся в узлах кристаллической решетки, а также от природы химических связей между ними, различаются четыре основных типа кристаллических решеток.
Ионные решетки построены из разноименных ионов, расположенных в узлах решетки и связанные силами электростатического притяжения. Поэтому структура ионной кристаллической решетки должна обеспечить ее электронейтральность. Ионы могут быть простыми (Na + , Cl —) или сложными (NH 4 + , NO 3 —). Вследствие ненасыщенности и ненаправленности ионной связи ионные кристаллы характеризуются большими координационными числами. Так, в кристаллах NaCl координационные числа ионов Na + и Cl — равна 6, а ионов Cs + и Cl — в кристалле CsCl — 8, поскольку один ион Cs + окружен восемью ионами Cl — , а каждый ион — Cl — соответственно восемью ионами Cs + . Ионные кристаллические решетки образуются большим количеством солей, оксидов и оснований.
Примеры ионных кристаллических решеток: а) NaCl; б) CsCl
Вещества с ионными кристаллическими решетками имеют сравнительно высокую твердость, они достаточно тугоплавкие, нелетучие. В отличие от ионные соединения очень хрупкие, поэтому даже небольшой сдвиг в кристаллической решетке приближает друг к другу одноименно заряженные ионы, отталкивания между которыми приводит к разрыву ионных связей и как следствие — к появлению в кристалле трещин или к его разрушению. В твердом состоянии вещества с ионной кристаллической решеткой относятся к диэлектрикам и не проводят электрический ток. Однако при расплавлении или растворении в полярных растворителях нарушается геометрически правильная ориентировка ионов относительно друг друга, сначала ослабляются, а затем разрушаются химические связи, поэтому меняются и свойства. Как следствие, электрический ток начинают проводить как расплавы ионных кристаллов, так и их растворы.
Эти решетки построены из атомов, соединенных между собой . Они, в свою очередь, делятся на три типа: каркасные, слоистые и цепочечные структуры.
Каркасную структуру имеет, например, алмаз — одно из самых твердых веществ. Благодаря sp 3 -гибридизации атома углерода строится трехмерная решетка, которая состоит исключительно из атомов углерода, соединенных ковалентными неполярными связями, оси которых размещаются под одинаковыми валентными углами (109,5 o).
Каркасная структура атомной кристаллической решетки алмаза
Слоистые структуры можно рассматривать как огромные двумерные молекулы. Для слоистых структур присущи ковалентные связи внутри каждого слоя и слабое вандерваальсовское взаимодействие между соседними слоями.
Слоистые структуры атомных кристаллических решеток: а) CuCl 2 ; б) PbO. На моделях с помощью очертаний параллелепипедов выделены элементарные ячейки
Классическим примером вещества со слоистой структурой является графит, в котором каждый атом углерода находится в состоянии sp 2 -гибридизации и образует в одной плоскости три ковалентные s-связи с тремя другими атомами С. Четвертые валентные электроны каждого атома углерода являются негибридизированными, за их счет образуются очень слабые вандерваальсовские связи между слоями. Поэтому при приложении даже небольшого усилия, отдельные слои легко начинают скользить друг вдоль друга. Этим объясняется, например, свойство графита писать. В отличие от алмаза графит хорошо проводит электричество: под воздействием электрического поля нелокализованные электроны могут перемещаться вдоль плоскости слоев, и, наоборот, в перпендикулярном направлении графит почти не проводит электрического тока.
Слоистая структура атомной кристаллической решетки графита
Цепочечные структуры характерны, например, для оксида серы (SO 3) n , киновари HgS, хлорида бериллия BeCl 2 , а также для многих аморфных полимеров и для некоторых силикатных материалов, таких, как асбест.
Цепная структура атомной кристаллической решетки HgS: а) проекция сбоку б) фронтальная проекция
Веществ с атомной строением кристаллических решеток сравнительно немного. Это, как правило, простые вещества, образованные элементами IIIА- и IVA-подгрупп (Si, Ge, B, C). Нередко соединения двух разных неметаллов имеют атомные решетки, например, некоторые полиморфные модификации кварца (оксид кремния SiO 2) и карборунда (карбид кремния SiC).
Все атомные кристаллы отличаются высокой прочностью, твердостью, тугоплавкостью и нерастворимостью практически ни в одном растворителе. Такие свойства обусловлены прочностью ковалентной связи. Вещества с атомной кристаллической решеткой имеют широкий диапазон электрической проводимости от изоляторов и полупроводников до электронных проводников.
Атомные кристаллические решетки некоторых полиморфных модификации карборунда — карбида кремния SiC
Эти кристаллические решетки содержат в узлах атомы и ионы металлов, между которыми свободно движутся общие для них всех электроны (электронный газ), которые образуют металлическую связь. Особенность кристаллических решеток металлов заключается в больших координационных числах (8-12), которые свидетельствуют о значительной плотность упаковки атомов металлов. Это объясняется тем, что «остовы» атомов, лишены внешних электронов, размещаются в пространстве как шарики одинакового радиуса. Для металлов чаще всего встречаются три типа кристаллических решеток: кубическая гранецентрированная с координационным числом 12 кубическая объемноцентрированная с координационным числом 8 и гексагональная, плотной упаковки с координационным числом 12.
Особые характеристики металлического связи и металлических решеток обусловливают такие важнейшие свойства металлов, как высокие температуры плавления, электро- и теплопроводность, ковкость, пластичность, твердость.
Металлические кристаллические решетки: а) кубическая объемноцентрированная (Fe, V, Nb, Cr) б) кубическая гранецентрированная (Al, Ni, Ag, Cu, Au) в) гексагональная (Ti, Zn, Mg, Cd)
Молекулярные кристаллические решетки содержат в узлах молекулы, соединенные между собой слабыми межмолекулярными силами — вандерваальсовскими или водородными связями. Например, лед состоит из молекул воды, удерживающихся в кристаллической решетке водородными связями. К тому же типу относятся кристаллические решетки многих веществ, переведенных в твердое состояние, например: простые вещества Н 2 , О 2 , N 2 , O 3 , P 4 , S 8 , галогены (F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2), «сухой лед» СО 2 , все благородные газы и большинство органических соединений.
Молекулярные кристаллические решетки: а) йод I2 ; б) лед Н2О
Поскольку силы межмолекулярного взаимодействия слабее, чем силы ковалентной или металлической связи, молекулярные кристаллы имеют небольшую твердость; они легкоплавкие и летучие, нерастворимые в и не проявляют электропроводности.
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.
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.
