Темы кодификатора ЕГЭ:
Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решетки. Зависимость свойств веществ от их состава и строения.
Как известно, все вещества состоят из частиц — атомов, которые могут располагаться хаотично или в определенном порядке. У аморфных веществ частицы расположены беспорядочно, а у кристаллических они образуют определенную структуру. Эта структура называется кристаллической решеткой. Она определяет такие характеристики вещества, как твердость, хрупкость, температура кипения и/или плавления, пластичность, растворимость, электропроводность и т. д.
Кристаллическая решетка
— это внутренняя структура кристалла, порядок взаимного расположения атомов, ионов или молекул. Точки, в которых находятся эти частицы, называются узлами решетки.
Частицы удерживаются на своих местах благодаря химическим связям
между ними. В зависимости от того, какой вид связи удерживает атомы или ионы данного вещества, в химии выделяют основные типы кристаллических решеток:
атомная (ковалентные связи),
молекулярная (ковалентные связи и притяжение между молекулами),
металлическая (металлические связи),
ионная (ионные связи).
Не путайте эти два понятия — кристаллическая решетка и химическая связь. Тип решетки говорит о том, как расположены атомы/ионы в молекуле вещества, а тип связи — по какому принципу они между собой взаимодействуют.
Лучшие университеты для поступления в 2024 году
Перечень вузов России с рекомендациями, как пройти на бюджет
Все молекулы состоят из мельчайших частиц – атомов. Все открытые на настоящий момент атомы собраны в таблице Менделеева.
– это мельчайшая, химически неделимая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Атомы соединяются между собой химическими связями
. Ранее мы уже рассматривали виды химических связей и их свойств
а. Обязательно изучите теорию по теме: Типы химических связей, перед тем, как изучать эту статью!
Теперь рассмотрим, как могут соединяться частицы в веществе.
В зависимости от расположения частиц друг относительно друга свойства образуемых ими веществ могут очень сильно различаться. Так, если частицы расположены друг от друга далеко
(расстояние между частицами намного больше размеров самих частиц), между собой практически не взаимодействуют, перемещаются в пространстве хаотично и непрерывно, то мы имеем дело с .
Если частицы расположены близко
друг к другу, но хаотично
, больше взаимодействуют между собой
, совершают интенсивные колебательные движения в одном положении, но могут перескакивать в другое положение, то это модель строения .
Если же частицы расположены близко
к друг другу, но более упорядоченно
, и больше взаимодействуют
между собой, а двигаются только в пределах одного положения равновесия, практически не перемещаясь в другие положения, то мы имеем дело с
.
Большинство известных химических веществ и смесей могут существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Самый простой пример – это вода
. При нормальных условиях она жидкая
, при 0 о
С она замерзает – переходит из жидкого состояния в твердое
, и при 100 о
С закипает – переходит в газовую фазу
– водяной пар. При этом многие вещества при нормальных условиях – газы, жидкости или твердые. Например, воздух – смесь азота и кислорода – это газ при нормальных условиях. Но при высоком давлении и низкой температуре азот и кислород конденсируются и переходят в жидкую фазу. Жидкий азот активно используют в промышленности. Иногда выделяют плазму
, а также жидкие кристаллы,
как отдельные фазы.
Очень многие свойства индивидуальных веществ и смесей объясняются взаимным расположением частиц в пространстве друг относительно друга!
Данная статья рассматривает свойства твердых тел
, в зависимости от их строения. Основные физические свойства твердых веществ: температура плавления, электропроводность, теплопроводность, механическая прочность, пластичность и др.
– это такая температура, при которой вещество переходит из твердой фазы в жидкую, и наоборот.
– это способность вещества деформироваться без разрушения.
– это способность вещества проводить ток.
Ток – это упорядоченное движение заряженных частиц
. Таким образом, ток могут проводить только такие вещества, в которых присутствуют подвижные заряженные частицы
. По способности проводить ток вещества делят на проводники и диэлектрики. Проводники – это вещества, которые могут проводить ток (т.е. содержат подвижные заряженные частицы). Диэлектрики – это вещества, которые практически не проводят ток.
В твердом веществе частицы вещества могут располагаться хаотично
, либо более упорядоченн
о. Если частицы твердого вещества расположены в пространстве хаотично
, вещество называют . Примеры аморфных веществ – уголь, слюдяное стекло
.
Если частицы твердого вещества расположены в пространстве упорядоченно, т.е. образуют повторяющиеся трехмерные геометрические структуры, такое вещество называют , а саму структуру – . Большинство известных нам веществ – кристаллы. Сами частицы при этом расположены в кристаллической решетки.
Кристаллические вещества различают, в частности, по типу химической связи между частицами
в кристалле – атомные, молекулярные, металлические, ионные; по геометрической форме простейшей ячейки кристаллической решетки – кубическая, гексагональная и др.
В зависимости от типа частиц, образующих кристаллическую решетку
, различают атомную, молекулярную, ионную и металлическую кристаллическую структуру
.
Курсы
«Методы упрочнения материалов»,
«Материалы со специальными свойствами».
Характерные
свойства металлов (
наличие
этих свойств характеризует так называемое
металлическое состояние вещества )
:
1)
высокая тепло- и электропроводность;
2)
положительный температурный коэффициент
электросопротивления (с повышением
температуры электросопротивление
чистых металлов возрастает);
большое число металлов (~ 30) обладает
сверхпроводимостью (у этих металлов
при температуре, близкой к абсолютному
нулю, электросопротивление падает
скачкообразно, практически до нуля);
3)
термоэлектронная эмиссия, т. е. способностью
испускать электроны при нагреве;
4)
хорошая отражательная способность:
металлы непрозрачны и обладают
металлическим блеском;
5)
повышенная способность к пластической
деформации.
Все
металлы и металлические сплавы – тела
кристаллические
,
атомы (ионы) расположены в металлах
закономерно в отличие от аморфных тел,
в которых атомы расположены хаотично.
Металлы
(если их получают обычным способом)
представляют собой поликристаллические
тела, состоящие из большого числа мелких
(10 -1
– 10 -5
см), различно
ориентированных по отношению друг к
другу кристаллов. Вследствие условий
кристаллизации они имеют неправильную
форму и называются кристаллитами или
зернами
.
Потенциал
ионизации для металлов составляет 4–9
эВ, (для неметаллов величина его, как
правило, превышает 10 эВ). Внешние электроны
слабо связаны с ядром и поэтому они
находятся в относительно свободном
состоянии, образуя электронный
газ
.
(Металлическое состояние возникает
в комплексе атомов, когда при их сближении
внешние электроны теряют связь с
отдельными атомами, становятся общими,
т. е. коллективизируются и свободно
перемещаются между положительно
заряженными и периодически расположенными
ионами. Устойчивость металла,
представляющего собой, таким образом,
ионно-электронную систему, определяется
электрическим притяжением между
положительно заряженными ионами и
обобщенными электронами. Такое
взаимодействие между ионным скелетом
и электронным газом получило название
металлической связи
)
.
Приведенные
положения позволяют объяснить
характерные свойства металлов
.
Высокая
электропроводность
металлов объясняется присутствием в
них свободных электронов, которые
перемещаются в потенциальном поле
решетки. С повышением температуры
усиливаются колебания ионов (атомов),
образуются вакансии и нарушается
правильная периодичность потенциального
поля, что затрудняет движение электронов,
в результате чего электросопротивление
возрастает. При низких температурах
колебательное движение ионов (атомов)
сильно уменьшается и электропроводность
возрастает. У некоторых металлов в
результате образования пар электронов,
движущихся упорядоченно при очень
низких температурах (<20К), электропроводность
обращается в бесконечность – явление
сверхпроводимости. Высокая
теплопроводность
металлов обусловливается большой
подвижностью свободных электронов и в
меньшей степени колебательным движением
ионов. Высокая
пластичность
металлов объясняется периодичностью
их атомной структуры и отсутствием
направленности металлической связи
.
В процессе пластической деформации
(ковка, прокатка и т. д.) металла, т. е. при
смещении отдельных его объемов
относительно других, связь между ионами
(атомами) не нарушается. Кристаллы с
ковалентной или ионной, т. е. направленной,
связью хрупки, так как при деформации
эта связь нарушается.
Силы
химических связей отличаются от известных
в физике электростатических и магнитных
сил, а также сил тяготения двумя важнейшими
особенностями: целочисленностью,
вытекающей из нее насыщаемостью, и
направленностью
валентных сил.
Целочисленность – силы, действующие
между атомами в молекуле, могут быть
охарактеризованы валентностью, которая
имеет только целочисленные значения.
Кислород двухвалентен, водород
одновалентен – атом кислорода может
присоединить к себе только два атома
водорода. Присоединив два атома водорода,
атом кислорода насытил свою валентность.
Присоединение атомов водорода произойдет
таким образом, что образовавшаяся
молекула воды будет иметь строго
определенную пространственную
конфигурацию, т.е. две связи кислород –
водород будут направлены от кислорода
под определенным углом (105º). Молекула
метана СН 4
имеет тетраэдрическое
пространственное строение (четыре связи
углерод – водород направлена от углерода
к вершинам тетраэдра (треугольной
пирамиды, сложенной из четырех
равносторонних треугольников)).
Электростатические,
магнитные силы, а также силы тяготения
свойствами насыщяемости и направленности
не обладают. Электростатический заряд
одного знака притягивает к себе любое
количество зарядов противоположного
знака с силой, не зависящей от количества
притягиваемых зарядов и от их ориентации
по отношению к центру притяжения. Это
относится и к магнитным силам и силам
тяготения.
Механизм
образования химической связи сводится
к перекрыванию атомных орбиталей,
содержащих неспаренные (одиночные)
электроны, в результате чего образуется
принадлежащая обоим взаимодействующим
атомам пара электронов с противоположно
направленными спинами, которая
осуществляет химическую связь.
Металлы
с недостроенными d
—
или f
-уровнями
называются металлами переходных
групп.
Остальные
металлы, имеющие полностью заполненные
d-
или
f
–уровни (или свободные d-уровни
для металлов малых атомных номеров)
называются простыми.
Все
кристаллические поверхности можно
подразделить по их термодинамическим
свойствам, атомному строению, особенностям
кинетики процессов на них на три типа: сингулярные, вицинальные и диффузные,
или несингулярные.
Такую классификацию
предложили Кабрера и Франк.
Рассмотрим
классификацию с термодинамических
позиций. Возможность такого рассмотрения
основана на том, что различные
кристаллические поверхности
характеризуются различной поверхностной
энергией σ. Это означает, что поверхностная
энергия границы кристалла с любой
средой анизотропна, т. е. зависит от
кристаллографической ориентации этой
границы. Основной вклад в поверхностную
энергию вносят цепочкинаиболее
сильных связей между атомами. По этой
причинезначения
σ минимальны для тех поверхностей, в
которых находится
наибольшее число цепочек сильных
связей. Для простой кубической
решетки это, прежде всего, грани куба
(100). Они параллельны двум из трех
систем цепочек связей между первыми
ближайшими соседями и перпендикулярны
цепочкам третьей системы, а также
пересекаются всеми четырьмя системамицепочек вторых
соседей.
Грани
любой решетки, параллельные, по крайней
мере, двум системам цепочек наиболее
сильных связей, называют F
-гранями;
грани,
параллельные одной такой системе, —
S
-гранями;
грани,
не содержащие ни одной из них, — К-гра
нями.
Поверхностная плотность атомов обычно
наибольшая для
F
-граней,
поэтому они наиболее плотноупакованные.
Обозначения F
,
S
и К
происходят
от начальных букв английскихслов
flat
(плоский), stepped
(ступенчатый) и kinked
(покрытый изломами). Для
термодинамического анализа используют
зависимость поверхностной энергии от
наклона при ориентации
поверхности Р
(рис. 6.4).
Рис.6.4. Зависимость
энергии поверхности от ее кристаллографической
ориентации
Поверхности,
которым на зависимости поверхностной
энергии от ее ориентировки Р
отвечает острый минимум или излом
(рис. 6.4, Р=0
и
р
= ±
р
o
),
называются
сингулярными.
Направления в непосредственной близости
от ориентировки для
сингулярной поверхности соответствуют
вицинальным поверхностям. Для случая
вицинальных
поверхностей
поверхностная
энергия практически линейно изменяется
с
изменением
ориентировки поверхности.
Диффузная, или несингуляр
ная,
поверхность
характеризуется тем, что ее поверхностная
энергия плавно
изменяется с изменением ориентировки.
С
позиций атомного строения сингулярная
поверхность представляет собой
гладкую поверхность, на которой атомы
поверхности располагаются в одной
плоскости (рис. 6.5). Вицинальная поверхность
состоит из плоских террас, высота
которых зависит
от наклона этой поверхности к сингулярной.
Диффузная
поверхность характеризуется наличием
изломов. Изломы на такой поверхности
распределены по всей площади равномерно
и имеют значительно большую плотность,
чем навицинальных
гранях.
Различия
рассмотренных типов поверхностей
существенно влияют на процесс роста
кристалла. Сингулярная поверхность
может расти только за счет движения
атомного слоя вдоль поверхности, тогда
как несингулярная граница раздела
междуфазами может
перемещаться в направлении,
перпендикулярном поверхности.
Всем ориентировкам с рациональными
миллеровскими
индексами должны соответствовать
острые минимумы
на диаграмме изменения поверхностной
энергии от ориентировки, и
соответствующие им поверхности должны
быть сингулярными.
Рис.6.5.
Схемы профилей кристаллической
поверхности:
а
— сингулярная; б
– вицинальная; в
– диффузная
Поверхности
с другими ориентировками являются
в этом случае вицинальными. Однако
большинство из этих острых минимумов
размывается из-за колебаний атомовуже
при очень низких температурах, и
сохраняются лишь наиболее
важные минимумы, соответствующие
поверхностям с более высокой симметрией
решетки. В общем случае для всех граней
должна существовать критическая
температура, выше
которой исчезает острый минимум
поверхностной энергии; область
перехода в этом случае увеличивается
бы от одного до нескольких атомных
слоев. Чаще всего все поверхности
по своей атомной структуре подразделяются
на атомно-гладкие
(рис. 6.6, а)
и
атомно-шероховатые (рис.6.6, б).
Атомно-шероховатой
называют поверхность, на которой доля
поверхностных
узлов, занятых атомами и вакансиями, в
первом
приближении составляет ~50%.
Рассмотрим
однокомпонентный кристалл с простой
кубической решеткой, граничащей
с паровой фазой. В случае атомно-гладкой
поверхности граница между фазами
составлена плоскостями, в которых
идеальная упаковка атомов (или молекул)
нарушена вакансиями и адсорбированными
атомами. Края
недоукомплектованных плоскостей
образуют ступени. Следовательно,
поверхности, ориентировка которых мало
(на несколько
градусов) отличается от ориентировки
поверхностей с плотнейшей
упаковкой, должны быть ступенчатыми всилу геометрической
необходимости.
Ступень —
одномерная
система и при
температурах, отличных от абсолютного
нуля, должна быть не прямолинейной,
а извилистой, поскольку вследствие
теплового движения атомы или молекулы
могут покидать торец ступени (как и
поверхностный слой) и переходить
либо в окружающую среду, либо на
поверхность.
Рис.
6.6. Схема атомной структуры поверхности:
а
– атомно-гладкая поверхность;
б
– атомно-шероховатая
Извилистость
определяется изломами (рис. 6.6, а) .
Присоединение новой частицы к излому
не ведет к его исчезновению и потому
изломы называют активными местами
роста. Это означает, что к излому
присоединяетсябольшинство
частиц, встраивающихся в кристаллическую
решетку.
Аналогичный
анализ структуры границы раздела
кри
сталл
— расплав
требует уже определенной
модели для жидкой фазы.
Наиболее
проста решеточная модель, когда атомы
жидкости считаются расположенными в
той же решетке, что и в кристалле, но
энергия их связей между собой E
ж-ж
отлична от энергий связи атомов в
кристалле Е
к-к
и на
поверхностираздела
кристалл —
жидкость
Е
к-ж
.
Для
рассматриваемой однокомпонентной
системы кри
сталл
— расплав
при постоянном давлении
в условиях фазового равновесия
температура поверхности (и кристалла)
равна температуре плавления. Равновесная
структура поверхности в этом случае
будет либо гладкой, либо шероховатой.
В бинарной системе ситуация иная:
меняя концентрацию компонентов расплава,
можно менять как равновесную температуру,
так иэффективную
поверхностную энергию. Это может
изменить атомную структуру поверхности
кристалла. Расчеты для границы
раздела однокомпонентный
кристалл —
идеальный би
нарный раствор
показали, что, действительно, на линии
ликвидуса фазовой диаграммы существует
такая точка, по однусторону
от которой поверхность атомно-шероховатая,
а по другую —
атомно-гладкая.
Процесс
роста кристаллов с атомно-гладкими
гранями происходит
послойно путем тангенциального движения
ступеней, причем непрерывность
роста реализуется путем возникновенияступеней. Шероховатая
поверхность равномерно покрыта
изломами, и присоединение новых
частиц происходит на ней практически
в любом месте; грань растет в
перпендикулярном
направлении — нормальный
механизм роста.
Соседние файлы в папке Конспект лекций
Дефекты
кристаллического строения подразделяют
по геометрическим признакам на точечные
(нуль-мерные),
линейные
(одномерные)
и поверхностные
(двухмерные).
Точечные
дефекты
.
Эти дефекты малы во всех трех измерениях,
и размеры их не превышают нескольких
атомных диаметров. К точечным дефектам
относятся вакансии,
или «дырки»
(дефекты
Шотки), т. е. узлы решетки, в которых атомы
отсутствуют .
Вакансии
чаще образуются в результате перехода
атомов из узлов решетки на поверхность
( границу
зерна, пустоты, трещины и т. д.
)
или их полного испарения с поверхности
кристалла и реже в результате перехода
в междоузлие. В кристалле всегда имеются
атомы, кинетическая энергия которых
значительно выше средней, свойственной
данной температуре нагрева. Такие атомы,
особенно расположенные вблизи поверхности,
могут выйти на поверхность кристалла,
а их место займут атомы, находящиеся
дальше от поверхности, а принадлежавшие
им узлы окажутся свободными, т. е.
возникнут тепловые вакансии. С повышением
температуры концентрация вакансий
возрастает. Количество вакансий при
температуре, близкой к плавлению, может
достигать 1% по отношению к числу атомов
в кристалле. ( Быстрым охлаждением от
данной температуры можно зафиксировать
эти вакансии при нормальной температуре
(закалка вакансий)). Возможно образование
не только одиночных вакансий, но и
двойных, тройных и более крупных.
Вакансии
образуются и в процессе пластической
деформации, а также при бомбардировке
металла атомами или частицами высоких
энергий (облучение в циклотроне или
нейтронное облучение в ядерном реакторе).
Межузсльные
атомы
(дефекты
Френкеля). Эти дефекты образуются в
результате перехода атома из узла
решетки в междоузлие .
На месте
атома, вышедшего из узла решетки в
междоузлие, образуется вакансия. В
плотноупакованных решетках, характерных
для большинства металлов, энергия
образования межузельных атомов в
несколько раз больше энергии образования
тепловых вакансий. Вследствие этого в
металлах очень трудно возникают
межузельные атомы, и тепловые вакансии
в таких кристаллах являются основными
точечными дефектами. (в меди при
1000°С концентрация межузельных атомов
на 35 порядков меньше концентрации
вакансий.)
Точечные
несовершенства кристаллической решетки
появляются и в результате действия
атомов примесей, которые, как правило,
присутствуют даже в самом чистом металле.
Точечные дефекты вызывают местное
искажение кристаллической решетки.
Смещения (релаксация) вокруг вакансий
возникают только в первых двух слоях
соседних атомов и составляют доли
межатомного расстояния. Вокруг
межузельного атома в плотноупакованных
решетках смещение соседей значительно
больше, чем вокруг вакансий.
Линейные
дефекты
. Линейные несовершенства
имеют малые размеры в двух измерениях
и большую протяженность в третьем
измерении. Эти несовершенства называются
дислокациями
. Краевая дислокация
представляет собой локализованное
искажение кристаллической решетки,
вызванное наличием в ней «лишней»
атомной полуплоскости или экстраплоскости,
перпендикулярной к плоскости чертежа.
Наиболее
простой и наглядный способ образования
дислокаций в кристалле – сдвиг
(рис. 9, а).
Если верхнюю
часть кристалла сдвинуть относительно
нижней на одно межатомное расстояние,
причем зафиксировать положение, при
котором сдвиг охватывает не всю плоскость
скольжения, а только часть ее ABCD,
то граница
АВ
между
участком, где скольжение уже произошло,
и не нарушенным участком в плоскости
скольжения и будет дислокацией. Линия
краевой дислокации перпендикулярна
вектору сдвига.
Кроме
краевых различают еще винтовые дислокации.
Винтовые дислокации в отличие от краевых
располагаются параллельно направлению
сдвига (линия AD
).
При наличии винтовой дислокации кристалл
можно рассматривать как состоящий из
одной атомной плоскости, закрученной
в виде винтовой поверхности. Дислокации
окружены полями упругих напряжений,
вызывающих искажение кристаллической
решетки. В краевой дислокации выше края
экстраплоскости межатомные расстояния
меньше нормальных, а ниже края – больше.
Дислокации
не могут обрываться внутри кристаллита.
Они могут прерываться на других
дислокациях или на границах раздела
(границы зерен, поверхность кристалла
и т. д.). В связи с этим внутри кристалла
дислокации образуют замкнутые петли
или взаимосвязанные сетки
.
Под
плотностью дислокаций понимают суммарную
длину дислокации l
,
приходящуюся на единицу объема V
кристалла
n
= Σ l
/ V
.
Таким образом, размерность плотности
дислокаций (см -2
).
Поверхностные
дефекты
.
Представляют собой поверхности раздела
между отдельными зернами или их блоками
(субзернами) поликристаллического
металла. Каждое зерно металла состоит
из отдельных блоков, или субзерен,
образующих так называемую мозаичную
структуру, или субструктуру .
Зерна металла
обычно разориентированы относительно
друг друга на величину, достигающую от
нескольких долей
градуса (малоугловые границы) до
нескольких градусов
или нескольких их десятков (высокоугловые
границы).
Блоки,
или субзерна, повернуты по отношению
друг к другу на угол от нескольких
секунд до нескольких минут
(малоугловые границы), имеют размеры на
три-четыре порядка величины меньше
размеров кристаллитов (10 -6
– 10 -4
см). В пределах каждого блока, или
субзерна, решетка почти идеальная, если
не учитывать точечных несовершенств.
Границы
между отдельными кристаллитами (зернами)
представляют собой переходную область
шириной в 5–10 межатомных расстояний, в
которой решетка одного кристалла,
имеющего определенную кристаллографическую
ориентацию, переходит в решетку другого
кристалла, имеющего иную кристаллографическую
ориентацию.
На
границе зерна атомы расположены менее
правильно, чем в объеме зерна. По границам
зерен в технических металлах концентрируются
примеси, что еще больше нарушает
правильный порядок расположения атомов.
Границы
блоков, а также малоугловые границы
зерен образованы дислокациями
.
В реальном
поликристаллическом металле протяженность
границ блоков и зерен очень велика,
количество дислокаций в таком металле
огромно ( 10
4
– 10
12
см
-2
).
Атомы на границах зерен (или субзерен)
имеют повышенную потенциальную энергию.
Такую повышенную энергию имеют и атомы,
расположенные на поверхности кристалла,
вследствие нескомпенсированности сил
межатомного взаимодействия.
Назовите виды кристаллических решеток.
Чем отличается кристаллическая решетка от химической связи?
Назовите примеры веществ с металлической кристаллической решеткой, с ионной, атомной и молекулярной.
Выберите лишнее вещество: молекулярную кристаллическую решетку имеет вода, поваренная соль, аргон, криптон.
Какое строение вещества придает ему высокую электропроводность?
Какое строение кристалла может придать веществу способность к возгонке?
Как понятно из предыдущего материала, строение вещества, его состав и физические характеристики тесно связаны. Поэтому для определения вида кристаллической решетки можно руководствоваться теми данными, которые у нас есть. Как правило, известен состав вещества, а значит, мы можем сделать вывод о химических связях внутри его молекулы, что позволит в свою очередь предположить тип решетки.
Также можно провести быстрый анализ:
если это неметалл, который при комнатной температуре представляет собой твердое тело — скорее всего он имеет атомную решетку;
если в обычных условиях это жидкость или газ либо речь об органическом веществе — предполагаем молекулярную решетку;
если это соль либо щелочь — кристаллы имеют ионную решетку;
если это металл или сплав — решетка точно будет металлической.
Молекулярная кристаллическая решетка
– это такая решетка, в узлах которой располагаются молекулы
. Удерживают молекулы в кристалле слабые силы межмолекулярного притяжения
( силы Ван-дер-Ваальса
, водородные связи, или электростатическое притяжение). Соответственно, такую кристаллическую решетку, как правило, довольно легко разрушить
. Вещества с молекулярной кристаллической решеткой – легкоплавкие, непрочные
. Чем больше сила притяжения между молекулами, тем выше температура плавления вещества
.
Как правило, температуры плавления веществ с молекулярной кристаллической решеткой не выше 200-300К. Поэтому при нормальных условиях большинство веществ с молекулярной кристаллической решеткой существует в виде газов или жидкостей
. Молекулярную кристаллическую решетку, как правило, образуют в твердом виде кислоты, оксиды неметаллов, прочие бинарные соединения неметаллов, простые вещества, образующие устойчивые молекулы (кислород О 2
, азот N 2
, вода H 2
O и др.), органические вещества. Как правило, это вещества с ковалентной полярной (реже неполярной) связью. Т.к. электроны задействованы в химических связях, вещества с молекулярной кристаллической решеткой – диэлектрики, плохо проводят тепло
.
Связь между частицами
в молекулярных кристаллах: м ежмолекулярные водородные связи
, электростатические или межмолекулярные силы притяжения
.
В узлах кристалла
с молекулярной кристаллической структурой расположены молекулы
.
молекулярных кристаллов при нормальных условиях: газы, жидкости и твердые вещества
.
, образующие в твердом состоянии молекулярные кристаллы
:
веществ с молекулярной кристаллической решеткой:
— легкоплавкость (низкая температура плавления):
— высокая сжимаемость;
— молекулярные кристаллы в твердом виде, а также в растворах и расплавах не проводят ток;
— фазовое состояние при нормальных условиях – газы, жидкости, твердые вещества;
— высокая летучесть;
— малая твердость.
Согласно своему названию, атомная кристаллическая решетка
— это структура, в узлах которой расположены атомы. Они взаимодействуют с помощью ковалентных связей, то есть один атом отдает другому свободный электрон или же электроны из разных атомов образуют общую пару. В кристаллах с атомной решеткой частицы прочно связаны, что обуславливает ряд физических характеристик.
Свойства веществ с атомной решеткой:
неспособность к растворению в воде,
высокая температура кипения и плавления.
К примеру, атомную кристаллическую решетку имеет алмаз — самый твердый минерал в мире.
Другие примеры: германий Ge, кремний Si, нитрид бора BN, карборунд SiC.
Если нужно рассказать о свойствах веществ с атомной кристаллической решеткой, достаточно вспомнить песок и перечислить его характеристики.
Как получить дополнительные баллы к ЕГЭ
Чтобы поступить куда хочется, а не куда получится
И, наконец, металлы характеризуются особым видом пространственной структуры – металлической кристаллической решеткой
, которая обусловлена металлической химической связью
. Атомы металлов довольно слабо удерживают валентные электроны. В кристалле, образованном металлом, происходят одновременно следующие процессы: часть атомов отдает электроны и становится положительно заряженными ионами
; эти электроны хаотично перемещаются в кристалле
; часть электронов притягивается к ионам
. Эти процессы происходят одновременно и хаотично. Таким образом, , как при образовании ионной связи, и образуются общие электроны
, как при образовании ковалентной связи. Свободные электроны перемещаются хаотично и непрерывно по всему объему кристалла, как газ. Поэтому иногда их называют «». Из-за наличия большого числа подвижных заряженных частиц металлы проводят ток, тепло
. Температура плавления металлов сильно варьируется. Металлы также характеризуются своеобразным металлическим блеском, ковкостью
, т.е. способностью изменять форму без разрушения при сильном механическом воздействии, т.к. химические связи при этом не разрушаются.
Связь между частицами
: металлическая химическая связь
.
В узлах кристалла
с металлической решеткой расположены ионы металлов и атомы
.
металлов при обычных условиях: как правило, твердые вещества
(исключение — ртуть, жидкость при обычных условиях).
с металлической кристаллической решеткой — простые вещества-металлы
.
Физические свойства веществ с металлической кристаллической решеткой:
— высокая тепло- и электропроводность;
— ковкость и пластичность;
— металлический блеск;
— металлы, как правило, нерастворимы в растворителях;
— большинство металлов – твердые вещества при нормальных условиях.
Как и в предыдущей группе, в этой находятся вещества с ковалентными связями между атомами. Но физические характеристики этих веществ совершенно иные — они легко плавятся, превращаются в жидкость, растворяются в воде. Почему так происходит? Все дело в том, что здесь кристаллы строятся не из атомов, а из молекул.
Молекулярная кристаллическая решетка
— это структура, в узлах которой находятся не атомы, а молекулы.
Внутри молекул атомы имеют прочные ковалентные связи, но сами молекулы связаны между собой слабо. Поэтому кристаллы таких веществ непрочные и легко распадаются.
Молекулярная кристаллическая решетка характерна для воды. При комнатной температуре это жидкость, но стоит нагреть ее до температуры кипения (которая сравнительно низка), как она тут же начинает превращаться в пар, т. е. переходит в газообразное состояние.
Некоторые молекулярные вещества — например, сухой лед CO
2
, способны преобразоваться в газ сразу из твердого состояния, минуя жидкое (данный процесс называется возгонкой).
Свойства молекулярных веществ:
у некоторых — наличие запаха.
Помимо воды к веществам с молекулярной кристаллической решеткой относятся аммиак N H
3
, гелий He, радон Rn, йод I, азот N
2
и другие. Все благородные газы — молекулярные вещества. Также к этой группе принадлежит и большинство органических соединений (например, сахар).
Атомная кристаллическая решетка
Атомная кристаллическая решетка образуется, когда в узлах кристалла расположены . Атомы соединены между собой прочными ковалентными химическими связями
. Соответственно, такая кристаллическая решетка будет очень
прочной
, разрушить ее непросто. Атомную кристаллическую решетку могут образовывать атомы с высокой валентностью, т.е. с большим числом связей с соседними атомами (4 или больше). Как правило, это неметаллы: простые вещества — кремния, бора, углерода (аллотропные модификации алмаз, графит), и их соединения (бороуглерод, оксид кремния (IV) и др
.). Поскольку между неметаллами возникает преимущественно ковалентная химическая связь, свободных электронов
(как и других заряженных частиц) в веществах с атомной кристаллической решеткой в большинстве случаев нет
. Следовательно, такие вещества, как правило, очень плохо проводят электрический ток, т.е. являются диэлектриками
. Это общие закономерности, из которых есть ряд исключений.
Связь между частицами
в атомных кристаллах: ковалентная полярная или неполярная
.
В узлах кристалла
с атомной кристаллической структурой расположены атомы
.
атомных кристаллов при нормальных условиях: как правило, твердые вещества
.
, образующие в твердом состоянии атомные кристаллы:
Физические свойства веществ с атомной кристаллической решеткой:
— тугоплавкость (высокая температура плавления);
— низкая электропроводность;
— низкая теплопроводность;
— химическая инертность (неактивные вещества);
— нерастворимость в растворителях.
В случае, если в узлах кристалла находятся заряженные частицы – ионы
, мы можем говорить о ионной кристаллической решетке
. Как правило, с ионных кристаллах чередуются положительные ионы
(катионы) и отрицательные ионы
(анионы), поэтому частицы в кристалле удерживаются силами электростатического притяжения
. В зависимости от типа кристалла и типа ионов, образующих кристалл, такие вещества могут быть довольно прочными и тугоплавкими
. В твердом состоянии подвижных заряженных частиц в ионных кристаллах, как правило, нет. Зато при растворении или расплавлении кристалла ионы высвобождаются и могут двигаться под действием внешнего электрического поля. Т.е. проводят ток только растворы или расплавы
ионных кристаллов. Ионная кристаллическая решетка характерна для веществ с ионной химической связью
. Примеры
таких веществ – поваренная соль
NaCl, карбонат кальция
– CaCO 3
и др. Ионную кристаллическую решетку, как правило, в твердой фазе образуют соли, основания, а также оксиды металлов и бинарные соединения металлов и неметаллов
.
Связь между частицами
в ионных кристаллах: ионная химическая связь
.
В узлах кристалла
с ионной решеткой расположены ионы
.
ионных кристаллов при нормальных условиях: как правило, твердые вещества
.
с ионной кристаллической решеткой:
(например, хлорид аммония
NH
4
Cl);
Бинарные соединения, в составе которых есть металлы и неметаллы.
— высокая температура плавления (тугоплавкость);
— большинство соединений растворимы в полярных растворителях (вода);
— твердое фазовое состояние у большинства соединений при нормальных условиях.
Сравнение свойств веществ с различными кристаллическими решетками
Тип кристаллической решетки (или отсутствие кристаллической решетки) позволяет оценить основные физические свойства вещества
. Для примерного сравнения типичных физических свойств соединений с разными кристаллическими решетками очень удобно использовать химические вещества с
характерными свойствами
. Для молекулярной решетки это, например,
углекислый газ
, для атомной кристаллической решетки — алмаз
, для металлической — медь
, и для ионной кристаллической решетки — поваренная соль
,
хлорид натрия
NaCl.
Сводная таблица по структурам простых веществ, образованных химическими элементами из главных подгрупп таблицы Менделеева (элементы побочных подгрупп являются металлами, следовательно, имеют металлическую кристаллическую решетку).
Итоговая таблица связи свойств веществ со строением:
Под
атомно-кристаллической структурой
понимают взаимное расположение атомов,
существующее в кристалле. Кристалл
состоит из атомов (ионов), расположенных
в определенном порядке, который
периодически повторяется в трех
измерениях. Для описания атомно-кристаллической
структуры пользуются понятием
пространственной
или кристаллической решетки
.
Кристаллическая
решетка
представляет собой воображаемую
пространственную сетку, в узлах которой
располагаются атомы (ионы), образующие
металл (твердое кристаллическое тело).
Металлы
образуют одну из следующих высокосимметричных
сложных решеток с плотной упаковкой
атомов: кубическую
объемно-центрированную
,
кубическую
гранецентрированную
и гексагональную
.
В
кубической объемно-центрированной
решетке атомы
расположены
в узлах ячейки и один атом – в центре
объема куба. Кубическую
объемно-центрированную решетку имеют
следующие металлы: Rb, К, Na, Li, Та, W, V, Feα,
Cr, Nb, Ba и др.
В
кубической гранецентрированной решетке
атомы расположены в углах куба и в центре
каждой грани.
Этот тип решетки имеют металлы
Pb, Sc, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Cu и др.
В
гексагональной решетке атомы расположены
в углах и центре шестигранных оснований
призмы и три атома в средней плоскости
призмы. Эту упаковку атомов имеют
металлы Hf, Mg, Cd, Re, Os, Ru, Zn,
Be, La, и др.
Размеры
кристаллической решетки характеризуются
величинами периодов
,
под которыми понимают расстояние между
ближайшими параллельными атомными
плоскостями, образующими элементарную
ячейку. Период решетки металлов находится
в пределах от 1 до 7 Å.
Для начала вспомним, как проходит металлическая химическая связь. В молекуле металла свободные отрицательно заряженные электроны перемещаются от одного иона к другому и соединяются с некоторыми из них, а после отрываются и мигрируют дальше. В результате получается кристалл, в котором ионы превращаются в атомы и наоборот.
Металлическая кристаллическая решетка
— это структура, которая состоит из ионов и атомов металла, а между ними свободно передвигаются электроны. Как несложно догадаться, она характерна лишь для металлов и сплавов.
Свободные электроны, мигрирующие между узлами решетки, образуют электронное облако, которое под воздействием электротока приходит в направленное движение. Это объясняет такое свойство металлов, как электрическая проводимость.
В химии типичным примером вещества, которое имеет металлическую кристаллическую решетку, считается медь. Она очень ковкая, пластичная, имеет высокую тепло- и электропроводность. Впрочем, все металлы ярко демонстрируют эти характеристики, поэтому назвать физические свойства данной группы несложно.
Свойства веществ с металлической кристаллической решеткой:
При этом температура плавления веществ может существенно различаться. Например, у ртути это −38,9°С, а у бериллия целых +1287°С.
Подведем итог: о характеристиках разных типов кристаллических решеток расскажет таблица.
Как известно, при ионной химической связи один атом отдает другому ионы и приобретает положительный заряд, в то время как принимающий атом заряжается отрицательно. В итоге появляются разноименно заряженные ионы, из которых и состоит структура кристалла.
Ионная решетка
— это кристаллическая структура, в узловых точках которой находятся ионы, связанные взаимным притяжением.
Ионную кристаллическую решетку имеют практически все соли, типичным представителем можно считать поваренную соль NaCl. О ней стоит вспомнить, если нужно перечислить физические характеристики этой группы. Также ионную решетку имеют щелочи и оксиды активных металлов.
Свойства веществ с ионной структурой:
способность растворяться в воде.
Примеры веществ с ионной кристаллической решеткой: оксид кальция CaO, оксид магния MgO, хлорид аммония NH
4
Cl
, хлорид магния Mg Cl
2
, оксид лития Li
2
O
и другие.
Выделяют три агрегатных состояния
: твердое тело, жидкость и газ. Каждое из них предполагает определенное расположение частиц. Ниже мы расскажем подробнее, как связаны в химии кристаллическая решетка и агрегатное состояние вещества, а пока осветим общие закономерности.
Если частицы хаотично движутся, а расстояние между ними многократно превышает их собственные размеры — это газ
. За счет большой удаленности друг от друга молекулы и атомы в таком веществе слабо взаимодействуют между собой.
Если частицы расположены все так же беспорядочно, но на небольшом расстоянии друг от друга — это жидкость
. В жидком состоянии вещества его молекулы и атомы имеют более прочные связи, которые сложнее разорвать.
Если частицы собраны близко друг к другу и в определенном порядке — это твердое тело
. В таком состоянии связи между ними наиболее прочны. Частицы могут двигаться только в пределах своего расположения и почти не перемещаются в пространстве.
Большинство веществ могут находиться и в твердом, и в жидком, и газообразном состоянии, а в зависимости от давления и температуры легко переходить из одного в другое. Типичный пример — вода, которая при нагревании превращается в пар
, а при остывании становится твердым льдом.
