Большинство твёрдых веществ имеет кристаллическое строение, которое характеризуется строго определённым расположением частиц.
Если соединить частицы условными линиями, то получится пространственный каркас, называемый .
Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки. В узлах воображаемой решётки могут находиться атомы, ионы или молекулы.
В зависимости от природы частиц, расположенных в узлах, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решёток: , , и .
называют решётки, в узлах которых находятся ионы.
Их образуют вещества с ионной связью. В узлах такой решётки располагаются положительные и отрицательные ионы, связанные между собой электростатическим взаимодействием.
Ионные кристаллические решётки имеют , , оксиды активных металлов
.
Ионы могут быть простые или сложные. Например, в узлах кристаллической решётки хлорида натрия находятся простые ионы натрия
Na
+
Cl
−
, а в узлах решётки сульфата калия чередуются простые ионы калия
K
+
и сложные сульфат-ионы
S
O
4
2
−
Связи между ионами в таких кристаллах прочные. Поэтому ионные вещества , , . Такие вещества растворяются в воде
.
Рис. \(1\). Кристаллическая решётка хлорида натрия
Рис. \(2\). Кристаллы хлорида натрия
называют решётки, которые состоят из положительных ионов и атомов металла и свободных электронов.
Их образуют вещества с металлической связью. В узлах металлической решётки находятся атомы и ионы (то атомы, то ионы, в которые легко превращаются атомы, отдавая свои внешние электроны в общее пользование).
Такие кристаллические решётки характерны для простых веществ и .
Температуры плавления металлов могут быть разными (от \(–37\) °С у ртути до двух-трёх тысяч градусов). Но все металлы имеют характерный , , , хорошо проводят электрический ток
и .
Рис. \(3\). Металлическая кристаллическая решётка
Рис. \(4\). Изделие из металла
называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы, соединённые ковалентными связями.
Такой тип решётки имеет — одно из аллотропных видоизменений углерода. К веществам с атомной кристаллической решёткой относятся , , и
, а также сложные вещества, например, SiC
и , , ,
, в состав которых входит оксид кремния(\(IV\)) Si
O
2
.
Таким веществам характерны и . Так, алмаз является самым твёрдым природным веществом.
У веществ с атомной кристаллической решёткой очень высокие температуры плавления
и .
Например, температура плавления кремнезёма — \(1728\) °С, а у графита она выше — \(4000\) °С.
Атомные кристаллы практически .
Рис. \(5\). Кристаллическая решётка алмаза
Рис. \(6\). Алмаз
называют решётки, в узлах которых находятся молекулы, связанные слабым межмолекулярным взаимодействием.
Несмотря на то, что внутри молекул атомы соединены очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому молекулярные кристаллы имеют и , низкие температуры плавления
и .
Многие молекулярные вещества при комнатной температуре представляют собой и .
Такие вещества . Например, кристаллические иод и твёрдый оксид углерода(\(IV\)) («сухой лёд») испаряются, не переходя в жидкое состояние.
Некоторые молекулярные вещества имеют
Такой тип решётки имеют простые вещества в твёрдом агрегатном состоянии: благородные газы с одноатомными молекулами (
He
,
Ne
,
Ar
,
Kr
,
Xe
,
Rn
), а также неметаллы с двух- и
Молекулярную кристаллическую решётку имеют
также вещества с ковалентными полярными связями: вода — ,
, твёрдые, , оксиды большинства неметаллов
. Большинство органических соединений
тоже представляют собой молекулярные кристаллы (, , ).
Рис. \(7\). Кристаллическая решётка иода
Рис. \(8\)
. Иод
Если известно строение вещества, то можно предсказать его свойства.
Попробуем определить, каковы примерно температуры плавления у , и .
У фторида натрия — ионная кристаллическая решётка. Значит, его температура плавления будет высокой. Фтороводород и фтор имеют молекулярные кристаллические решётки. Поэтому их температуры плавления будут невысокими. Молекулы фтороводорода полярные, а фтора — неполярные. Значит, межмолекулярное взаимодействие у фтороводорода будет сильнее, и его температура плавления будет выше по сравнению со фтором.
Экспериментальные данные подтверждают эти предположения: температуры плавления
NaF
HF
F
2
составляют соответственно °С, \(–220\) °С.
Рис. 1.Кристаллическая решётка хлорида натрия https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e9/Sodium-chloride-3D-ionic.png
Рис. 2. Кристаллы хлорида натрия https://cdn.pixabay.com/photo/2015/09/24/17/08/crystal-955935_960_720.jpg
Рис. 4. Изделие из металла https://cdn.pixabay.com/photo/2013/07/12/17/22/database-152091_960_720.png
Рис. 5. Кристаллическая решётка алмаза https://image.shutterstock.com/image-vector/illustration-chemical-carbon-has-several-600w-1717122967.jpg
Рис. 6. Алмаз https://cdn.pixabay.com/photo/2014/10/24/08/09/diamond-500872_960_720.jpg
Рис. 8. Иод https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7c/Iod_kristall.jpg
Кристаллической решеткой называют пространственное расположение атомов или ионов в кристалле. Точки
кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.
Кристаллические решетки подразделяют на молекулярные, атомные, ионные и металлические.
Очень важно не перепутать вид химической связи и кристаллической решетки. Помните, что кристаллические решетки отражают
пространственное расположение атомов.
Молекулярная кристаллическая решетка
В узлах молекулярной решетки расположены молекулы. При обычных условиях молекулярную решетку имеют большинство газов и жидкостей.
Связи чаще всего ковалентные полярные или неполярные.
Классическим примером вещества с молекулярной решеткой является вода, так что ассоциируйте свойства этих веществ с водой. Вещества с
молекулярной решеткой непрочные, имеют небольшую твердость, летучие, легкоплавкие, способны к возгонке, для них характерны небольшие
температуры кипения.
Примеры: NH 3
, H 2
O, Cl 2
, CO 2
, N 2
, Br 2
, H 2
, I 2
.
Особо хочется отметить белый фосфор, ромбическую, пластическую и моноклинную серу, фуллерен. Эти аллотропные модификации мы
подробно изучили в статье, посвященной классификации веществ.
Ионная кристаллическая решетка
В узлах ионной решетки находятся атомы, связанные ионной связью. Этот тип решетки характерен для веществ, обладающих ионной связь: соли,
оксиды и гидроксиды металлов.
Ассоциируйте этот ряд веществ с поваренной солью — NaCl. Веществе с ионной решеткой имеют высокие температуры плавления и кипения, легко
растворимы в воде, хрупкие, твердые, их растворы и расплавы проводят электрический ток.
Примеры: NaCl, MgCl 2
, NH 4
Br, KNO 3
, Li 2
O, Na 3
PO 4
.
Металлическая кристаллическая решетка
В узлах металлической решетки находятся атомы металла. Этот тип решетки характерен для веществ, образованных металлической связью.
Ассоциируйте свойства этих веществ с медью. Они обладают характерным металлическим блеском, ковкие и пластичные, хорошо проводят
электрический ток и тепло, имеют высокие температуры плавления и кипения.
Примеры: Cu, Fe, Zn, Al, Cr, Mn.
Атомная кристаллическая решетка
В узлах атомной решетки находятся атомы, связанные ковалентной полярной или неполярной связью.
Ассоциируйте эти вещества с песком. Они очень твердые, очень тугоплавкие (высокая температура плавления), нелетучие, прочные,
нерастворимы в воде.
Примеры: SiO 2
, B, Ge, SiC, Al 2
O 3
. Особенно хочется выделить: алмаз и графит (C), красный и черный фосфор (P).
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию
.
Тип кристаллической решётки вещества определяет его физические свойства.
Особенности строения разных типов кристаллических решёток и характерных физических свойств веществ представлены в таблице.
Сравним физические свойства веществ с разными типами кристаллических решёток.
Атомные кристаллы — самые твёрдые и прочные, так как атомы, расположенные в их узлах, соединены ковалентными связями.
Вещества с ионными кристаллическими решётками — твёрдые при обычных условиях, но непрочные, хрупкие. При механическом воздействии одинаковые ионы начинают расталкиваться и кристалл разрушается.
Металлы отличаются ковкостью и пластичностью. При ударе металл не разрушается, а сплющивается, так как вместе со слоями ионов и атомов смещаются и свободные электроны.
У самых непрочных веществ — молекулярные кристаллические решётки. Многие из них при обычных условиях являются газами и жидкостями.
Температуры плавления и кипения
У металлов температуры плавления и кипения зависят от размера атомов и числа валентных электронов, а также от строения кристаллической решётки. Поэтому разброс в значениях очень большой. Например, температура плавления ртути равна
−
38,8
°
C
, а вольфрама —
+
3448
°
C
Среди веществ с молекулярной решёткой легче плавятся и кипят вещества, молекулы которых неполярные. У веществ с ионной и атомной решётками температуры плавления и кипения высокие (у атомных выше, чем у ионных).
В таблице приведены температуры плавления веществ с разными кристаллическими решётками.
Вещества с атомной кристаллической решёткой в воде не растворяются.
Хорошо растворяются в воде вещества с ионной кристаллической решёткой (щёлочи, многие соли).
Молекулярные вещества растворяются, если их молекулы полярные (хлороводород, аммиак, сернистый газ). Высокая растворимость — у веществ, образующих водородные связи (метанол, этанол, глицерин, серная, азотная, муравьиная, уксусная кислоты и т. д.).
Молекулярные вещества с неполярными молекулами растворяются в воде плохо (водород, кислород, азот, метан и т. д.).
Высокая электропроводность у металлов (за счёт свободных электронов).
Ионные вещества проводят электрический ток в расплавах и водных растворах, в твёрдом состоянии они неэлектропроводны.
Запах может быть только у молекулярных веществ.
Рис. \(1\). Аморфное и кристаллическое строение
В аморфных веществах частицы не упорядочены, и такие вещества не имеют постоянных температур плавления. Примеры аморфных веществ: смола, пластилин, пластмассы, стекло, воск.
В кристаллических веществах частицы (молекулы, атомы или ионы) находятся в определённом порядке. Расположение частиц напоминает строение решётки, поэтому и появилось название — кристаллическая решётка
.
Известны четыре типа кристаллических решёток: молекулярные
, атомные
, ионные
и металлические
.
Молекулярная кристаллическая решётка
Молекулярные кристаллы образуются веществами с ковалентной неполярной связью (йод, белый фосфор, ромбическая и моноклинная сера, твёрдые водород, кислород, азот, хлор, инертные газы и др.), а также веществами с ковалентной полярной связью (фенол, глюкоза, фруктоза, твёрдые вода, углекислый газ и др.).
Рис. \(2\). Молекулярная кристаллическая решётка
В узлах молекулярных кристаллов располагаются молекулы, между которыми действует слабое межмолекулярное взаимодействие. Поэтому молекулярные вещества непрочные и легкоплавкие.
Атомная кристаллическая решётка
Атомные кристаллы также образуются веществами с ковалентными связями: с неполярными (алмаз, графит, кремний, бор, красный фосфор, чёрный фосфор) и с полярными (оксид кремния, карборунд
SiC
Рис. \(3\). Атомная кристаллическая решётка
В узлах атомных кристаллов находятся атомы, а связаны они прочными ковалентными связями. Такие вещества отличаются тугоплавкостью и нелетучестью.
Ионная кристаллическая решётка
Ионный тип решётки характерен для веществ с ионной связью. В этом случае в узлах чередуются простые или сложные ионы (
K
+
Br
−
NH
4
+
PO
4
3
−
Рис. \(4\). Ионная кристаллическая решётка
Взаимодействие между ионами сильное, поэтому ионные вещества твёрдые, тугоплавкие, нелетучие.
Металлическая кристаллическая решётка
Такой тип решётки у веществ с металлической связью, т. е. у металлов и их сплавов. В узлах находятся положительные ионы, а между ними перемещаются обобществлённые электроны.
Рис. \(5\). Металлическая кристаллическая решётка
Рис. 4. Ионная кристаллическая решётка. Общественное достояние, https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/eb/Sodium_chloride_crystal.png, дата обращения: 26.08.2022.
Что такое кристаллическая решетка
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
Атомная кристаллическая решетка
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
Молекулярная кристаллическая решетка
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).
Новые правила поступления в вузы РФ
Ионная кристаллическая решетка
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.
Металлическая кристаллическая решетка
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.
Строение и агрегатное состояние веществ
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.
Как определить кристаллическую решетку
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.
Вопросы для самопроверки
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?