Типы решеток. Ионная кристаллическая решетка

Существующее в природе, образовано большим числом одинаковых частиц, которые связаны между собою. Все вещества существуют в трёх агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твёрдом. Когда затруднено тепловое движение (при низких температурах), а также в твердых веществах частицы строго ориентированы в пространстве, что проявляется в их точной структурной организации.

Кристаллическая решётка вещества - это структура с геометрически упорядоченным расположением частиц (атомы, молекулы либо ионы) в определённых точках пространства. В различных решетках различают межузловое пространство и непосредственно узлы - точки, в которых расположены сами частицы.

Кристаллическая решётка бывает четырех типов: металлическая, молекулярная, атомная, ионная. Типы решеток определяются в соответствии с видом частиц, расположенных в их узлах, а также характером связей между ними.

Кристаллическая решётка называется молекулярной в том случае, если в ее узлах располагаются молекулы. Они связаны между собой межмолекулярными сравнительно слабыми силами, называемые ван-дер-ваальсовыми, однако сами атомы внутри молекулы соединяются существенно более сильной либо неполярной). Молекулярная кристаллическая решетка свойственна хлору, твердому водороду, и другим веществам, являющимся газообразными при обычной температуре.

Кристаллы, которые образуют благородные газы, также имеют молекулярные решетки, состоящие из одноатомных молекул. Большинство твердых органических веществ имеют именно такую структуру. Число же которым свойственна молекулярная структура, весьма невелико. Это, например, твердые галогеноводороды, природная сера, лед, твердые простые вещества и некоторые другие.

При нагревании относительно слабые межмолекулярные связи разрушаются довольно легко, поэтому вещества с такими решетками имеют очень низкие температуры плавления и малую твердость, они нерастворимы либо малорастворимы в воде, растворы их практически не проводят электрический ток, характеризуются значительной летучестью. Минимальные температуры кипения и плавления - у веществ из неполярных молекул.

Металлической называется такая кристаллическая решетка, узлы которой сформированы атомами и положительными ионами (катионами) металла со свободными валентными электронами (отцепившимися от атомов при образовании ионов), беспорядочно движущимися в объеме кристалла. Однако эти электроны по существу являются полусвободными, так как могут беспрепятственно перемещаться только в рамках, которые ограничивает данная кристаллическая решетка.

Электростатические электроны и положительные ионы металлов взаимно притягиваются, чем объясняется стабильность металлической кристаллической решетки. Совокупность свободных движущихся электронов называют электронным газом - он обеспечивает хорошую электро- и При появлении электрического напряжения электроны устремляются к положительной частице, участвуя в создании электрического тока и взаимодействуя с ионами.

Металлическая кристаллическая решетка характерна, главным образом, для элементарных металлов, а также для соединений различных металлов друг с другом. Основные свойства, которые присущи металлическим кристаллам(механическая прочность, летучесть, достаточно сильно колеблются. Однако такие физические свойства, как пластичность, ковкость, высокая электро- и теплопроводность, характерный металлический блеск свойственны лишь исключительно кристаллам с металлической решеткой.

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).

Согласно атомно-молекулярной теории Бойля, все вещества состоят из молекул, которые находятся в постоянном движении. Но существует ли какая-то определённая структура в веществах? Или они просто состоят из хаотично движущихся молекул?

В действительности чёткую структуру имеют все вещества, пребывающие в твёрдом состоянии. Атомы и молекулы движутся, но силы притяжения и отталкивания между частицами сбалансированы, поэтому атомы и молекулы располагаются в определённой точке пространства (но продолжают совершать небольшие колебания, зависящие от температуры). Такие структуры называются кристаллическими решётками . Места, в которых находятся сами молекулы, ионы или атомы, называют узлами . А расстояния между узлами получили название – периоды идентичности . В зависимости от положения частиц в пространстве, различают несколько типов:

1. атомная;
2. ионная;
3. молекулярная;
4. металлическая.

В жидком и газообразном состоянии вещества не имеют чёткой решётки, их молекулы движутся хаотично, именно поэтому они не имеют формы. Например, кислород, находясь в газообразном состоянии, представляет собой бесцветный газ без запаха, в жидком (при -194 градусов) – раствор голубоватого цвета. Когда температура опускается до -219 градусов, кислород переходит в твёрдое состояние и приобретает кр. решётку, при этом он превращается в снегообразную массу синего цвета.

Интересно, что у аморфных веществ нет чёткой структуры, поэтому у них и нет строгой температуры плавления и кипения. Смола и пластилин при нагревании постепенно размягчаются и становятся жидкими, у них нет чёткой фазы перехода.

Атомная кристаллическая решётка

В узлах находятся атомы, о чём и говорит название. Эти вещества очень крепкие и прочные , так как между частицами образуется ковалентная связь. Соседние атомы образуют между собой общую пару электронов (а, точнее, их электронные облака наслаиваются друг на друга), и поэтому они очень хорошо связаны друг с другом. Самый наглядные пример – алмаз, который по шкале Мооса обладит наибольшей твёрдостью. Интересно, что алмаз, как и графит, состоит из углевода. Графит является очень хрупким веществом (твёрдость по шкале Мооса – 1), что является наглядным примером того, как много зависит от вида.

Атомная кр. решётка плохо распространена в природе, к ней относятся: кварц, бор, песок, кремний, оксид кремния (IV), германий, горный хрусталь. Для этих веществ характерна высокая температура плавления, прочность, а также эти соединения очень твёрдые и нерастворимые в воде. Из-за очень сильной связи между атомами, эти химические соединения почти не взаимодействуют с другими и очень плохо проводят ток.

Ионная кристаллическая решётка

В этом типе ионы располагаются в каждом узле. Соответственно, этот вид характерен для веществ с ионной связью, например: хлорид калия, сульфат кальция, хлорид меди, фосфат серебра, гидроксид меди и так далее. К веществам с такой схемой соединения частиц относятся ;

• соли;
• гидроксиды металлов;
• оксиды металлов.

Хлорид натрия имеет чередование положительных (Na +) и отрицательных (Cl —) ионов. Один ион хлора, находящийся в узле, притягивает к себе два иона натрия (благодаря электромагнитному полю), которые находятся в соседних узлах. Таким образом, образуется куб, в котором частицы связаны между собой.

Для ионной решётки характерна прочность, тугоплавкость, устойчивость, твёрдость и нелетучесть. Некоторые вещества могут проводить электрический ток.

Молекулярная кристаллическая решётка

В узлах этой структуры находятся молекулы, которые плотно упакованы между собой. Для таких веществ характерна ковалентная полярная и неполярная связь. Интересно, что независимо от ковалентной связи, между частицами образуете очень слабое притяжение (из-за слабых ван-дер-вальсовых сил). Именно поэтому такие вещества очень хрупкие, обладают низкой температурой кипения и плавления, а также они летучие. К таким веществам относятся: вода, органические вещества (сахар, нафталин), оксид углерода (IV), сероводород, благородные газы, двух– (водород, кислород, хлор, азот, йод), трёх- (озон), четырёх- (фосфор), восьмиатомные (сера) вещества и так далее.

Одна из отличительных черт — это то, что структурная и пространственная модель сохраняется во всех фазах (как в твёрдых, так в жидких и газообразных).

Металлическая кристаллическая решётка

Из-за наличия в узлах ионов, может показаться, что металлическая решетка похожа на ионную. На самом деле, это две совершенно разные модели, с разными свойствами.

Металлическая гораздо гибче и пластичнее ионной, для неё характерна прочность, высокая электро- и теплопроводность, эти вещества хорошо плавятся и отлично проводят электрический ток. Это объясняется тем, что в узлах находятся положительно заряженные ионы металлов (катионы), которые могут перемещаться по всей структуре, тем самым обеспечивают течение электронов. Частицы хаотично движутся около своего узла (они не имеют достаточной энергии, чтобы выйти за пределы), но как только появляется электрическое поле, электроны образуют поток и устремляются из положительной в отрицательную область.

Металлическая кристаллическая решётка характерна для металлов, например: свинец, натрий, калий, кальций, серебро, железо, цинк, платина и так далее. Помимо прочего, она подразделяется ещё на несколько типов упаковок: гексагональная, объёмно центрированная (наименее плотная) и гранецентрированная. Первая упаковка характерна для цинка, кобальта, магния, вторая для бария, железа, натрия, третья для меди, алюминия и кальция.

Таким образом, от типа решётки зависят многие свойства, а также строение вещества. Зная тип, можно предсказать, к примеру, какой будет тугоплавкость или прочность объекта.

В твёрдых телах частицы (молекулы, атомы и ионы) расположены настолько близко друг к другу, что силы взаимодействия между ними не позволяют им разлетаться. Эти частицы могут лишь совершать колебательные движения вокруг положения равновесия. Поэтому твёрдые тела сохраняют форму и объём.

По своей молекулярной структуре твёрдые тела разделяются на кристаллические и аморфные .

Строение кристаллических тел

Кристаллическая решётка

Кристаллическими называют такие твёрдые тела, молекулы, атомы или ионы в которых располагаются в строго определённом геометрическом порядке, образуя в пространстве структуру, которая называется кристаллической решёткой . Этот порядок периодически повторяется по всем направлениям в трёхмерном пространстве. Он сохраняется на больших расстояниях и не ограничен в пространстве. Его называют дальним порядком .

Типы кристаллических решёток

Кристаллическая решётка - это математическая модель, с помощью которой можно представить, как расположены частицы в кристалле. Мысленно соединив в пространстве прямыми линиями точки, в которых расположены эти частицы, мы получим кристаллическую решётку.

Расстояние между атомами, расположенными в узлах этой решётки, называется параметром решётки .

В зависимости от того, какие частицы расположены в узлах, кристаллические решётки бывают молекулярные, атомные, ионные и металлические .

От типа кристаллической решётки зависят такие свойства кристаллических тел, как температура плавления, упругость, прочность.

При повышении температуры до значения, при котором начинается плавление твёрдого вещества, происходит разрушение кристаллической решётки. Молекулы получают больше свободы, и твёрдое кристаллическое вещество переходит в жидкую стадию. Чем прочнее связи между молекулами, тем выше температура плавления.

Молекулярная решётка

В молекулярных решётках связи между молекулами не прочные. Поэтому при обычных условиях такие вещества находятся в жидком или газообразном состоянии. Твёрдое состояние для них возможно только при низких температурах. Температура их плавления (перехода из твёрдого состояния в жидкое) также низкая. А при обычных условиях они находится в газообразном состоянии. Примеры - иод (I 2), «сухой лёд» (двуокись углерода СО 2).

Атомная решётка

В веществах, имеющих атомную кристаллическую решётку, связи между атомами прочные. Поэтому сами вещества очень твёрдые. Плавятся они при высокой температуре. Кристаллическую атомную решётку имеют кремний, германий, бор, кварц, оксиды некоторых металлов и самое твёрдое в природе вещество - алмаз.

Ионная решётка

К веществам с ионной кристаллической решёткой относятся щёлочи, большинство солей, оксиды типичных металлов. Так как сила притяжения ионов очень велика, то эти вещества способны плавиться только при очень высокой температуре. Их называют тугоплавкими. Они обладают высокой прочностью и твёрдостью.

Металлическая решётка

В узлах металлической решётки, которую имеют все металлы и их сплавы, расположены и атомы, и ионы. Благодаря такому строению металлы обладают хорошей ковкостью и пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью.

Чаще всего форма кристалла - правильный многогранник. Грани и рёбра таких многогранников всегда остаются постоянными для конкретного вещества.

Одиночный кристалл называют монокристаллом . Он имеет правильную геометрическую форму, непрерывную кристаллическую решётку.

Примеры природных монокристаллов - алмаз, рубин, горный хрусталь, каменная соль, исландский шпат, кварц. В искусственных условиях монокристаллы получают в процессе кристаллизации, когда охлаждая до определённой температуры растворы или расплавы, выделяют из них твёрдое вещество в форме кристаллов. При медленной скорости кристаллизации огранка таких кристаллов имеет естественную форму. Таким способом в специальных промышленных условиях получают, например, монокристаллы полупроводников или диэлектриков.

Мелкие кристаллики, беспорядочно сросшиеся друг с другом, называются поликристаллами . Ярчайший пример поликристалла - камень гранит. Все металлы также являются поликристаллами.

Анизотропия кристаллических тел

В кристаллах частицы расположены с различной плотностью по разным направлениям. Если мы соединим прямой линией атомы в одном из направлений кристаллической решётки, то расстояние между ними будет одинаковым на всём этом направлении. В любом другом направлении расстояние между атомами тоже постоянно, но его величина уже может отличаться от расстояния в предыдущем случае. Это означает, что на разных направлениях между атомами действуют разные по величине силы взаимодействия. Поэтому и физические свойства вещества по этим направлениям также будут отличаться. Это явление называется анизотропией - зависимостью свойств вещества от направления.

Электропроводность, теплопроводность, упругость, показатель преломления и другие свойства кристаллического вещества различаются в зависимости от направления в кристалле. По-разному в разных направлениях проводится электрический ток, по-разному нагревается вещество, по-разному преломляются световые лучи.

В поликристаллах явление анизотропии не наблюдается. Свойства вещества остаются одинаковыми по всем направлениям.

Твердые вещества существуют в кристаллическом и аморфном состоянии и преимущественно имеют кристаллическое строение. Оно отличается правильным местоположением частиц в точно определенных точках, характеризуется периодической повторяемостью в объемном, Если мысленно соединить эти точки прямыми - получим пространственный каркас, который и называют кристаллической решеткой. Понятие «кристаллическая решетка» относится к геометрическому образу, который описывает трехмерную периодичность в размещении молекул (атомов, ионов) в кристаллическом пространстве.

Точки расположения частиц называются узлами решетки. Внутри каркаса действуют межузловые связи. Вид частиц и характер связи между ними: молекулы, атомы, ионы - определяют Всего выделяют четыре таких типа: ионные, атомные, молекулярные и металлические.

Если в узлах решетки расположены ионы (частицы с отрицательным или положительным зарядом), то это ионная кристаллическая решетка, характеризующаяся одноименными связями.

Эти связи весьма прочны и стабильны. Поэтому вещества с таким типом строения обладают достаточно высокой твердостью и плотностью, нелетучи и тугоплавки. При низких температурах они проявляют себя как диэлектрики. Однако при плавлении таких соединений нарушается геометрически правильная ионная кристаллическая решетка (расположение ионов) и уменьшаются прочностные связи.

При температуре, близкой к температуре плавления, кристаллы с ионной связью уже способны проводить электрический ток. Такие соединения легко растворимы в воде и других жидкостях, которые состоят из полярных молекул.

Ионная кристаллическая решетка свойственна всем веществам с ионным типом связи - соли, гидроксиды металлов, бинарные соединения металлов с неметаллами. не имеет направленности в пространстве, потому что каждый ион связан сразу с несколькими противоионами, сила взаимодействия которых зависит от расстояния между ними (закон Кулона). Ионно-связанные соединения имеют немолекулярное строение, они представляют собой твердые вещества с ионными решетками, высокой полярностью, высокими температурами плавления и кипения, в водных растворах являющиеся электропроводными. Соединений с ионными связями в чистом виде практически не встречается.

Ионная кристаллическая решетка присуща некоторым гидроксидам и оксидам типичных металлов, солям, т.е. веществам с ионной

Кроме ионной связи в кристаллах бывает металлическая, молекулярная и ковалентная связь.

Кристаллы, имеющие ковалентную связь, являются полупроводниками или диэлектриками. Типовыми примерами атомных кристаллов служат алмаз, кремний и германий.

Алмаз — это минерал, аллотропная кубическая модификация (форма) углерода. Кристаллическая решетка алмаза - атомная, весьма сложная. В узлах такой решетки находятся атомы, соединенные между собой крайне прочными ковалентными связями. Алмаз состоит из отдельных атомов углерода, расположенных по одному в центре тетраэдра, вершинами которого являются четыре ближайших атома. Такая решетка характеризуется гранецентрированной кубической что обусловливает максимальную твердость алмаза и довольно высокую температуру плавления. В решетке алмаза отсутствуют молекулы - и кристалл можно рассматривать как одну внушительную молекулу.

Помимо этого, свойственна кремнию, твердому бору, германию и соединениям отдельных элементов с кремнием и углеродом (кремнезем, кварц, слюда, речной песок, карборунд). Вообще же представителей с атомной решеткой относительно немного.