Какие вещества образуют атомную кристаллическую решетку. Кристаллические решетки в химии

В химические взаимодействия вступают не отдельные атомы или молекулы, а вещества.

Наша задача познакомиться со строением вещества.

При низких температурах для веществ устойчиво твёрдое состояние.

☼ Самым твёрдым веществом в природе является алмаз. Он считается царём всех самоцветов и драгоценных камней. Да и само его название означает по-гречески «несокрушимый». На алмазы с давних пор смотрели как на чудодейственные камни. Считалось, что человек, носящий алмазы, не знает болезней желудка, на него не действует яд, он сохраняет до глубокой старости память и весёлое расположение духа, пользуется царской милостью.

☼ Алмаз, подвергнутый ювелирной обработке – огранке, шлифовке, называют бриллиантом.

При плавлении в результате тепловых колебаний порядок частиц нарушается, они становятся подвижными, при этом характер химической связи не нарушается. Таким образом, между твёрдым и жидким состояниями принципиальных различий нет.

У жидкости появляется текучесть (т. е. способность принимать форму сосуда).

Жидкие кристаллы открыты в конце XIX века, но изучены впоследние 20-25 лет. Многие показывающие устройства современной техники, например некоторые электронные часы, мини-ЭВМ, работают на жидких кристаллах.

В общем-то слова «жидкие кристаллы» звучат не менее необычно, чем «горячий лёд» . Однако на самом деле и лёд может быть горячим, т.к. при давлении более 10000 атм. водянойлёдплавится при температуре выше 200 0 С. Необычность сочетания «жидкие кристаллы» состоит в том, что жидкое состояние указывает на подвижность структуры, а кристалл предполагает строгую упорядоченность.

Если вещество состоит из многоатомных молекул вытянутой или пластинчатой формы и имеющих несимметричное строение, то при его плавлении эти молекулы ориентируются определённым образом друг относительно друга (их длинные оси располагаются параллельно). При этом молекулы могут свободно перемещаться параллельно самим себе, т.е. система приобретает свойство текучести, характерное для жидкости. В то же время система сохраняет упорядоченную структуру, обусловливающую свойства, характерное для кристаллов.

Высокая подвижность такой структуры даёт возможность управлять ею путём очень слабых воздействий (тепловых, электрических и др.), т.е. целенаправленно изменять свойства вещества, в том числе оптические, с очень малыми затратами энергии, что и используется в современной технике.

Любое химическое вещество образованно большим числом одинаковых частиц, которые связаны между собою.

При низких температурах, когда тепловое движение затруднено, частицы строго ориентируются в пространстве и образуют кристаллическую решётку .

Кристаллическая решетка – это структура с геометрически правильным расположением частиц в пространстве.

В самой кристаллической решетке различают узлы и межузловое пространство.

Одно и то же вещество в зависимости от условий (p , t ,…)существует в различных кристаллических формах (т.е. имеют разные кристаллические решетки) – аллотропных модификациях, которые отличаются по свойствам.

Например, известно четыре модификации углерода – графит, алмаз, карбин и лонсдейлит.

☼ Четвёртая разновидность кристаллического углерода «лонсдейлит» мало кому известна. Он обнаружен в метеоритах и получен искусственно, а строение его ещё изучается.

☼ Сажу, кокс, древесный уголь относили к аморфным полимерам углерода. Однако теперь стало известно, что это тоже кристаллические вещества.

☼ Кстати, в саже обнаружили блестящие чёрные частицы, которые назвали «зеркальным углеродом». Зеркальный углерод химически инертен, термостоек, непроницаем для газов и жидкостей, обладает гладкой поверхностью и абсолютной совместимостью с живыми тканями.

☼ Название графита происходит от итальянского «граффитто» - пишу, рисую. Графит представляет собой тёмно – серые кристаллы со слабым металлическим блеском, имеет слоистую решётку. Отдельные слои атомов в кристалле графита, связанные между собой сравнительно слабо, легко отделяются друг от друга.

ТИПЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЁТОК

Если скорость роста кристаллов мала при охлаждении – образуется стеклообразное состояние (аморфное).

1. Взаимосвязь между положениемэлемента в Периодической системе и кристаллической решёткой его простого вещества.

Между положением элемента в периодической системе и кристаллической решёткой его соответствующего простого вещества существует тесная взаимосвязь.

Простые вещества остальных элементов имеют металлическую кристаллическую решётку.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ

Изучите материал лекции, ответьте на следующие вопросы письменно в тетради:

1. Что такое кристаллическая решётка?
2. Какие виды кристаллических решёток существуют?
3. Охарактеризуйте каждый вид кристаллической решётки по плану: Что в узлах кристаллической решётки, структурная единица → Тип химической связи между частицами узла → Силы взаимодействия между частицами кристалла → Физические свойства, обусловленные кристаллической решёткой → Агрегатное состояние вещества при обычных условиях → Примеры

Выполните задания по данной теме:

1. Какой тип кристаллической решётки у следующих широко используемых в быту веществ: вода, уксусная кислота (CH 3 COOH ), сахар (C 12 H 22 O 11), калийное удобрение (KCl ), речной песок (SiO 2) – температура плавления 1710 0 C , аммиак (NH 3), поваренная соль? Сделайте обобщённый вывод: по каким свойствам вещества можно определить тип его кристаллической решётки?
2. По формулам приведённых веществ: SiC , CS 2 , NaBr , C 2 H 2 - определите тип кристаллической решётки (ионная, молекулярная) каждого соединения и на основе этого опишите физические свойства каждого из четырёх веществ.
   
3. Тренажёр №1. "Кристаллические решётки"
   
4. Тренажёр №2. "Тестовые задания"
   
5. Тест (самоконтроль):

1) Вещества, имеющие молекулярную кристаллическую решётку, как правило:

2) Понятия «молекула»не применимо по отношению к структурной единице вещества:

a ). вода

б). кислород

в). алмаз

г). озон

3) Атомная кристаллическая решётка характерна для:

a ). алюминияи графита

б). серы и йода

в). оксида кремния и хлорида натрия

г). алмаза и бора

4) Если вещество хорошо растворимо в воде, имеет высокую температуру плавления,электропроводно, то его кристаллическая решётка:

а). молекулярная

б). атомная

в). ионная

г). металлическая

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Тип урока : Комбинированный.

Основная цель урока: Дать учащимся конкретные представления об аморфных и кристаллических веществах, типах кристаллических решеток, установить взаимосвязь между строением и свойствами веществ.

Задачи урока.

Образовательная: сформировать понятия о кристаллическом и аморфном состоянии твердых тел, ознакомить учащихся с различными типами кристаллических решеток, установить зависимость физических свойств кристалла от характера химической связи в кристалле и типа кристаллической решетки, дать учащимся основные представления о влиянии природы химической связи и типов кристаллических решеток на свойства вещества, дать учащимся представление о законе постоянства состава.

Воспитательная: продолжить формирование мировоззрения учащихся, рассмотреть взаимное влияние компонентов целого- структурных частиц веществ, в результате которого появляются новые свойства, воспитывать умения организовать свой учебный труд, соблюдать правила работы в коллективе.

Развивающая: развивать познавательный интерес школьников, используя проблемные ситуации; совершенствовать умения учащихся устанавливать причинно-следственную зависимость физических свойств веществ от химической связи и типа кристаллической решетки, предсказывать тип кристаллической решетки на основе физических свойств вещества.

Оборудование: Периодическая система Д.И.Менделеева, коллекция “Металлы”, неметаллы: сера, графит, красный фосфор, кислород; Презентация “Кристаллические решетки”, модели кристаллических решеток разных типов (поваренной соли, алмаза и графита, углекислого газа и йода, металлов), образцы пластмасс и изделий из них, стекло, пластилин, смолы, воск, жевательная резинка, шоколад, компьютер, мультимедийная установка, видеопыт “Возгонка бензойной кислоты”.

Ход урока

1. Организационный момент.

Учитель приветствует учеников, фиксирует отсутствующих.

Затем сообщает тему урока и цель урока. Учащиеся записывают тему урока в тетрадь. (Cлайд 1, 2).

2. Проверка домашнего задания

(2 ученика у доски: Определить вид химической связи для веществ с формулами:

1) NaCl, CO 2 , I 2 ; 2) Na, NaOH, H 2 S (записывают ответ на доске и включаются в опрос).

3. Анализ ситуации.

Учитель: Что изучает химия? Ответ: Химия - это наука о веществах, их свойствах и превращениях веществ.

Учитель: Что же такое вещество? Ответ: Вещество - это то, из чего состоит физическое тело. (Cлайд 3).

Учитель: Какие агрегатные состояния веществ вы знаете?

Ответ: Существует три агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное. (Cлайд 4).

Учитель: Приведите примеры веществ, которые при различных температурах могут существовать во всех трех агрегатных состояниях.

Ответ: Вода. При обычных условиях вода находится в жидком состоянии, при понижении температуры ниже 0 0 С вода переходит в твердое состояние - лед, а при повышении температуры до 100 0 С мы получим водяной пар (газообразное состояние).

Учитель (дополнение): Любое вещество можно получить в твердом, жидком и газообразном виде. Кроме воды – это металлы, которые при нормальных условиях находятся в твердом состоянии, при нагревании начинают размягчаться, и при определенной температуре(t пл) переходят в жидкое состояние - плавятся. При дальнейшем нагревании, до температуры кипения, металлы начинают испаряться, т.е. переходить в газообразное состояние. Любой газ можно перевести в жидкое и твердое состояние, понижая температуру: например, кислород, который при температуре (-194 0 С) превращается в жидкость голубого цвета, а при температуре (-218,8 0 С) затвердевает в снегообразную массу, состоящую из кристаллов синего цвета. Сегодня на уроке мы будем рассматривать твердое состояние вещества.

Учитель: Назовите, какие твердые вещества находятся у вас на столах.

Ответ: Металлы, пластилин, поваренная соль: NaCl, графит.

Учитель: Как вы думаете? Какое из этих веществ лишнее?

Ответ: Пластилин.

Учитель: Почему?

Делаются предположения. Если ученики затрудняются, то с помощью учителя приходят к выводу, что пластилин в отличие от металлов и хлорида натрия не имеет определенной температуры плавления - он (пластилин) постепенно размягчается и переходит в текучее состояние. Таков, например, шоколад, который тает во рту, или жевательная резинка, а также стекло, пластмассы, смолы, воск (при объяснении учитель демонстрирует классу образцы этих веществ). Такие вещества называют аморфными. (слайд 5), а металлы и хлорид натрия - кристаллические. (Cлайд 6).

Таким образом, различают два вида твердых веществ: аморфные и кристаллические. (слайд7).

1) У аморфных веществ нет определенной температуры плавления и расположение частиц в них строго не упорядочено.

Кристаллические вещества имеют строго определенную температуру плавления и, главное, характеризуются правильным расположением частиц, из которых они построены: атомов, молекул и ионов. Эти частицы расположены в строго определенных точках пространства, и, если эти узлы соединить прямыми линиями, то образуется пространственный каркас - кристаллическая решетка .

Учитель задает проблемные вопросы

Как объяснить существование твердых веществ со столь различными свойствами?

2) Почему кристаллические вещества при ударе раскалываются в определенных плоскостях, а аморфные вещества этим свойством не обладают?

Выслушать ответы учеников и подвести их к выводу :

Свойства веществ в твердом состоянии зависят от типа кристаллической решетки (прежде всего от того, какие частицы находятся в ее узлах), что, в свою очередь, обусловлено типом химической связи в данном веществе.

Проверка домашнего задания:

1) NaCl – ионная связь,

СО 2 – ковалентная полярная связь

I 2 – ковалентная неполярная связь

2) Na – металлическая связь

NаОН - ионная связь между Na + иОН - (О и Н ковалентная)

Н 2 S - ковалентная полярная

Фронтальный опрос.

• Какая связь называется ионной?
• Какая связь называется ковалентной?
• Какая связь называется ковалентной полярной? неполярной?
• Что называется электроотрицательностью?

Вывод: Прослеживается логическая последовательность, взаимосвязь явлений в природе: Строение атома->ЭО->Виды химической связи->Тип кристаллической решетки->Свойства веществ. (слайд 10).

Учитель: В зависимости от вида частиц и от характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток : ионные, молекулярные, атомные и металлические. (Cлайд 11).

Результаты оформляются в следующую таблицу-образец таблицы у учеников на парте. (см. Приложение 1). (Cлайд 12).

Учитель: Как вы думаете? Для веществ с каким видом химической связи будет характерен такой вид решетки?

Ответ: Для веществ с ионной химической связью будет характерна ионная решетка.

Учитель: Какие частицы будут находиться в узлах решетки?

Ответ: Ионы.

Учитель: Какие частицы называются ионами?

Ответ: Ионы-это частицы, имеющие положительный или отрицательный заряд.

Учитель: Какие ионы бывают по составу?

Ответ: Простые и сложные.

Демонстрация - модель кристаллической решетки хлорида натрия (NaCl).

Объяснение учителя: В узлах кристаллической решетки хлорида натрия находятся ионы натрия и хлора.

В кристаллах NaCl отдельных молекул хлорида натрия не существует. 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 очень прочные. Поэтому вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью. Они тугоплавки, нелетучи, хрупки. Расплавы их проводят электрический ток (Почему?), легко растворяются в воде.

Ионные соединения - это бинарные соединения металлов (I А и II A), соли, щелочи.

Демонстрация кристаллических решеток алмаза и графита.

У учеников на столе образцы графита.

Учитель: Какие частицы будут находиться в узлах атомной кристаллической решетки?

Ответ: В узлах атомной кристаллической решетки находятся отдельные атомы.

Учитель: Какая химическая связь между атомами будет возникать?

Ответ: Ковалентная химическая связь.

Объяснения учителя.

Действительно, в узлах атомных кристаллических решеток находятся отдельные атомы, связанные между собой ковалентными связями. Так как атомы, подобно ионам, могут по-разному располагаться в пространстве, то образуются кристаллы разной формы.

Атомная кристаллическая решетка алмаза

В данных решетках молекулы отсутствуют. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую молекулу. Примером веществ с таким типом кристаллических решеток могут служить аллотропные модификации углерода: алмаз, графит; а также бор, кремний, красный фосфор, германий. Вопрос: Какие эти вещества по составу? Ответ: Простые по составу.

Атомные кристаллические решетки имеют не только простые, но и сложные. Например, оксид алюминия, оксид кремния. Все эти вещества имеют очень высокие температуры плавления (у алмаза свыше 3500 0 С), прочны и тверды, нелетучи, практически нерастворимы в жидкостях.

Учитель: Ребята, у вас на столах коллекция металлов, рассмотрим эти образцы.

Вопрос: Какая химическая связь характерна для металлов?

Ответ: Металлическая. Связь в металлах между положительными ионами посредством обобществленных электронов.

Вопрос: Какие общие физические свойства для металлов характерны?

Ответ: Блеск, электропроводность, теплопроводность, пластичность.

Вопрос: Объясните, в чем причина того, что у такого числа разнообразных веществ одинаковые физические свойства?

Ответ: Металлы имеют единое строение.

Демонстрация моделей кристаллических решеток металлов.

Объяснение учителя.

Вещества с металлической связью имеют металлические кристаллические решетки

В узлах таких решеток находятся атомы и положительные ионы металлов, а в объеме кристалла свободно перемещаются валентные электроны. Электроны электростатически притягивают положительные ионы металлов. Этим объясняется стабильность решетки.

Учитель демонстрирует и называет вещества: йод, сера.

Вопрос: Что объединяет эти вещества?

Ответ: Эти вещества являются неметаллами. Простые по составу.

Вопрос: Какая химическая связь внутри молекул?

Ответ: Химическая связь внутри молекул ковалентная неполярная.

Вопрос: Какие физические свойства для них характерны?

Ответ: Летучие, легкоплавкие, малорастворимые в воде.

Учитель: Давайте сравним свойства металлов и неметаллов. Ученики отвечают, что свойства принципиально отличаются.

Вопрос: Почему свойства неметаллов сильно отличаются от свойств металлов?

Ответ: У металлов связь металлическая, а у неметаллов ковалентная неполярная.

Учитель: Следовательно, и тип решетки другой. Молекулярная.

Вопрос: Какие частицы находятся в узлах решетки?

Ответ: Молекулы.

Демонстрация кристаллических решеток углекислого газа и йода.

Объяснение учителя.

Молекулярная кристаллическая решетка

Как видим, молекулярную кристаллическую решетку могут иметь не только твердые простые вещества: благородные газы, H 2 ,O 2 ,N 2, I 2 , O 3 , белый фосфор Р 4 , но и сложные : твердая вода, твердые хлороводород и сероводород. Большинство твердых органических соединений имеют молекулярные кристаллические решетки (нафталин, глюкоза, сахар).

В узлах решеток находятся неполярные или полярные молекулы. Несмотря на то, что атомы внутри молекул связаны прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного взаимодействия.

Вывод: Вещества непрочные, имеют малую твердость, низкую температуру плавления, летучи, способны к возгонке.

Вопрос : Какой процесс называется возгонкой или сублимацией?

Ответ : Переход вещества из твердого агрегатного состояния сразу в газообразное, минуя жидкое, называется возгонкой или сублимацией .

Демонстрация опыта: возгонка бензойной кислоты (видеоопыт).

Работа с заполненной таблицей.

Приложение 1. (Слайд 17)

Кристаллические решетки, вид связи и свойства веществ

Вопрос: Какой тип кристаллической решетки из рассмотренных выше не встречается в простых веществах?

Ответ: Ионные кристаллические решетки.

Вопрос: Какие кристаллические решетки характерны для простых веществ?

Ответ: Для простых веществ-металлов- металлическая кристаллическая решетка; для неметаллов - атомная или молекулярная.

Работа с Периодической системой Д.И.Менделеева.

Вопрос: Где в Периодической системе находятся элементы-металлы и почему? Элементы-неметаллы и почему?

Ответ: Если провести диагональ от бора до астата, то в нижнем левом углу от этой диагонали будут находиться элементы-металлы, т.к. на последнем энергетическом уровне они содержат от одного до трех электронов. Это элементы I A, II A, III A (кроме бора), а также олово и свинец, сурьма и все элементы побочных подгрупп.

Элементы-неметаллы находятся в верхнем правом углу от этой диагонали, т.к. на последнем энергетическом уровне содержат от четырех до восьми электронов. Это элементы IY A,Y A, YI A, YII A, YIII A и бор.

Учитель: Давайте найдем элементы неметаллы, у которых простые вещества имеют атомную кристаллическую решетку (Ответ: С, В, Si) и молекулярную (Ответ: N, S, O , галогены и благородные газы ).

Учитель: Сформулируйте вывод, как можно определить тип кристаллической решетки простого вещества в зависимости от положения элементов в Периодической системе Д.И.Менделеева.

Ответ: Для элементов-металлов, которые находятся в I A, II A, IIIA (кроме бора), а также олова и свинца, и всех элементов побочных подгрупп в простом веществе тип решетки-металлическая.

Для элементов-неметаллов IY A и бора в простом веществе кристаллическая решетка атомная; а у элементов Y A, YI A, YII A, YIII A в простых веществах кристаллическая решетка молекулярная.

Продолжаем работать с заполненной таблицей.

Учитель: Посмотрите внимательно на таблицу. Какая закономерность прослеживается?

Внимательно слушаем ответы учеников, после чего вместе с классом делаем вывод:

Существует следующая закономерность: если известно строение веществ, то можно предсказать их свойства, или наоборот: если известны свойства веществ, то можно определить строение. (Cлайд 18).

Учитель: Посмотрите внимательно на таблицу. Какую еще классификацию веществ вы можете предложить?

Если ученики затрудняются, то учитель объясняет, что вещества можно разделить на вещества молекулярного и немолекулярного строения. (Cлайд 19).

Вещества молекулярного строения состоят из молекул.

Вещества немолекулярного строения состоят из атомов, ионов.

Учитель: Сегодня мы познакомимся с одним из основных законом химии. Это закон постоянства состава, который был открыт французским химиком Ж.Л.Прустом. Закон справедлив только для веществ молекулярного строения. В настоящее время закон читается так:”Молекулярные химические соединения независимо от способа их получения имеют постоянный состав и свойства”. Но для веществ с немолекулярным строением этот закон не всегда справедлив.

Теоретическое и практическое значение закона состоит в том, что на его основе состав веществ можно выразить с помощью химических формул(для многих веществ немолекулярного строения химическая формула показывает состав не реально существующей, а условной молекулы).

Вывод: химическая формула вещества заключает в себе большую информацию. (Cлайд 21)

Например, SO 3:

1. Конкретное вещество - серный газ, или оксид серы (YI).

2.Тип вещества - сложное; класс - оксид.

3. Качественный состав - состоит из двух элементов: серы и кислорода.

4. Количественный состав - молекула состоит из1 атома серы и 3 атомов кислорода.

5.Относительная молекулярная масса - M r (SO 3)= 32 + 3 * 16 = 80.

6. Молярная масса - М(SO 3) = 80 г/моль.

7. Много другой информации.

Закрепление и применение полученных знаний

(Слайд 22, 23).

Игра в крестики-нолики: зачеркните по вертикали, горизонтали, диагонали вещества, имеющие одинаковую кристаллическую решетку.

Рефлексия.

Учитель задает вопрос: “Ребята, что нового вы узнали на уроке?”.

Подведение итогов занятия

Учитель: Ребята, давайте подведем основные итоги нашего урока - ответьте на вопросы.

1. Какие классификации веществ вы узнали?

2. Как вы понимаете термин кристаллическая решетка.

3. Какие типы кристаллических решеток вы теперь знаете?

4. О какой закономерности строения и свойств веществ вы узнали?

5. В каком агрегатном состоянии вещества имеют кристаллические решетки?

6. С каким основным законом химии вы познакомились на уроке?

Домашнее задание: §22, конспект.

1. Составьте формулы веществ: хлорид кальция, оксид кремния (IY), азот, сероводород.

Определите тип кристаллической решетки и попытайтесь прогнозировать: каковы должны быть температуры плавления у этих веществ.

2. Творческое задание -> составить вопросы к параграфу.

Учитель благодарит за урок. Выставляет отметки ученикам.

5. Ионная и металлическая связь. Водородная связь. Валентность

5.4. Типы кристаллических решеток

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ртуть → щелочные металлы → щелочноземельные металлы →

→ металлы d -семейства → вольфрам.

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

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

Твердые 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:

1. кристаллической решетки Е кр [КДж / моль] — это энергия, выделяющаяся при образовании 1 моля кристалла из микрочастиц (атомов, молекул, ионов), которые находятся в газообразном состоянии и удалены друг от друга на такое расстояние, что исключается возможность их взаимодействия.
2. Константа кристаллической решетки d — наименьшее расстояние между центрами двух частиц в соседних узлах кристаллической решетки, соединенных .
3. Координационное число — количество ближайших частиц, окружающих в пространстве центральную частицу и сочетаются с ней химической связью.

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:

• симметрия элементарной ячейки должна соответствовать симметрии кристаллической решетки;
• элементарная ячейка должна иметь максимальное количество одинаковых ребер а, b , с и одинаковых углов между ними a , b , g . ;
• при условии соблюдения первых двух правил элементарная ячейка должна занимать минимальный объем.

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.

Типы кристаллических решеток

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

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.

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.

Атомные решетки

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).

Слоистые структуры можно рассматривать как огромные двумерные молекулы. Для слоистых структур присущи ковалентные связи внутри каждого слоя и слабое вандерваальсовское взаимодействие между соседними слоями.

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.

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.

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.

Металлические решетки

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.

Молекулярные решетки

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.

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.