Ένας τύπος κρυσταλλικού πλέγματος μεταλλικού δεσμού. Κρυσταλλικά πλέγματα. Τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων

5. Ιωνικός και μεταλλικός δεσμός. Δεσμός υδρογόνου. Σθένος

5.4. Τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων

Οι ουσίες σε στερεά κατάσταση μπορούν να έχουν άμορφη και κρυσταλλική δομή. Στις άμορφες ουσίες (γυαλί, πολυμερή) η διάταξη των σωματιδίων είναι διαταραγμένη, αλλά στις κρυσταλλικές ουσίες οι δομικές μονάδες (άτομα, μόρια ή ιόντα) είναι διατεταγμένες με αυστηρή σειρά.

Κάτω από κρυσταλλικού πλέγματοςαναφέρεται στο πλαίσιο που σχηματίζεται εάν οι δομικές μονάδες ενός κρυστάλλου συνδέονται με νοητές ευθείες γραμμές. Τα σημεία τομής αυτών των ευθειών ονομάζονται κόμβοι κρυσταλλικού πλέγματος. Ανάλογα με τη φύση των σωματιδίων που βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος, καθώς και με τον τύπο του χημικού δεσμού μεταξύ τους, διακρίνονται τέσσερις κύριοι τύποι (τύποι) κρυσταλλικών δικτυωμάτων: ατομικά, μοριακά, ιοντικά και μεταλλικά.

Οι ουσίες με ατομικά, ιοντικά και μεταλλικά κρυσταλλικά πλέγματα έχουν μη μοριακή δομή

Σε κόμβους ατομικό κρυσταλλικό πλέγμαυπάρχουν άτομα ίδιων ή διαφορετικών χημικών στοιχείων (συνήθως μη μετάλλων), συνδεδεμένα μεταξύ τους με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς (βλ. Εικ. 16.1 στη σελ. 347). Οι ουσίες με ατομικό πλέγμα ονομάζονται ατομικοί ή ομοιοπολικοί κρύσταλλοι.

Ας θυμηθούμε ουσίες με ατομικό κρυσταλλικό πλέγμα: βόριο, πυρίτιο, διαμάντι, γραφίτης, μαύρος και κόκκινος φώσφορος, καρβορούνδιο SiC, οξείδιο του πυριτίου (IV) SiO 2.

Λόγω της υψηλής ενέργειας των ομοιοπολικών δεσμών, οι ουσίες ατομικής δομής έχουν πολύ υψηλό σημείο τήξης, υψηλή σκληρότητα και αντοχή και χαμηλή διαλυτότητα. κατά κανόνα, είναι διηλεκτρικά ή ημιαγωγοί (πυρίτιο, γερμάνιο). Η πιο σκληρή φυσική ουσία είναι το διαμάντι (σημείο τήξης 3500 °C), η πιο πυρίμαχη είναι ο γραφίτης (3700 °C). το καρβορούνδιο SiC (2700 °C) και το πυρίτιο SiO 2 (1610 °C) έχουν υψηλό σημείο τήξης.

Σε κόμβους μοριακούς κρυστάλλους(ουσίες με μοριακό κρυσταλλικό πλέγμα, μοριακή δομή) υπάρχουν μόρια (Εικ. 5.7, α). Τα μόρια συνδέονται μεταξύ τους με ασθενείς διαμοριακές δυνάμεις (μην συγχέεται: στα μόρια ο δεσμός είναι ομοιοπολικός, δηλαδή ισχυρός), που απαιτεί σχετικά λίγη ενέργεια για να σπάσει. Επομένως, οι μοριακές ουσίες έχουν χαμηλή αντοχή, χαμηλή σκληρότητα, σημαντική συμπιεστότητα και χαμηλά σημεία τήξης και βρασμού. Χαρακτηρίζονται από αστάθεια, πολλά έχουν μια μυρωδιά και μερικά θαυμάσια. Οι μοριακοί κρύσταλλοι δεν αγώγουν ηλεκτρική ενέργεια, μπορεί να είναι διαλυτό σε πολικούς και μη πολικούς διαλύτες.

Οι περισσότερες ουσίες με ομοιοπολικό πολικό ή μη δεσμό έχουν μοριακό κρυσταλλικό πλέγμα, με εξαίρεση τις ουσίες ατομικής δομής που αναφέρονται παραπάνω. Η μοριακή δομή είναι πιο χαρακτηριστική των οργανικών ουσιών. Παραδείγματα ουσιών μοριακής δομής: ευγενή αέρια (για αυτά οι έννοιες του ατόμου και του μορίου είναι ταυτόσημες, μπορούμε να πούμε ότι τα ευγενή αέρια αποτελούνται από μονατομικά μόρια), αλογόνα (σε στερεά κατάσταση), λευκός φώσφορος P4, ορθορομβικό και μονοκλινικό θείο S8 , στερεό οξυγόνο, όζον, άζωτο, νερό, υδραλογονίδια, αλκάνια, βενζόλιο.

Ρύζι. 5.7. Δομή του κρυσταλλικού πλέγματος διοξείδιο του άνθρακα(CO 2) σε στερεή κατάσταση (α) και χλωριούχο νάτριο (β)

Όλες οι ουσίες με ιοντικούς δεσμούς σχηματίζονται ιοντικά κρυσταλλικά πλέγματα, έχουν ιοντική δομή. Αυτά είναι άλατα, βασικά και αμφοτερικά οξείδια, βάσεις, δυαδικές ενώσεις μετάλλων με αμέταλλα (υδρίδια, νιτρίδια κ.λπ.). Στους κόμβους των ιοντικών κρυστάλλων υπάρχουν αντίθετα φορτισμένα απλά ή σύνθετα κατιόντα και ανιόντα, διασυνδεδεμένα με ισχυρό ιοντικό δεσμό (Εικ. 5.7, β) Λόγω της αντοχής του ιοντικού δεσμού, οι ιονικοί κρύσταλλοι έχουν μεγάλη σκληρότητα, είναι μη πτητικές. και άοσμο, και χαρακτηρίζονται από υψηλά σημεία βρασμού και τήξης. Στο θερμοκρασία δωματίουΟι ιοντικές ουσίες μεταφέρουν το ηλεκτρικό ρεύμα και θερμαίνονται ελάχιστα, πολλές από αυτές είναι πολύ διαλυτές σε πολικούς διαλύτες και τα τήγματα φέρουν ηλεκτρικό ρεύμα. Οι ιοντικές ουσίες χαρακτηρίζονται από ασθενή παραμόρφωση και ευθραυστότητα, καθώς όταν τα ιόντα μετατοπίζονται μεταξύ τους, δημιουργούνται απωστικές δυνάμεις μεταξύ ιόντων παρόμοιας φόρτισης.

Ουσίες με μορφή μεταλλικού δεσμού μεταλλικά κρυσταλλικά πλέγματα(μεταλλικοί κρύσταλλοι), στους οποίους (βλ. Εικ. 5.1) η επικοινωνία παρέχεται από ελεύθερα ηλεκτρόνια (αέριο ηλεκτρονίων).

Για το λόγο αυτό, οι απλές ουσίες μέταλλα (και τα κράματά τους) έχουν χαρακτηριστική μεταλλική λάμψη, πολύ υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, είναι αδιαφανή, ελατά και όλκιμα. Τα μέταλλα έχουν ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών τήξης (για παράδειγμα, σε φυσιολογικές συνθήκεςο υδράργυρος βρίσκεται σε υγρή κατάσταση συσσωματώματος), σκληρότητα (μαλακός μόλυβδος και πολύ σκληρό χρώμιο), που οφείλεται σε ορισμένες διαφορές στη φύση του μεταλλικού δεσμού διαφορετικά μέταλλα. Όπως έχει ήδη σημειωθεί, η θερμοκρασία τήξης των μετάλλων μπορεί να χρησιμεύσει ως μέτρο της αντοχής ενός μεταλλικού δεσμού: όσο υψηλότερη είναι η τήξη, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του μεταλλικού δεσμού. Το σημείο τήξης των μετάλλων αυξάνεται στη σειρά:

υδράργυρος → μέταλλα αλκαλίων → μέταλλα αλκαλικών γαιών →

→ μέταλλα δ-οικογένειας → βολφράμιο.

Παράδειγμα 5.4. Μεταξύ των ενώσεων χλωρίου με στοιχεία της 3ης περιόδου, το χαμηλότερο σημείο τήξης είναι:

Λύση. Η απαιτούμενη ουσία είναι το SCl 2, αφού έχει μοριακό κρυσταλλικό πλέγμα (όλες οι άλλες ουσίες είναι ιοντικές).

Κατά την εκτέλεση πολλών σωματικών και χημικές αντιδράσειςη ουσία περνά σε στερεή κατάσταση συσσωμάτωσης. Σε αυτή την περίπτωση, τα μόρια και τα άτομα τείνουν να διατάσσονται σε μια τέτοια χωρική σειρά στην οποία οι δυνάμεις της αλληλεπίδρασης μεταξύ των σωματιδίων της ύλης θα εξισορροπούνται στο μέγιστο βαθμό. Έτσι επιτυγχάνεται η αντοχή της στερεάς ουσίας. Τα άτομα, αφού καταλάβουν μια συγκεκριμένη θέση, εκτελούν μικρές ταλαντωτικές κινήσεις, το πλάτος των οποίων εξαρτάται από τη θερμοκρασία, αλλά η θέση τους στο χώρο παραμένει σταθερή. Οι δυνάμεις έλξης και απώθησης ισορροπούν μεταξύ τους σε μια ορισμένη απόσταση.

Σύγχρονες ιδέες για τη δομή της ύλης

Η σύγχρονη επιστήμη αναφέρει ότι ένα άτομο αποτελείται από έναν φορτισμένο πυρήνα, ο οποίος φέρει θετικό φορτίο, και από ηλεκτρόνια, τα οποία φέρουν αρνητικά φορτία. Με ταχύτητα πολλών χιλιάδων τρισεκατομμυρίων περιστροφών ανά δευτερόλεπτο, τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται στις τροχιές τους, δημιουργώντας ένα σύννεφο ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα. Το θετικό φορτίο του πυρήνα είναι αριθμητικά ίσο με το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων. Έτσι, το άτομο της ουσίας παραμένει ηλεκτρικά ουδέτερο. Πιθανές αλληλεπιδράσεις με άλλα άτομα συμβαίνουν όταν τα ηλεκτρόνια αποσπώνται από το μητρικό τους άτομο, διαταράσσοντας έτσι την ηλεκτρική ισορροπία. Σε μια περίπτωση, τα άτομα είναι διατεταγμένα σε μια ορισμένη σειρά, η οποία ονομάζεται κρυσταλλικό πλέγμα. Σε ένα άλλο, λόγω της πολύπλοκης αλληλεπίδρασης πυρήνων και ηλεκτρονίων, συνδυάζονται σε μόρια διάφοροι τύποικαι πολυπλοκότητα.

Ορισμός κρυσταλλικού πλέγματος

Συνολικά Διάφοροι τύποιΤα κρυσταλλικά πλέγματα ουσιών είναι δίκτυα με διαφορετικούς χωρικούς προσανατολισμούς, στους κόμβους των οποίων βρίσκονται ιόντα, μόρια ή άτομα. Αυτή η σταθερή γεωμετρική χωρική θέση ονομάζεται κρυσταλλικό πλέγμα της ουσίας. Η απόσταση μεταξύ των κόμβων ενός κρυσταλλικού κυττάρου ονομάζεται περίοδος ταυτότητας. Οι χωρικές γωνίες στις οποίες βρίσκονται οι κόμβοι κελιών ονομάζονται παράμετροι. Σύμφωνα με τη μέθοδο κατασκευής των δεσμών, τα κρυσταλλικά πλέγματα μπορεί να είναι απλά, με κέντρο τη βάση, με επίκεντρο το πρόσωπο και με κέντρο το σώμα. Εάν τα σωματίδια της ύλης βρίσκονται μόνο στις γωνίες του παραλληλεπίπεδου, ένα τέτοιο πλέγμα ονομάζεται απλό. Ένα παράδειγμα τέτοιου πλέγματος φαίνεται παρακάτω:

Εάν, εκτός από τους κόμβους, τα σωματίδια της ουσίας βρίσκονται στο μέσο των χωρικών διαγωνίων, τότε αυτή η διάταξη των σωματιδίων στην ουσία ονομάζεται σωματοκεντρικό κρυσταλλικό πλέγμα. Αυτός ο τύπος φαίνεται καθαρά στο σχήμα.

Εάν, εκτός από τους κόμβους στις κορυφές του πλέγματος, υπάρχει ένας κόμβος στο σημείο όπου τέμνονται οι νοητές διαγώνιοι του παραλληλεπίπεδου, τότε έχετε έναν τύπο πλέγματος με κέντρο την όψη.

Τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων

Τα διαφορετικά μικροσωματίδια που συνθέτουν μια ουσία καθορίζουν τους διαφορετικούς τύπους κρυσταλλικών δικτυωμάτων. Μπορούν να καθορίσουν την αρχή της δημιουργίας συνδέσεων μεταξύ μικροσωματιδίων μέσα σε έναν κρύσταλλο. Φυσικοί τύποικρυσταλλικά πλέγματα - ιοντικά, ατομικά και μοριακά. Αυτό περιλαμβάνει επίσης διάφορους τύπους μεταλλικών κρυσταλλικών δικτυωμάτων. Μελετώντας τις αρχές εσωτερική δομήΗ χημεία ασχολείται με στοιχεία. Οι τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων παρουσιάζονται αναλυτικότερα παρακάτω.

Ιωνικά κρυσταλλικά πλέγματα

Αυτοί οι τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων υπάρχουν σε ενώσεις με ιοντικό τύπο δεσμού. Σε αυτή την περίπτωση, οι θέσεις πλέγματος περιέχουν ιόντα με αντίθετα ηλεκτρικά φορτία. Χάρη σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, οι δυνάμεις της διαιονικής αλληλεπίδρασης αποδεικνύονται αρκετά ισχυρές και αυτό καθορίζει τις φυσικές ιδιότητες της ουσίας. Κοινά χαρακτηριστικά είναι η ανθεκτικότητα, η πυκνότητα, η σκληρότητα και η ικανότητα αγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Οι ιοντικοί τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων βρίσκονται σε ουσίες όπως το επιτραπέζιο αλάτι, το νιτρικό κάλιο και άλλες.

Ατομικά κρυσταλλικά πλέγματα

Αυτός ο τύπος δομής της ύλης είναι εγγενής σε στοιχεία των οποίων η δομή καθορίζεται από ομοιοπολική χημικός δεσμός. Οι τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων αυτού του είδους περιέχουν μεμονωμένα άτομα στους κόμβους, συνδεδεμένα μεταξύ τους με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Αυτός ο τύπος δεσμού εμφανίζεται όταν δύο πανομοιότυπα άτομα «μοιράζονται» ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας έτσι ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων για γειτονικά άτομα. Χάρη σε αυτή την αλληλεπίδραση, οι ομοιοπολικοί δεσμοί συνδέουν τα άτομα ομοιόμορφα και ισχυρά με μια συγκεκριμένη σειρά. Τα χημικά στοιχεία που περιέχουν ατομικούς τύπους κρυσταλλικών δικτυωμάτων είναι σκληρά, έχουν υψηλό σημείο τήξης, είναι κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού και είναι χημικά ανενεργά. Κλασικά παραδείγματα στοιχείων με παρόμοια εσωτερική δομή περιλαμβάνουν το διαμάντι, το πυρίτιο, το γερμάνιο και το βόριο.

Μοριακά κρυσταλλικά πλέγματα

Οι ουσίες που έχουν ένα μοριακό τύπο κρυσταλλικού πλέγματος είναι ένα σύστημα σταθερών, αλληλεπιδρώντων, στενά συσκευασμένων μορίων που βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος. Σε τέτοιες ενώσεις, τα μόρια διατηρούν τη χωρική τους θέση στην αέρια, υγρή και στερεή φάση. Στους κόμβους του κρυστάλλου, τα μόρια συγκρατούνται μεταξύ τους με ασθενείς δυνάμεις van der Waals, οι οποίες είναι δεκάδες φορές πιο αδύναμες από τις δυνάμεις ιοντικής αλληλεπίδρασης.

Τα μόρια που σχηματίζουν έναν κρύσταλλο μπορεί να είναι είτε πολικά είτε μη πολικά. Λόγω της αυθόρμητης κίνησης των ηλεκτρονίων και των δονήσεων των πυρήνων στα μόρια, η ηλεκτρική ισορροπία μπορεί να μετατοπιστεί - έτσι προκύπτει μια στιγμιαία ηλεκτρική διπολική ροπή. Τα κατάλληλα προσανατολισμένα δίπολα δημιουργούν ελκτικές δυνάμεις στο πλέγμα. Το διοξείδιο του άνθρακα και η παραφίνη είναι τυπικά παραδείγματα στοιχείων με μοριακό κρυσταλλικό πλέγμα.

Μεταλλικά κρυσταλλικά πλέγματα

Ένας μεταλλικός δεσμός είναι πιο εύκαμπτος και όλκιμος από έναν ιοντικό δεσμό, αν και μπορεί να φαίνεται ότι και οι δύο βασίζονται στην ίδια αρχή. Οι τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων μετάλλων εξηγούν τις τυπικές ιδιότητές τους - όπως η μηχανική αντοχή, η θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα και η τήξη.

Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα ενός μεταλλικού κρυσταλλικού πλέγματος είναι η παρουσία θετικά φορτισμένων μεταλλικών ιόντων (κατιόντων) στις θέσεις αυτού του πλέγματος. Ανάμεσα στους κόμβους υπάρχουν ηλεκτρόνια που συμμετέχουν άμεσα στη δημιουργία ηλεκτρικό πεδίογύρω από τη σχάρα. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που κινούνται μέσα σε αυτό το κρυσταλλικό πλέγμα ονομάζεται αέριο ηλεκτρονίων.

Ελλείψει ηλεκτρικού πεδίου, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτελούν χαοτική κίνηση, αλληλεπιδρώντας τυχαία με ιόντα πλέγματος. Κάθε τέτοια αλληλεπίδραση αλλάζει την ορμή και την κατεύθυνση της κίνησης του αρνητικά φορτισμένου σωματιδίου. Με το ηλεκτρικό τους πεδίο, τα ηλεκτρόνια προσελκύουν κατιόντα προς τον εαυτό τους, εξισορροπώντας την αμοιβαία απώθησή τους. Αν και τα ηλεκτρόνια θεωρούνται ελεύθερα, η ενέργειά τους δεν είναι αρκετή για να φύγουν από το κρυσταλλικό πλέγμα, έτσι αυτά τα φορτισμένα σωματίδια βρίσκονται συνεχώς εντός των ορίων του.

Η παρουσία ηλεκτρικού πεδίου δίνει στο αέριο ηλεκτρονίων πρόσθετη ενέργεια. Η σύνδεση με τα ιόντα στο κρυσταλλικό πλέγμα των μετάλλων δεν είναι ισχυρή, επομένως τα ηλεκτρόνια εγκαταλείπουν εύκολα τα όριά του. Τα ηλεκτρόνια κινούνται κατά μήκος ηλεκτρικά καλώδια, αφήνοντας πίσω θετικά φορτισμένα ιόντα.

συμπεράσματα

Η χημεία αποδίδει μεγάλη σημασία στη μελέτη της εσωτερικής δομής της ύλης. Οι τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων διαφόρων στοιχείων καθορίζουν σχεδόν ολόκληρο το φάσμα των ιδιοτήτων τους. Επηρεάζοντας τους κρυστάλλους και αλλάζοντας την εσωτερική τους δομή, είναι δυνατό να ενισχυθούν οι επιθυμητές ιδιότητες της ουσίας και να αφαιρεθούν οι ανεπιθύμητες. χημικά στοιχεία. Έτσι, μελετώντας εσωτερική δομήο περιβάλλοντα κόσμος μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση της ουσίας και των αρχών της δομής του σύμπαντος.

Οι περισσότερες ουσίες χαρακτηρίζονται από την ικανότητα, ανάλογα με τις συνθήκες, να βρίσκονται σε μία από τις τρεις καταστάσεις συσσωμάτωσης: στερεά, υγρή ή αέρια.

Για παράδειγμα, το νερό σε κανονική πίεση στο εύρος θερμοκρασίας 0-100 o C είναι υγρό, σε θερμοκρασίες πάνω από 100 o C μπορεί να υπάρχει μόνο σε αέρια κατάσταση και σε θερμοκρασίες κάτω από 0 o C είναι στερεό.
Οι ουσίες σε στερεά κατάσταση χωρίζονται σε άμορφες και κρυσταλλικές.

Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των άμορφων ουσιών είναι η απουσία διαυγούς σημείου τήξης: η ρευστότητά τους αυξάνεται σταδιακά με την αύξηση της θερμοκρασίας. Στις άμορφες ουσίες περιλαμβάνονται ενώσεις όπως το κερί, η παραφίνη, τα περισσότερα πλαστικά, το γυαλί κ.λπ.

Ωστόσο, οι κρυσταλλικές ουσίες έχουν συγκεκριμένο σημείο τήξης, δηλ. μια ουσία με κρυσταλλική δομή περνά από τη στερεά σε μια υγρή κατάσταση όχι σταδιακά, αλλά απότομα, όταν φτάσει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Παραδείγματα κρυσταλλικών ουσιών περιλαμβάνουν το επιτραπέζιο αλάτι, τη ζάχαρη και τον πάγο.

Διαφορά σε φυσικές ιδιότητεςΤα άμορφα και κρυσταλλικά στερεά καθορίζονται κυρίως από τα δομικά χαρακτηριστικά τέτοιων ουσιών. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ μιας ουσίας σε άμορφη και κρυσταλλική κατάσταση μπορεί να γίνει πιο εύκολα κατανοητή από την παρακάτω εικόνα:

Όπως μπορείτε να δείτε, σε μια άμορφη ουσία, σε αντίθεση με μια κρυσταλλική, δεν υπάρχει τάξη στη διάταξη των σωματιδίων. Εάν σε μια κρυσταλλική ουσία συνδέετε νοερά δύο άτομα κοντά το ένα στο άλλο με μια ευθεία γραμμή, τότε μπορείτε να διαπιστώσετε ότι τα ίδια σωματίδια θα βρίσκονται σε αυτή τη γραμμή σε αυστηρά καθορισμένα διαστήματα:

Έτσι, στην περίπτωση των κρυσταλλικών ουσιών, μπορούμε να μιλήσουμε για μια τέτοια έννοια όπως ένα κρυσταλλικό πλέγμα.

Κρυσταλλικού πλέγματος ονομάζεται χωρικό πλαίσιο που συνδέει τα σημεία του χώρου στα οποία βρίσκονται τα σωματίδια που σχηματίζουν τον κρύσταλλο.

Τα σημεία στο χώρο στα οποία βρίσκονται τα σωματίδια που σχηματίζουν τον κρύσταλλο ονομάζονται κόμβοι κρυσταλλικού πλέγματος .

Ανάλογα με το ποια σωματίδια βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος, διακρίνονται: μοριακό, ατομικό, ιοντικό Και μεταλλικά κρυσταλλικά πλέγματα .

Σε κόμβους μοριακό κρυσταλλικό πλέγμα

Κρυσταλλικό κελίπάγος ως παράδειγμα μοριακού πλέγματος

Υπάρχουν μόρια μέσα στα οποία τα άτομα συνδέονται με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς, αλλά τα ίδια τα μόρια συγκρατούνται το ένα κοντά στο άλλο με ασθενείς διαμοριακές δυνάμεις. Λόγω τέτοιων αδύναμων διαμοριακών αλληλεπιδράσεων, οι κρύσταλλοι με ένα μοριακό πλέγμα είναι εύθραυστοι. Τέτοιες ουσίες διαφέρουν από ουσίες με άλλους τύπους δομής από σημαντικά χαμηλότερα σημεία τήξης και βρασμού, δεν φέρουν ηλεκτρικό ρεύμα και μπορεί να διαλύονται ή να μην διαλύονται σε διάφορους διαλύτες. Τα διαλύματα τέτοιων ενώσεων μπορεί να φέρουν ή όχι ηλεκτρικό ρεύμα, ανάλογα με την κατηγορία της ένωσης. Οι ενώσεις με μοριακό κρυσταλλικό πλέγμα περιλαμβάνουν πολλές απλές ουσίες - μη μέταλλα (σκληρυμένο H 2, O 2, Cl 2, ορθορομβικό θείο S 8, λευκό φώσφορο P 4), καθώς και πολλές σύνθετες ουσίες - ενώσεις υδρογόνου από μη μέταλλα, οξέα, οξείδια μη μετάλλων, οι περισσότερες οργανικές ουσίες. Πρέπει να σημειωθεί ότι εάν μια ουσία βρίσκεται σε αέρια ή υγρή κατάσταση, δεν είναι σωστό να μιλάμε για μοριακό κρυσταλλικό πλέγμα: είναι πιο σωστό να χρησιμοποιείται ο όρος μοριακός τύπος δομής.

Διαμαντένιο κρυσταλλικό πλέγμα ως παράδειγμα ατομικού πλέγματος

Σε κόμβους ατομικό κρυσταλλικό πλέγμα

υπάρχουν άτομα. Επιπλέον, όλοι οι κόμβοι ενός τέτοιου κρυσταλλικού πλέγματος «συνδέονται» μεταξύ τους μέσω ισχυρών ομοιοπολικών δεσμών σε έναν ενιαίο κρύσταλλο. Στην πραγματικότητα, ένας τέτοιος κρύσταλλος είναι ένα γιγάντιο μόριο. Λόγω των δομικών τους χαρακτηριστικών, όλες οι ουσίες με ατομικό κρυσταλλικό πλέγμα είναι στερεές, έχουν υψηλά σημεία τήξης, είναι χημικά ανενεργές, αδιάλυτες είτε στο νερό είτε σε οργανικούς διαλύτες και τα τήματά τους δεν μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα. Θα πρέπει να θυμόμαστε ότι οι ουσίες με ατομικό τύπο δομής περιλαμβάνουν το βόριο Β, τον άνθρακα C (διαμάντι και γραφίτη), το πυρίτιο Si από απλές ουσίες και το διοξείδιο του πυριτίου SiO 2 (χαλαζίας), το καρβίδιο του πυριτίου SiC, το νιτρίδιο του βορίου BN από σύνθετες ουσίες.

Για ουσίες με ιοντικό κρυσταλλικό πλέγμα

Οι θέσεις του πλέγματος περιέχουν ιόντα συνδεδεμένα μεταξύ τους μέσω ιοντικών δεσμών.
Δεδομένου ότι οι ιοντικοί δεσμοί είναι αρκετά ισχυροί, οι ουσίες με ιοντικό πλέγμα έχουν σχετικά υψηλή σκληρότητα και ανθεκτικότητα. Τις περισσότερες φορές, είναι διαλυτά στο νερό και τα διαλύματά τους, όπως τα τήγματα, μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα.
Οι ουσίες με ιοντικό κρυσταλλικό πλέγμα περιλαμβάνουν άλατα μετάλλου και αμμωνίου (NH 4 +), βάσεις και οξείδια μετάλλων. Ένα σίγουρο σημάδιΗ ιοντική δομή μιας ουσίας είναι η παρουσία στη σύνθεσή της και των δύο ατόμων ενός τυπικού μετάλλου και ενός μη μετάλλου.

Κρυσταλλικό πλέγμα χλωριούχου νατρίου ως παράδειγμα ιοντικού πλέγματος

παρατηρείται σε κρυστάλλους ελεύθερων μετάλλων, για παράδειγμα, Na νάτριο, σίδηρο Fe, μαγνήσιο Mg κ.λπ. Στην περίπτωση ενός μεταλλικού κρυσταλλικού πλέγματος, οι κόμβοι του περιέχουν κατιόντα και άτομα μετάλλου, μεταξύ των οποίων κινούνται ηλεκτρόνια. Σε αυτή την περίπτωση, τα κινούμενα ηλεκτρόνια προσκολλώνται περιοδικά στα κατιόντα, εξουδετερώνοντας έτσι το φορτίο τους, και μεμονωμένα ουδέτερα άτομαΣε αντάλλαγμα, τα μέταλλα «απελευθερώνουν» μερικά από τα ηλεκτρόνια τους, μετατρέποντας, με τη σειρά τους, σε κατιόντα. Στην πραγματικότητα, τα «ελεύθερα» ηλεκτρόνια δεν ανήκουν σε μεμονωμένα άτομα, αλλά σε ολόκληρο τον κρύσταλλο.

Τέτοια δομικά χαρακτηριστικά οδηγούν στο γεγονός ότι τα μέταλλα μεταφέρουν καλά τη θερμότητα και το ηλεκτρικό ρεύμα και συχνά έχουν υψηλή ολκιμότητα (ελατότητα).
Η εξάπλωση των θερμοκρασιών τήξης των μετάλλων είναι πολύ μεγάλη. Για παράδειγμα, το σημείο τήξης του υδραργύρου είναι περίπου μείον 39 ° C (υγρό υπό κανονικές συνθήκες) και το βολφράμιο είναι 3422 ° C. Πρέπει να σημειωθεί ότι υπό κανονικές συνθήκες όλα τα μέταλλα εκτός από τον υδράργυρο είναι στερεά.

Τα περισσότερα στερεά έχουν κρυσταλλική δομή, στο οποίο τα σωματίδια από τα οποία είναι «χτισμένο» βρίσκονται σε μια συγκεκριμένη σειρά, δημιουργώντας έτσι κρυσταλλικού πλέγματος. Είναι κατασκευασμένο από επαναλαμβανόμενες πανομοιότυπες δομικές μονάδες - μοναδιαία κύτταρα, το οποίο επικοινωνεί με γειτονικά κελιά, σχηματίζοντας επιπλέον κόμβους. Ως αποτέλεσμα, υπάρχουν 14 διαφορετικά κρυσταλλικά πλέγματα.

Τύποι κρυσταλλικών δικτυωμάτων.

Ανάλογα με τα σωματίδια που βρίσκονται στους κόμβους του πλέγματος, διακρίνονται:

• μεταλλικό κρυσταλλικό πλέγμα?
• ιοντικό κρυσταλλικό πλέγμα;
• μοριακό κρυσταλλικό πλέγμα;
• μακρομοριακό (ατομικό) κρυσταλλικό πλέγμα.

Μεταλλικός δεσμός σε κρυσταλλικά πλέγματα.

Οι ιονικοί κρύσταλλοι έχουν αυξημένη ευθραυστότητα, επειδή μια μετατόπιση στο κρυσταλλικό πλέγμα (ακόμη και ελαφρά) οδηγεί στο γεγονός ότι τα παρόμοια φορτισμένα ιόντα αρχίζουν να απωθούνται μεταξύ τους και οι δεσμοί σπάνε, σχηματίζονται ρωγμές και διασπάσεις.

Μοριακός δεσμός κρυσταλλικών δικτυωμάτων.

Το κύριο χαρακτηριστικό του διαμοριακού δεσμού είναι η «αδυναμία» του (van der Waals, υδρογόνο).

Αυτή είναι η δομή του πάγου. Κάθε μόριο νερού συνδέεται με δεσμούς υδρογόνου με 4 μόρια που το περιβάλλουν, με αποτέλεσμα μια τετραεδρική δομή.

Ο δεσμός υδρογόνου εξηγεί το υψηλό σημείο βρασμού, το σημείο τήξης και τη χαμηλή πυκνότητα.

Μακρομοριακή σύνδεση κρυσταλλικών δικτυωμάτων.

Υπάρχουν άτομα στους κόμβους ενός κρυσταλλικού πλέγματος. Αυτοί οι κρύσταλλοι χωρίζονται σε 3 τύποι:

• πλαίσιο;
• αλυσίδα;
• πολυεπίπεδες δομές.

Δομή πλαισίουΤο διαμάντι είναι μια από τις πιο σκληρές ουσίες στη φύση. Το άτομο άνθρακα σχηματίζει 4 πανομοιότυπους ομοιοπολικούς δεσμούς, που υποδηλώνουν το σχήμα ενός κανονικού τετραέδρου ( sp 3 - υβριδισμός). Κάθε άτομο έχει ένα μοναχικό ζεύγος ηλεκτρονίων, τα οποία μπορούν επίσης να συνδεθούν με γειτονικά άτομα. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα τρισδιάστατο πλέγμα, στους κόμβους του οποίου υπάρχουν μόνο άτομα άνθρακα.

Χρειάζεται πολλή ενέργεια για να καταστραφεί μια τέτοια δομή το σημείο τήξης τέτοιων ενώσεων είναι υψηλό (για το διαμάντι είναι 3500°C).

Πολυεπίπεδες δομέςμιλούν για την παρουσία ομοιοπολικών δεσμών σε κάθε στρώμα και αδύναμους δεσμούς van der Waals μεταξύ των στρωμάτων.

Ας δούμε ένα παράδειγμα: γραφίτης. Κάθε άτομο άνθρακα είναι μέσα sp 2 - παραγωγή μικτών γενών. Το 4ο μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο σχηματίζει έναν δεσμό van der Waals μεταξύ των στιβάδων. Επομένως, το 4ο στρώμα είναι πολύ κινητό:

Οι δεσμοί είναι αδύναμοι, επομένως είναι εύκολο να σπάσουν, κάτι που μπορεί να παρατηρηθεί με ένα μολύβι - "ιδιότητα γραφής" - το 4ο στρώμα παραμένει στο χαρτί.

Ο γραφίτης είναι ένας εξαιρετικός αγωγός του ηλεκτρικού ρεύματος (τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται κατά μήκος του επιπέδου του στρώματος).

Δομές αλυσίδαςέχουν οξείδια (για παράδειγμα, ΕΤΣΙ 3 ), που κρυσταλλώνεται με τη μορφή γυαλιστερών βελόνων, πολυμερών, ορισμένων άμορφων ουσιών, πυριτικών αλάτων (αμίαντος).

Τα στερεά υπάρχουν σε κρυσταλλικές και άμορφες καταστάσεις και είναι κυρίως κρυσταλλικά στη δομή. Διακρίνεται από τη σωστή θέση των σωματιδίων σε επακριβώς καθορισμένα σημεία, που χαρακτηρίζεται από περιοδική επανάληψη στον όγκο. Η έννοια του «κρυσταλλικού πλέγματος» αναφέρεται σε ένα γεωμετρικό σχέδιο που περιγράφει την τρισδιάστατη περιοδικότητα στη διάταξη των μορίων (άτομα, ιόντα) στον κρυσταλλικό χώρο.

Οι θέσεις των σωματιδίων ονομάζονται κόμβοι πλέγματος. Υπάρχουν ενδοκομβικές συνδέσεις μέσα στο πλαίσιο. Ο τύπος των σωματιδίων και η φύση της μεταξύ τους σύνδεσης: μόρια, άτομα, ιόντα καθορίζουν συνολικά τέσσερις τύπους: ιοντικό, ατομικό, μοριακό και μεταλλικό.

Εάν ιόντα (σωματίδια με αρνητικό ή θετικό φορτίο) βρίσκονται σε θέσεις πλέγματος, τότε αυτό είναι ένα ιοντικό κρυσταλλικό πλέγμα, που χαρακτηρίζεται από δεσμούς με το ίδιο όνομα.

Αυτές οι συνδέσεις είναι πολύ ισχυρές και σταθερές. Επομένως, ουσίες με αυτόν τον τύπο δομής έχουν αρκετά υψηλή σκληρότητα και πυκνότητα, είναι μη πτητικές και πυρίμαχες. Στο χαμηλές θερμοκρασίεςεκδηλώνονται ως διηλεκτρικά. Ωστόσο, όταν αυτές οι ενώσεις λιώνουν, το γεωμετρικά σωστό ιοντικό κρυσταλλικό πλέγμα (η διάταξη των ιόντων) διακόπτεται και οι δεσμοί αντοχής μειώνονται.

Σε θερμοκρασίες κοντά στο σημείο τήξης, οι κρύσταλλοι με ιοντικούς δεσμούς είναι ήδη ικανοί να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα. Τέτοιες ενώσεις είναι εύκολα διαλυτές στο νερό και σε άλλα υγρά που αποτελούνται από πολικά μόρια.

Ένα ιοντικό κρυσταλλικό πλέγμα είναι χαρακτηριστικό όλων των ουσιών με ιοντικό τύπο δεσμού - άλατα, υδροξείδια μετάλλων, δυαδικές ενώσεις μετάλλων με αμέταλλα. δεν έχει κατευθυντικότητα στο χώρο, επειδή κάθε ιόν συνδέεται με πολλά αντίθετα ιόντα ταυτόχρονα, η ισχύς της αλληλεπίδρασης των οποίων εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ τους (νόμος Coulomb). Οι ενώσεις με ιοντικό δεσμό έχουν μη μοριακή δομή, είναι στερεές ουσίες με ιοντικά πλέγματα, υψηλή πολικότητα, υψηλά σημεία τήξης και βρασμού, υδατικά διαλύματαείναι ηλεκτρικά αγώγιμο. Οι ενώσεις με ιοντικούς δεσμούς πρακτικά δεν βρίσκονται ποτέ στην καθαρή τους μορφή.

Το ιοντικό κρυσταλλικό πλέγμα είναι εγγενές σε ορισμένα υδροξείδια και οξείδια τυπικών μετάλλων, αλάτων, π.χ. ουσίες με ιοντική

Εκτός από τους ιοντικούς δεσμούς, οι κρύσταλλοι περιέχουν μεταλλικούς, μοριακούς και ομοιοπολικούς δεσμούς.

Οι κρύσταλλοι που έχουν ομοιοπολικό δεσμό είναι ημιαγωγοί ή διηλεκτρικά. Τυπικά παραδείγματα ατομικών κρυστάλλων είναι το διαμάντι, το πυρίτιο και το γερμάνιο.

Το διαμάντι είναι ένα ορυκτό, μια αλλοτροπική κυβική τροποποίηση (μορφή) άνθρακα. Το διαμαντένιο κρυσταλλικό πλέγμα είναι ατομικό και πολύ περίπλοκο. Στους κόμβους ενός τέτοιου πλέγματος υπάρχουν άτομα συνδεδεμένα μεταξύ τους με εξαιρετικά ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Το διαμάντι αποτελείται από μεμονωμένα άτομα άνθρακα, τοποθετημένα ένα κάθε φορά στο κέντρο ενός τετραέδρου, οι κορυφές του οποίου είναι τα τέσσερα πλησιέστερα άτομα. Αυτό το πλέγμα χαρακτηρίζεται από μια κυβική δομή με επίκεντρο το πρόσωπο, η οποία καθορίζει τη μέγιστη σκληρότητα του διαμαντιού και ένα αρκετά υψηλό σημείο τήξης. Δεν υπάρχουν μόρια στο πλέγμα διαμαντιών - και ο κρύσταλλος μπορεί να θεωρηθεί ως ένα εντυπωσιακό μόριο.

Επιπλέον, είναι χαρακτηριστικό πυρίτιο, στερεό βόριο, γερμάνιο και ενώσεις μεμονωμένων στοιχείων με πυρίτιο και άνθρακα (πυρίτιο, χαλαζία, μαρμαρυγία, άμμος ποταμού, καρβορούνδιο). Γενικά, υπάρχουν σχετικά λίγοι εκπρόσωποι με ατομικό πλέγμα.