Тип кристаллической решетки металлической связи. Кристаллические решетки. Типы кристаллических решеток

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).

При осуществлении многих физических и химических реакций вещество переходит в твердое агрегатное состояние. При этом молекулы и атомы стремятся расположиться в таком пространственном порядке, при котором силы взаимодействия между частицами вещества были бы максимально сбалансированы. Этим и достигается прочность твердого вещества. Атомы, однажды заняв определенное положение, совершают небольшие колебательные движения, амплитуда которых зависит от температуры, но положение их в пространстве остается фиксированным. Силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга на определенном расстоянии.

Современные представления о строении вещества

Современная наука утверждает, что атом состоит из заряженного ядра, несущего положительный заряд, и электронов, несущих заряды отрицательные. Со скоростью несколько тысяч триллионов оборотов в секунду электроны вращаются по своим орбитам, создавая вокруг ядра электронное облако. Положительный заряд ядра численно равен отрицательному заряду электронов. Таким образом, атом вещества остается электрически нейтральным. Возможные взаимодействия с другими атомами происходят тогда, когда электроны отсоединяются от родного атома, тем самым нарушая электрический баланс. В одном случае атомы выстраиваются в определенном порядке, который и называется кристаллической решеткой. В другом - за счет сложного взаимодействия ядер и электронов соединяются в молекулы различного вида и сложности.

Определение кристаллической решетки

В совокупности различные типы кристаллических решеток веществ представляют собой сетки с различной пространственной ориентацией, в узлах которых располагаются ионы, молекулы или атомы. Это стабильное геометрическое пространственное положение и называется кристаллической решеткой вещества. Расстояние между узлами одной кристаллической ячейки называется периодом идентичности. Пространственные углы, под которыми расположены узлы ячейки, называются параметрами. По способу построения связей кристаллические решетки могу быть простыми, базоцентрированными, гранецентрированными и объемно-центрированными. Если частицы вещества расположены лишь в углах параллелепипеда, такая решетка называется простой. Пример такой решетки показан ниже:

Если, кроме узлов, частицы вещества расположены и в середине пространственных диагоналей, то такое построение частиц в веществе имеет название объемно-центрированной кристаллической решетки. На рисунке этот тип показан наглядно.

Если кроме узлов в вершинах решетки имеется узел и в месте, где пересекаются воображаемые диагонали параллелепипеда, то перед вами - гранецентрированный тип решетки.

Виды кристаллических решеток

Различные микрочастицы, из которых состоит вещество, определяют различные типы кристаллических решеток. Они могут определять принцип построения связи между микрочастицами внутри кристалла. Физические типы кристаллических решеток - ионные, атомные и молекулярные. Сюда же относятся различные типы кристаллических решеток металлов. Изучением принципов внутреннего строения элементов занимается химия. Типы кристаллических решеток подробнее представлены ниже.

Ионные кристаллические решетки

Данные типы кристаллических решеток присутствуют в соединениях с ионным типом связи. В этом случае узлы решетки содержат ионы, обладающие противоположным электрическим зарядом. Благодаря электромагнитному полю, силы межионного взаимодействия оказываются достаточно сильными, и это обуславливает физические свойства вещества. Обычными характеристиками являются тугоплавкость, плотность, твердость и возможность проводить электрический ток. Ионные типы кристаллических решеток имеются у таких веществ, как поваренная соль, нитрат калия и прочие.

Атомные кристаллические решетки

Этот тип строения вещества присущ элементам, структуру которых определяет ковалентная химическая связь. Типы кристаллических решеток подобного рода содержат в узлах отдельные атомы, связанные между собой крепкими ковалентными связями. Подобный тип связи возникает тогда, когда два одинаковых атома «делятся» электронами, тем самым образуют общую пару электронов для соседних атомов. Благодаря такому взаимодействию ковалентные связи равномерно и сильно связывают атомы в определенном порядке. Химические элементы, которые содержат атомные типы кристаллических решеток, обладают твердостью, высокой температурой плавления, плохо проводят электрический ток и химически неактивны. Классическими примерами элементов с подобным внутренним строением можно назвать алмаз, кремний, германий, бор.

Молекулярные кристаллические решетки

Вещества, имеющие молекулярный тип кристаллической решетки, представляют собой систему устойчивых, взаимодействующих, плотноупакованных между собой молекул, которые расположены в узлах кристаллической решетки. В подобных соединениях молекулы сохраняют свое пространственное положение в газообразной, жидкой и твердой фазе. В узлах кристалла молекулы удерживаются слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, которые в десятки раз слабее сил ионного взаимодействия.

Образующие кристалл молекулы могут быть как полярными, так и неполярными. Из-за спонтанного движения электронов и колебания ядер в молекулах электрическое равновесие может смещаться - так возникает мгновенный электрический момент диполя. Соответствующим образом ориентированные диполи создают силы притяжения в решетке. Двуокись углерода и парафин являются типичными примерами элементов с молекуляной кристаллической решеткой.

Металлические кристаллические решетки

Металлическая связь гибче и пластичней ионной, хотя может показаться, что обе они базируются на одном и том же принципе. Типы кристаллических решеток металлов объясняют их типичные свойства - такие, например, как механическая прочность, тепло- и электропроводность, плавкость.

Отличительной особенностью металлической кристаллической решетки является наличие положительно заряженных ионов металла (катионов) в узлах этой решетки. Между узлами находятся электроны, которые непосредственно участвуют в создании электрического поля вокруг решетки. Количество электронов, перемещающихся внутри этой кристаллической решетки, называется электронным газом.

При отсутствии электрического поля свободные электроны совершают хаотическое движение, беспорядочно взаимодействуя с ионами решетки. Каждое такое взаимодействие меняет импульс и направление движения отрицательно заряженной частицы. Своим электрическим полем электроны притягивают к себе катионы, уравновешивая их взаимное отталкивание. Хотя электроны считаются свободными, их энергии не хватает для того, чтобы покинуть кристаллическую решетку, поэтому эти заряженные частицы постоянно находятся в ее пределах.

Присутствие электрического поля придает электронному газу дополнительную энергию. Соединение с ионами в кристаллической решетке металлов не является прочным, поэтому электроны легко покидают ее пределы. Электроны двигаются по силовым линиям, оставляя позади положительно заряженные ионы.

Выводы

Огромное значение изучению внутреннего строения вещества уделяет химия. Типы кристаллических решеток различных элементов определяют практически весь спектр их свойств. Воздействуя на кристаллы и меняя их внутренне строение, можно добиться усиления нужных свойств вещества и удалить нежелательные, преобразовывать химические элементы. Таким образом, изучение внутренней структуры окружающего мира может помочь познать суть и принципы устройства мироздания.

Для большинства веществ характерна способность в зависимости от условий находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком или газообразном.

Например, вода при нормальном давлении в интервале температур 0-100 o C является жидкостью, при температуре выше 100 о С способна существовать только в газообразном состоянии, а при температуре менее 0 о С представляет собой твердое вещество.
Вещества в твердом состоянии различают аморфные и кристаллические.

Характерными признаками аморфных веществ является отсутствие четкой температуры плавления: их текучесть плавно увеличивается с ростом температуры. К аморфным веществам относятся такие соединения, как воск, парафин, большинство пластмасс, стекло и т.д.

Все же кристаллические вещества обладают конкретной температурой плавления, т.е. вещество с кристаллическим строением переходит из твердого состоянии в жидкое не постепенно, а резко, при достижении конкретной температуры. В качестве примера кристаллических веществ можно привести поваренную соль, сахар, лед.

Разница в физических свойствах аморфных и кристаллических твердых веществ обусловлена прежде всего особенностями строения таких веществ. В чем заключается разница между веществом в аморфном и кристаллическом состоянии, проще всего понять из следующей иллюстрации:

Как можно заметить, в аморфном веществе, в отличие от кристаллического, отсутствует какой-либо порядок в расположении частиц. Если же в кристаллическом веществе мысленно соединить прямой два близкорасположенных друг к другу атома, то можно обнаружить, что на этой линии на строго определенных промежутках будут лежать одни и те же частицы:

Таким образом, в случае кристаллических веществах можно говорить о таком понятии, как кристаллическая решетка.

Кристаллической решеткой называют пространственный каркас, соединяющий точки пространства, в которых находятся частицы, образующие кристалл.

Точки пространства, в которых находятся образующие кристалл частицы, называют узлами кристаллической решетки .

В зависимости от того, какие частицы находятся в узлах кристаллической решетки, различают: молекулярную, атомную, ионную и металлическую кристаллические решетки .

В узлах молекулярной кристаллической решетки

Кристаллическая решетка льда как пример молекулярной решетки

находятся молекулы, внутри которых атомы связаны прочными ковалентными связями, однако сами молекулы удерживаются друг возле друга слабыми межмолекулярными силами. Вследствие таких слабых межмолекулярных взаимодействий кристаллы с молекулярной решеткой являются непрочными. Такие вещества от веществ с иными типами строения отличаются существенно более низкими температурами плавления и кипения, не проводят электрический ток, могут как растворяться, так и не растворяться в различных растворителях. Растворы таких соединений могут как проводить, так и не проводить электрический ток в зависимости от класса соединения. К соединениям с молекулярной кристаллической решеткой относятся многие простые вещества — неметаллы (отвержденные H 2 , O 2 , Cl 2 , ромбическая сера S 8 , белый фосфор P 4), а также многие сложные вещества – водородные соединения неметаллов, кислоты, оксиды неметаллов, большинство органических веществ. Следует отметить, что, если вещество находится в газообразном или жидком состоянии, говорить о молекулярной кристаллической решетке неуместно: корректнее использовать термин — молекулярный тип строения.

Кристаллическая решетка алмаза как пример атомной решетки

В узлах атомной кристаллической решетки

находятся атомы. При этом все узлы такой кристаллической решетки «сшиты» между собой посредством прочных ковалентных связей в единый кристалл. Фактически, такой кристалл является одной гигантской молекулой. Вследствие особенностей строения все вещества с атомной кристаллической решеткой являются твердыми, обладают высокими температурами плавления, химически мало активны, не растворимы ни в воде, ни в органических растворителях, а их расплавы не проводят электрический ток. Следует запомнить, что к веществам с атомным типом строения из простых веществ относятся бор B, углерод C (алмаз и графит), кремний Si, из сложных веществ — диоксид кремния SiO 2 (кварц), карбид кремния SiC, нитрид бора BN.

У веществ с ионной кристаллической решеткой

в узлах решетки находятся ионы, связанные друг с другом посредством ионных связей.
Поскольку ионные связи достаточно прочны, вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью и тугоплавкостью. Чаще всего они растворимы в воде, а их растворы, как и расплавы проводят электрический ток.
К веществам с ионным типом кристаллической решетки относятся соли металлов и аммония (NH 4 +), основания, оксиды металлов. Верным признаком ионного строения вещества является наличие в его составе одновременно атомов типичного металла и неметалла.

Кристаллическая решетка хлорида натрия как пример ионной решетки

наблюдается в кристаллах свободных металлов, например, натрия Na, железа Fe, магния Mg и т.д. В случае металлической кристаллической решетки, в ее узлах находятся катионы и атомы металлов, между которыми движутся электроны. При этом движущиеся электроны периодически присоединяются к катионам, таким образом нейтрализуя их заряд, а отдельные нейтральные атомы металлов взамен «отпускают» часть своих электронов, превращаясь, в свою очередь, в катионы. Фактически, «свободные» электроны принадлежат не отдельным атомам, а всему кристаллу.

Такие особенности строения приводят к тому, что металлы хорошо проводят тепло и электрический ток, часто обладают высокой пластичностью (ковкостью).
Разброс значений температур плавления металлов очень велик. Так, например, температура плавления ртути составляет примерно минус 39 о С (жидкая в обычных условиях), а вольфрама — 3422 °C. Следует отметить, что в обычных условиях все металлы, кроме ртути, являются твердыми веществами.

Большинство твердых веществ имеют кристаллическую структуру , в которой частицы, из которых она «построена» находятся в определенном порядке, создавая тем самым кристаллическую решетку . Она строится из повторяющихся одинаковых структурных единиц - элементарных ячеек , которая связывается с соседними ячейками, образуя дополнительные узлы. В результате существует 14 различных кристаллических решеток.

Типы кристаллических решеток.

В зависимости от частиц, которые стоят в узлах решетки, различают:

• металлическую кристаллическую решетку;
• ионную кристаллическую решетку;
• молекулярную кристаллическую решетку;
• макромолекулярную (атомную) кристаллическую решетку.

Металлическая связь в кристаллических решетках.

Ионные кристаллы обладают повышенной хрупкостью, т.к. сдвиг в решетке кристалла (даже незначительный) приводит к тому, что одноименно заряженные ионы начинают отталкиваться друг от друга, и связи рвутся, образуются трещины и расколы.

Молекулярная связь кристаллических решеток.

Основная особенность межмолекулярной связи заключается в ее «слабости» (ван-дер-ваальсовые, водородные).

Это структура льда. Каждая молекула воды связана водородными связями с 4-мя окружающими ее молекулами, в результате структура имеет тетраэдрический характер.

Водородная связь объясняет высокую температуру кипения, плавления и малую плотность;

Макромолекулярная связь кристаллических решеток.

В узлах кристаллической решетки находятся атомы. Эти кристаллы разделяются на 3 вида:

• каркасные;
• цепочечные;
• слоистые структуры.

Каркасной структурой обладает алмаз - одно их самых твердых веществ в природе. Атом углерода образует 4 одинаковые ковалентные связи, что говорит о форме правильного тетраэдра (sp 3 - гибридизация). Каждый атом имеет неподеленную пару электронов, которые также могут связываться с соседними атомами. В результате чего образуется трехмерная решетка, в узлах которой только атомы углерода.

Энергии для разрушения такой структуры требуется очень много, температура плавления таких соединений высока (у алмаза она составляет 3500°С).

Слоистые структуры говорят о наличии ковалентных связях внутри каждого слоя и слабых ван-дер-ваальсовых - между слоями.

Рассмотрим пример: графит. Каждый атом углерода находится в sp 2 - гибридизации. 4-ый неспаренный электрон образует ван-дер-ваальсовую связь между слоями. Поэтому 4ый слой очень подвижен:

Связи слабые, поэтому их легко разорвать, что можно наблюдать у карандаша - «пишущее свойство» - 4ый слой остается на бумаге.

Графит - отличный проводник электрического тока (электроны способны перемещаться вдоль плоскости слоя).

Цепочечными структурами обладают оксиды (например, SO 3 ), который кристаллизуется в виде блестящих иголок, полимеры, некоторые аморфные вещества, силикаты (асбест).

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.