Кристаллические решетки

Прежде, чем ознакомиться с данной темой, нужно вспомнить, что такое агрегатное состояние вещества и какими они могут быть.

Всего выделяют 4 вида агрегатных состояний: твердое, жидкое и газообразное, а также плазма. Однако, на данный момент нас будет интересовать только твердое агрегатное состояние, т.к. только в нем можно увидеть какую-либо структуру.

АЛЛОТРОПНАЯ МОДИФИКАЦИЯ

ВАЖНО! У многих веществ и соединений есть свои аллотропные модификации.

● Давайте рассмотрим такой элемент, как сера.

Она бывает трех видов: ромбическая, моноклинная и пластическая. Ромбическая и моноклинные построены из циклических S₈, которые размещены по узлам моноклинной и ромбических решеток. Однако, соединены и образуют, так называемую, корону с длинами связями S–S = 0,206 нм. При нагревании она переходит в пластическую серу, которая по своей структуре ближе к аморфным.

● Углерод

Имеет множество модификаций, но выделяют самые известные: алмаз, графит, карбин, фуллерен. Самая устойчивая из них — алмаз, имеющий тетраэдрическое строение. Из-за такого строения он имеет высокую твердость и является эталоном твердости по шкале Мооса.

Графит имеет слоистую решетку. Из-за наличия пространства между слоями графит имеет относительную мягкость, а также он жирный на ощупь.

Фуллерен C₆₀ имеет сферическую форму (напоминающую футбольный мяч). Из-за слабых ван-дер-ваальсовых связей имеет низкую твердость. Особенность заключается в том, что внутри образуется полость, диаметр которой примерно 5 Å.

● Фосфор

Также имеет аллотропные модификации. Самые известные из них: белая, черная и красная.

Белый фосфор имеет молекулярную кристаллическую решетку, а атомы P расположены по вершинам тетраэдра. Данная модификация фосфора легко деформируется и режется ножом. Является ядовитым веществом!

Черный фосфор — наиболее стабильная и химически неактивная модификация. Данное соединение имеет высокую твердость, нерастворимо в воде и во многих органических растворителях.

Красный фосфор имеет формулу P_n и представляет собой полимер. Плотность его выше, чем у белого фосфора — 2,4 г/см³. Обычно его получают путем нагревания белого фосфора.

Как вы уже знаете, все тела и предметы состоят из маленьких частиц — атомов. В твердых телах атомы могут быть расположены как хаотично, так и в строго определенном порядке. Тела, у которых отсутствует явный порядок в расположении атомов, называются аморфными.

Примеры: смола, стекло, кремнезем, пластмасса, янтарь и т.д.

КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА

В отличие от аморфных тел, кристаллическое вещество может иметь определенную температуру плавления. Оно способно самоограняться (приобретать определенную огранку), анизотропно (зависимость каких-либо физических параметров от направления самих кристаллов), а также обладает симметрией.

Кристаллические вещества обычно характеризуются кристаллической решеткой.

Всего существуют 4 вида кристаллических решеток: ионная, молекулярная, металлическая и атомная. Каждый из них обладает определенными физическими свойствами.

Можно также отметить, что кристаллическая решетка тесно связана с химической связью. Во многих случаях вид химической связи (ионная, ковалентная, металлическая) предопределяет тип кристаллической решетки.

1) ⚡️ Ионный тип кристаллической решетки имеет в структуре противоположно заряженные ионы. Данные ионы удерживаются за счет электростатических сил.

Вещества, имеющие данный вид решеток, обычно обладают высокой твердостью, тугоплавкостью и нелетучестью. Также можно сказать, что многие вещества с такой решеткой обладают некоторой хрупкостью. Это объясняется некоторым смещением этих ионов в узлах решетки при механических воздействиях.

В большинстве случаев их растворы могут проводить электрический ток.

Стоит отметить, что некоторые вещества ионного характера нерастворимы или малорастворимы в воде (BaSO₄, CaCO₃ и т.д.).

Ионную кристаллическую решетку имеют вещества, у которых ионный тип связи: соли (NaCl, KNO₃), гидроксиды металлов (NaOH, KOH), а также некоторые оксиды металлов.

2) ⚡️ Узлы молекулярной кристаллической решетки образованы молекулами.

Данный тип молекул связан между собой за счет межмолекулярных взаимодействий. Из-за слабой связи для них характерна высокая летучесть, малая твердость, легкооплавкость. Данный тип решеток имеют вещества, в которых присутствует ковалентный (полярный или неполярный) вид связи: простые вещества (O₂, N₂, S₈, P₄ (белый)), сложные вещества (H₂O, углекислый газ CO₂, этанол C₂H₅OH), C₆₀ (фуллерен).

3) ⚡️ Металлический тип решеток характерен для металлов.

Связь в этих решетках держится следующим образом: металлы в решетках склонны отдавать свои электроны Me⁰ – e^– → Me⁺, за счет этого образуются положительно заряженные ионы (катионы), а внутри решетки образуется, так называемый, «электронный газ» (скопление электронов). Эти электроны перемещаются по всей решетке и становятся общими. Внутри в итоге оказываются и электроны, и атомы металлов, и ионы металла. Это как раз и обуславливает, почему наши металлы электро- и теплопроводны.

Для них характерны чаще всего ковкость, металлический блеск, хорошая тепло- и электропроводность, многие металлы также имеют высокую температуру плавления.

Примеры: Fe, Al, Zn, Mg и т.д.

4) ⚡️ Атомная кристаллическая решетка относится к довольно прочным типам решеток.

В данной решетке атомы связаны между собой ковалентной связью.

Яркими представителями являются: алмаз C, кремний Si, бор B, карборунд SiC, оксид кремния (IV) SiO₂, карбиды и нитриды бора. Из-за отсутствия свободных электронов в узлах этой решетки для них не характерна электропроводность.

Данные вещества обладают следующими физическими свойствами: высокая прочность, тугоплавкость, низкая тепло- и электропроводность, также они нерастворимы во многих растворителях.

Алгоритм идентификации кристаллической решетки:

При решении различных задач, связанных с идентификацией кристаллической решетки у веществ, можно пользоваться определенным алгоритмом:

ЗАПОМНИТЬ! К атомным относятся: C (алмаз, графит), B (бор), BN, B₄C (нитрид и карбид бора), Si, SiO₂, SiC (карборунд), Al₂O₃.