Охарактеризуйте свойства вещества с молекулярной кристаллической решеткой: Урок 4. строение кристаллов. кристаллические решётки. причины многообразия веществ — Химия — 11 класс

Содержание

Урок 4. строение кристаллов. кристаллические решётки. причины многообразия веществ — Химия — 11 класс

Химия, 11 класс

Урок № 4. Строение кристаллов. Кристаллические решётки. Причина многообразия веществ

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён изучению кристаллического состояния вещества, зависимости свойств веществ от типов кристаллических решеток. Объясняются причины многообразия веществ, такие как изотопия элементов, аллотропия, изомерия, гомология. Дается понятие химического синтеза.

Глоссарий

Аллотропия – существование нескольких простых веществ, образованных одним и тем же химическим элементом.

Атомная кристаллическая решётка – регулярная структура твёрдого вещества, в узловых точках которой находятся атомы химического элемента.

Гомология – явление наличия в природе органических соединений, имеющих одинаковое строение и химические свойства, но отличающихся на некоторое целое число групп СН2— состав.

Изомерия – явления наличия нескольких веществ, имеющих один и тот же состав, но отличающихся по порядку соединения атомов.

Ионная кристаллическая решетка – регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой расположены положительно и отрицательно заряженные ионы.

Кристаллическая решетка – особая структура твёрдого вещества, в которой частицы вещества расположены в строго определенном порядке.

Кристаллы – твёрдые вещества, имеющие форму правильных многогранников, образованных в результате многократного регулярного повторения расположения составляющих вещество частиц.

Металлическая кристаллическая решетка – регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой расположены ионы металла.

Молекулярная кристаллическая решетка – регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой находятся молекулы вещества.

Полиморфизм – способность твёрдого вещества образовывать различные кристаллические структуры, состоящие из одних и тех же частиц.

Полиморфные модификации – разные кристаллические структуры, которые образованы частицами одного и того же вещества.

Химический синтез – процесс искусственного создания новых веществ физическими и химическими методами.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

  • Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window. edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Строение кристаллов и типы кристаллических решеток

Кристаллами называются твёрдые вещества, частицы которых образуют трёхмерную периодическую пространственную структуру, называемую кристаллической решёткой. Грани кристаллов представляют собой правильные многоугольники. Свойства кристаллических тел различны. Например, алмаз обладает максимальной твёрдостью, а графит можно сломать руками, хотя эти вещества состоят атомов углерода. Свойства веществ зависят от типа кристаллической решетки. Различают четыре типа кристаллических решёток: атомную, ионную, молекулярную и металлическую.

Зависимость свойств веществ от типа кристаллической решетки

В узлах атомной кристаллической решётки расположены атомы, соединённые ковалентной связью. Примерами веществ, имеющих атомную кристаллическую решетку, являются алмаз, кремний, германий, бор. Вещества, имеющие атомную кристаллическую решетку, характеризуются высокой температурой плавления, большой твёрдостью.

В узлах ионной кристаллической решётки находятся положительные и отрицательные ионы, связь между ними ионная. Ионную кристаллическую решетку имеют соли, щёлочи и оксиды типичных металлов. Для веществ с ионной кристаллической решеткой характерны высокие температуры плавления, твёрдость, плотность, хорошая электропроводность.

В узлах молекулярной кристаллической решетки находятся молекулы, которые удерживаются за счет межмолекулярных вандервальсовых сил. Примером веществ с молекулярной кристаллической решеткой являются лёд, йод, нафталин, углекислый газ. Межмолекулярные связи значительно слабее ковалентных и ионных, поэтому для веществ с молекулярной кристаллической решёткой характерны низкие температуры плавления, невысокая твёрдость, возможность возгонки (переход из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое).

Для металлов характерна металлическая кристаллическая решётка, в узлах которой расположены положительно заряженные ионы металлов, а между ними свободно перемещаются валентные электроны (так называемый электронный газ). Для веществ с металлической кристаллической решеткой характерны механическая прочность, плавкость, ковкость, хорошая тепло- и электропроводность, металлический блеск.

Свойства кристаллических тел определяются не только характером связи между частицами, но и их взаимным расположением относительно друг друга. В кристаллах алмаза все атомы углерода связаны ковалентными неполярными связями и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя тетраэдры. В кристаллах графита каждые шесть атомов углерода связаны ковалентными неполярными связями, а между собой такие плоские шестиугольники связаны слабыми межмолекулярными связями.

Причины многообразия веществ

Не только углерод может образовывать разные вещества в зависимости от типа кристаллической решётки. Известно несколько веществ, образованных фосфором (белый, красный, чёрный и металлический фосфор). Сера может существовать в виде трёх модификаций (ромбическая, моноклинная и пластическая). Явление существования нескольких простых веществ, образованных одним и тем же элементом, называется аллотропией (полиморфизмом), а сами простые вещества – аллотропными (полиморфными) модификациями.

Существование изотопов – атомов одного и того же химического элемента, имеющих разные массовые числа — ещё одна причина огромного многообразия веществ.

Изучая органическую химию, вы узнали о существовании изомеров – молекул, имеющих одинаковый состав, но разную последовательность атомов и их расположение в пространстве. Изомеры встречаются не только среди органических соединений, например, изомером карбамида является цианат аммония.

Причиной разнообразия органических соединений является и гомология – существование ряда соединений, имеющих одинаковое строение и химические свойства, но отличающихся друг от друга на целое число групп СН2-.

118 известных на сегодняшний день химических элементов образуют миллионы различных веществ, но человек искусственным путём создает новые вещества с нужными ему свойствами. Создание человеком новых веществ получило название химического синтеза.

Таким образом, явления аллотропии (полиморфизма), изомерии, изотопии, гомологии, химический синтез новых соединений являются причинами многообразия веществ.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. Расчет количества молекул в кристалле

Условие задачи: Молекула белого фосфора состоит из четырех атомов этого элемента. Сколько молекул белого фосфора содержится в кристалле фосфора массой 2,48 г? Ответ запишите в виде числа, приведенного к стандартному виду.

Шаг первый: найдём молярную массу молекулы белого фосфора Р4. Относительная атомная масса фосфора равна 31 а.е.м., молярная масса Р4 равна 4·31 = 124 (г/моль).

Шаг второй: найдём количество молей белого фосфора в кристалле массой 2,48 г. Для этого разделим массу кристалла на молярную массу Р4:

2,48 : 124 = 0,02 (моль).

Шаг третий: найдём количество молекул, содержащееся в 0,02 моль белого фосфора. Для этого число моль умножим на число Авогадро:

0,02·6,02·1023 = 1,2·1022 (молекул).

Ответ: 1,2·1022.

2. Расчёт числа атомов в молекуле фуллерена

Условие задачи: Одной из аллотропных модификаций углерода, применяемых в электронике, является фуллерен. 0,5 моль фуллерена имеют массу 360 г. Сколько атомов углерода входит в состав одной молекулы фуллерена?

Шаг первый: найдём молярную массу фуллерена.

Для этого массу имеющегося образца разделим на количество молей:

360 : 0,5 = 720 (г/моль).

Шаг второй: найдём количество атомов углерода в 1 моль фуллерена. Для этого молярную массу фуллерена разделим на массу 1 моль атомов углерода. 1 моль атомов углерода имеет массу 12 г.

720 : 12 = 60 (атомов).

Ответ: 60.

Типы кристаллических решёток — урок. Химия, 8–9 класс.

Большинство твёрдых веществ имеет кристаллическое строение, которое характеризуется строго определённым расположением частиц.

 

Если соединить частицы условными линиями, то получится пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой.

 

Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки. В узлах воображаемой решётки могут находиться атомы, ионы или молекулы.

 

В зависимости от природы частиц, расположенных в узлах, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решёток: ионную, металлическую, атомную и молекулярную.

Ионными называют решётки, в узлах которых находятся ионы.

Их образуют вещества с ионной связью. В узлах такой решётки располагаются положительные и отрицательные ионы, связанные между собой электростатическим взаимодействием.

 

Ионные кристаллические решётки имеют соли, щёлочи, оксиды активных металлов.

 

Ионы могут быть простые или сложные. Например, в узлах кристаллической решётки хлорида натрия находятся простые ионы натрия Na+ и хлора Cl−, а в узлах решётки сульфата калия чередуются простые ионы калия  K+ и сложные сульфат-ионы SO42−.

 

Связи между ионами в таких кристаллах прочные. Поэтому ионные вещества твёрдые, тугоплавкие, нелетучие. Такие вещества хорошо растворяются в воде.

  

 

Кристаллическая решётка хлорида натрия

  

Кристалл хлорида натрия

Металлическими называют решётки, которые состоят из положительных ионов и атомов металла и свободных электронов.

Их образуют вещества с металлической связью. В узлах металлической решётки находятся атомы и ионы (то атомы, то ионы, в которые легко превращаются атомы, отдавая свои внешние электроны в общее пользование).

 

Такие кристаллические решётки характерны для простых веществ металлов и сплавов.

 

Температуры плавления металлов могут быть разными (от \(–37\) °С у ртути до двух-трёх тысяч градусов). Но все металлы имеют характерный металлический блеск, ковкость, пластичность, хорошо проводят электрический ток и тепло.

 

Металлическая кристаллическая решётка

  

Металлические изделия

Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы, соединённые ковалентными связями.

Такой тип решётки имеет алмаз — одно из аллотропных видоизменений углерода. К веществам с атомной кристаллической решёткой относятся графит, кремний, бор и германий, а также сложные вещества, например, карборунд SiC и кремнезём, кварц, горный хрусталь, песок, в состав которых входит оксид кремния(\(IV\)) SiO2.

  

Таким веществам характерны высокая прочность и твёрдость. Так, алмаз является самым твёрдым природным веществом.

  

У веществ с атомной кристаллической решёткой очень высокие температуры плавления и кипения. Например, температура плавления кремнезёма — \(1728\) °С, а у графита она выше — \(4000\) °С. 

 

Атомные кристаллы практически нерастворимы.

 

Кристаллическая решётка алмаза

  

Алмаз

Молекулярными  называют решётки, в узлах которых находятся молекулы, связанные слабым межмолекулярным взаимодействием.

Несмотря на то, что внутри молекул атомы соединены очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую прочность и твёрдость, низкие температуры плавления и кипения.

 

Многие молекулярные вещества при комнатной температуре представляют собой жидкости и газы.

 

Такие вещества летучи. Например, кристаллические иод и твёрдый оксид углерода(\(IV\)) («сухой лёд») испаряются, не переходя в жидкое состояние.

 

Некоторые молекулярные вещества имеют запах.

 

Такой тип решётки имеют простые вещества в твёрдом агрегатном состоянии: благородные газы с одноатомными молекулами  (He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn), а также неметаллы с двух- и многоатомными молекулами (h3,O2,N2,Cl2,I2,O3,P4,S8).

  

Молекулярную кристаллическую решётку имеют также вещества с ковалентными полярными связями: вода — лёд, твёрдые аммиак, кислоты, оксиды большинства неметаллов. Большинство органических соединений тоже представляют собой молекулярные кристаллы (нафталин, сахар, глюкоза).

 

Кристаллическая решётка углекислого газа

 

«Сухой лёд»

 

Кристаллики иода

 

Если известно строение вещества, то можно предсказать его свойства.

Попробуем определить, каковы примерно температуры плавления у фторида натрия, фтороводорода и фтора.

  

У фторида натрия — ионная кристаллическая решётка. Значит, его температура плавления будет высокой. Фтороводород и фтор имеют молекулярные кристаллические решётки. Поэтому их температуры плавления будут невысокими. Молекулы фтороводорода полярные, а фтора — неполярные. Значит, межмолекулярное взаимодействие у фтороводорода будет сильнее, и его температура плавления будет выше по сравнению со фтором.

 

Экспериментальные данные подтверждают эти предположения: температуры плавления NaF, HF и F2 составляют соответственно \(995\) °С, \(–83\) °С,  \(–220\) °С.

Источники:

Габриелян О. С. Химия. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2013. — 133 с.  

 

Кристаллические решетки

Цели:

  1. познавательные: дать определение и изучить типы кристаллических решеток, рассмотреть все агрегатные состояния веществ;
  2. развивающие: научить приводить примеры веществ с разными типами кристаллических решеток и их физическими свойствами;
  3. воспитательные: интереса к предмету, умения работать в парах (т. е. взаимопонимание, взаимовыручку), самоорганизации учебного процесса.

Тип урока: изучение нового материала.

Формы и методы обучения: лекция – беседа, работа в парах, фронтальный опрос домашнего задания.

План урока:

  1. Организационный момент (1-2 мин)
  2. Опрос, проверка домашнего задания (3 мин)
  3. Объяснение нового материала (16 мин)
  4. Закрепление (решение уравнений), работа в парах (10 мин)
  5. Обобщение, систематизация (5 мин)
  6. Выводы, выставление оценок (3 мин)
  7. Домашнее задание, комментарии (2 мин).

Наглядность и оборудование к уроку:

  1. Таблица «Типы кристаллических решеток»
  2. Модели кристаллических решеток
  3. Образцы металлов, солей, сахара

Конспект урока

Вещество, как вам известно, может существовать в разных агрегатных состояниях: твердое (кристаллическое и амфорное), жидкое, жидкокристаллическое и газообразное.

1. Жидкое состояние вещества.

Жидкость отличается от газообразного и твердого состояний тем, что не имеет собственной формы. Последнее, однако, верно только в отношении жидкости, находящейся под действием гравитации. Естественная форма жидкости – шар – реализуется в отсутствии силы тяжести. Тяжесть отсутствует у свободно падающего тела. И падающие капли шарообразны.

2. Газообразное состояние вещества.

В газообразном состоянии молекулы вещества не связаны между собой и находятся на расстояниях, приблизительно на порядок больших, чем их диаметры.

3. Жидкокристаллическое состояние вещества.

Многие дисплейные устройства современной электронной техники работают на жидких кристаллах.

Жидкие кристаллы образуются при растворении некоторых веществ в определенных растворителях. Например, водные растворы мыл, полипептидов, белков, пептидов, ДНК и т. д. образуют жидкие кристаллы в определенном интервале концентраций. Число описанных жидких кристаллов превышает сотни тысяч и непрерывно увеличивается.

4. Твердое состояние вещества.

В твердом состоянии находятся вещества кристаллического и аморфного строения.

Амфорное вещество (синоним – стекло) образуется в неравновесных условиях при переохлаждении жидкого состояния, когда скорость охлаждения превышает скорость кристаллизации.

Всем известный пример – стекло.

Трудно кристаллизуется глицерин, легко переходя в переохлажденное стеклообразное состояние. Он накапливается осенью в клетках зимующих растений и при охлаждении не кристаллизуется, хотя и затвердевает. Таким образом, не возникает кристаллов, которые могли бы разрушить клетку во время своего роста.

Кристаллические вещества характеризуются правильным расположением тех частиц, из которого они состоят: атомов, молекул и ионов в строго определенных точках пространства. При соединении этих точек прямыми линиями образуется пространственный каркас, который называют кристаллической решеткой. Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решетки.

В узлах воображаемой решетки могут находиться ионы, атомы и молекулы. В зависимости от типа частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки и характера связи между ними различают ионные, атомные, молекулярные, а металлической кристаллической решетки, которая рассматривается во всех школьных учебниках, не существует, т. к. вещества металлы отличаются от веществ металлов не решеткой, а электронным строением.

Ионными называют кристаллические решетки, в узлах которых находятся ионы. Их образуют вещества с ионной связью, которой могут быть связаны как простые ионы, так и сложные. Следовательно, ионные кристаллические решетки имеют соли, некоторые оксиды и гидроксиды металлов, т.е. те вещества, в которых существует ионная химическая связь. Связи между ионами в таком кристалле очень устойчивые. Поэтому вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью и прочностью, они тугоплавки и нелетучи.

Атомными называют кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы. В таких решетках атомы соединены между собой очень прочными ковалентными связями. Примером может служить алмаз – одно из аллотропных видоизменений углерода.

Число веществ с атомной кристаллической решеткой не очень велико. К ним относятся кристаллический бор, кремний и германий, а также сложные вещества, например такие в состав которых входит оксид кремния: кремнезем, кварц, песок, горный хрусталь.

Большинство веществ с атомной кристаллической решеткой имеют очень высокие температуры плавления (например, у алмаза она свыше 3500 градусов по Цельсию), они прочны и тверды, практически нерастворимы.

Молекулярными называют кристаллические решетки, в узлах которых располагаются молекулы. Химические связи в этих молекулах могут быть полярными и неполярными. Несмотря на то, что атомы внутри молекул связаны очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому вещества с молекулярными кристаллическими решетками имеют малую твердость, низкие температуры плавления, летучи.

Кристаллическими решетками являются твердая вода, твердый оксид углерода – «сухой лед», твердые хлороводород и сероводород. Большинство твердых органических соединений имеют молекулярные кристаллические решетки (нафталин, глюкоза, сахар).

Вопросы закрепления (работа в парах):

  1. Какие качества амфорных тел применимы для описания особенностей характера отдельных людей?
  2. Какой тип кристаллической решетки характерен для следующих веществ: хлорид калия, графит, сахар, иод, сульфид натрия.
  3. На конкретных примерах покажите, как проявляется зависимость некоторых физических свойств веществ от типа их кристаллических решеток.
  4. Изобразите фрагмент кристаллической решетки хлорида натрия, состоящей из 8 атомов. Можно ли в этой решетке выделить отдельные молекулы NaCI?
  5. Хлорид и иодид натрия имеют одинаковый тип кристаллической решетки. Как вы думаете, какое из этих веществ будет иметь боле высокую температуру кипения? Ответ поясните.

Проверочная работа по теме «Кристаллические решетки».

Вариант 1.

  1. Что называют кристаллической решеткой вещества? Какие кристаллические решетки имеют: графит, поваренная соль, медь? Какие частицы находятся в узлах каждой кристаллической решетки? Как это отражается на свойствах названных веществ?
  2. Какие свойства проявляют вещества с ионной кристаллической решеткой? Поясните примером.
  3. Какую кристаллическую решетку должен иметь карбид кремния, из которого делают абразивные материалы.

Вариант 2.

  1. Приведите примеры аморфных и кристаллических веществ. В чем их отличие?
  2. По каким свойствам иода и нафталина можно определить, что они имеют молекулярную кристаллическую решетку?
  3. Некое вещество имеет атомную кристаллическую решетку. Охарактеризуйте предположительно его свойства по плану: а) твердость; б) электропроводимость; в) пластичность или хрупкость; г) металлический блеск; д) температура плавления.

Вариант 3.

  1. Какой тип кристаллической решетки в следующих веществах: хлорид натрия, хлороводород, хлор? Как будут изменяться температуры плавления этих веществ в зависимости от типа их кристаллической решетки?
  2. Объясните различие свойств алмаза и графита неодинаковым строением этих веществ. Назовите типы кристаллических решеток у алмаза и графита.
  3. Какие свойства проявляют вещества с металлической кристаллической решеткой? Поясните примерами.

Вариант 4.

  1. Какой тип кристаллической решетки в следующих веществах: фтор, фтороводород, фторид натрия? Какие будут различия в физических свойствах этих веществ?
  2. Какой тип кристаллической решетки будет характерен для следующих веществ в твердом состоянии: а) КВr; б) НВr; в) Вr2; г) С (графит)?
  3. На конкретных примерах покажите, как проявляется зависимость некоторых физических свойств веществ от типа их кристаллических решеток.

виды, свойства, определение простым языком

Определение кристаллической решетки

  • Виды кристаллических решеток
  • Ионная кристаллическая решетка
  • Атомная кристаллическая решетка
  • Молекулярная кристаллическая решетка
  • Металлическая кристаллическая решетка
  • Кристаллические решетки, видео
  • Определение кристаллической решетки

    Как мы знаем, все материальные вещества могут пребывать в трех базовых состояниях: жидком, твердом, и газообразном. Правда есть еще состояние плазмы, которое ученые считают ни много ни мало четвертым состоянием вещества, но наша статья не о плазме. Твердое состояние вещества потому твердое, так как имеет особую кристаллическую структуру, частицы которой находятся в определенном и четко заданном порядке, создавая, таким образом, кристаллическую решетку. Строение кристаллической решетки состоит из повторяющихся одинаковых элементарных ячеек: атомов, молекул, ионов, других элементарных частиц, связанных между собой различными узлами.

    Виды кристаллических решеток

    В зависимости от частиц кристаллической решетки существует четырнадцать типов оной, приведем наиболее популярные из них:

    • Ионная кристаллическая решетка.
    • Атомная кристаллическая решетка.
    • Молекулярная кристаллическая решетка.
    • Металлическая кристаллическая решетка.

    Далее более подробно опишем все типы кристаллической решетки.

    Ионная кристаллическая решетка

    Главной особенностью строения кристаллической решетки ионов являются противоположные электрические заряды, собственно, ионов, вследствие чего образуется электромагнитное поле, определяющее свойства веществ, имеющих ионную кристаллическую решетку. А это тугоплавкость, твердость, плотность и возможность проводить электрический ток. Характерным примером ионной кристаллической решетки может быть поваренная соль.


    Атомная кристаллическая решетка

    Вещества с атомной кристаллической решеткой, как правило, имеют в своих узлах, состоящих собственно из атомов сильные ковалентные связи. Ковалентная связь происходит, когда два одинаковых атома делятся друг с другом по-братски электронами, образуя, таким образом, общую пару электронов для соседних атомов. Из-за этого ковалентные связи сильно и равномерно связывают атомы в строгом порядке – пожалуй, это самая характерная черта строения атомной кристаллической решетки. Химические элементы с подобными связями могут похвастаться своей твердостью, высокой температурой плавления. Атомную кристаллическую решетку имеют такие химические элементы как алмаз, кремний, германий, бор.

    Молекулярная кристаллическая решетка

    Молекулярный тип кристаллической решетки характеризуется наличием устойчивых и плотноупакованных молекул. Они располагаются в узлах кристаллической решетки. В этих узлах они удерживаются такими себе вандервальсовыми силами, которые в десять раз слабее сил ионного взаимодействия. Ярким примером молекулярной кристаллической решетки является лед – твердое вещество, имеющее однако свойство переходить в жидкое – связи между молекулами кристаллической решетки совсем слабенькие.

    Металлическая кристаллическая решетка

    Тип связи металлической кристаллической решетки гибче и пластичнее ионной, хотя внешне они весьма похожи. Отличительной особенностью ее является наличие положительно заряженных катионов (ионов метала) в узлах решетки. Между узлами живут электроны, участвующие в создании электрического поля, эти электроны еще называются электрическим газом. Наличие такой структуры металлической кристаллической решетки объясняет ее свойства: механическую прочность, тепло и электропроводность, плавкость.

    Кристаллические решетки, видео

    И в завершение подробное видео пояснения о свойствах кристаллических решеток.

    Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

    При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

    Эта статья доступна на английском – Crystal Lattice in Chemistry.

    Как различаются типы кристаллической решетки? Какие способы определения?

    Существует 4 типа кристаллических решеток: ионные, молекулярные, атомные и металлические.

    В узлах ионных кристаллических решеток находятся ионы, как можно понять из названия. Такой тип решетки характерен для солей, оксидов и некоторых гидроксидов. Например, самый яркий представитель — NaCl. Вещества подобного строения характеризуются высокой твердостью, тугоплавкостью и нелетучестью.

    В молекулярных кристаллических решетках в узлах находятся молекулы. Такие решетки могут быть полярные и неполярные. Например, I2 или N2 — неполярные, а HCl или h3O — полярные. Характерны для жидких и газообразных веществ (при н.у.). Так как молекулярные взаимодействия слабые, то и кристаллические решетки эти будут нетвердые, летучие и с низкой температурой плавления. К таким решеткам относят твердую органику (сахар, глюкоза, нафталин).

    В атомных кристаллических решетках в узлах находятся атомы, связанные друг с другом прочными ковалентными связями. Такая решетка характерна простым веществам неметаллам, которые при нормальных условиях находятся в твердом состоянии, например алмаз. Температура плавления у подобных веществ очень высокая, они прочные, твердые и нерастворимы в воде.

    Металлические решетки характеризуются тем, что в узлах находятся атомы или ионы одного или нескольких металлов (у сплавов). Для металлических решеток характерно наличие так называемого общего электронного облака. Так как непрерывно происходит процесс перехода валентных электронов одного атома к другому с образованием иона, то можно говорить о том, что электроны свободно двигаются в объеме всего металла. Этим свойством объясняется электро- и теплопроводность металлов. Вещества такого строения ковки и пластичны.

    Вообще в материаловедении для изучения кристаллических структур существует множество методов, основанных на свойствах рентгеновского излучения (дифракция, интерференция), электронографический анализ и другие. Но если вы хотите просто определить тип решетки вещества известного состава, нужно понять к какому классу веществ оно относится и какие физико-химические свойства имеет.

    §23. Кристаллические решетки | 8 класс

    1. В каком агрегатном состоянии будет находиться кислород при -205°С?
    Так как температура кипения кислорода равна -183°С, а плавления  -218°, то при -205°С кислород будет в жидком состоянии.

    2. Вспомните произведение А. Беляева «Продавец воздуха» и охарактеризуйте свойства твердого кислорода, используя его описание, приведенное в книге.
    В произведении Беляева есть описание жидкого воздуха: «Жидкий воздух!.. Ведь его плотность в 800 раз больше атмосферного… Жидкий воздух представляет легко подвижную прозрачную жидкость бледно-голубого цвета  с температурой минус сто девяносто три градуса Цельсия при нормально-атмосферном давлении… Полученный из аппарата воздух бывает мутным в следствие примеси замерзшей углекислоты, которая в незначительном количестве содержится в воздухе. После профильтрования через бумажный фильтр воздух становится прозрачным… При испарении жидкого воздуха сначала выделяется кипящий азот, точка кипения которого минус сто девяносто четыре градуса Цельсия, потом аргон…»

    3. К какому типу веществ (кристаллические или аморфные) относятся пластмассы? Какие свойства пластмасс лежат в основе их промышленного применения?
    Пластмассы – это аморфные вещества. Название «пластмассы» означает, что эти материалы под действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять заданную форму после охлаждения или отвердения. Именно эти свойства лежат в основе широкого применения пластмасс в промышленности.

    4. К какому типу относится кристаллическая решетка алмаза? Перечислите характерные для алмаза физические свойства.
    Алмаз – прозрачное кристаллическое вещество, которое является самым твердым из всех существующих. Такая твердость алмаза вызвана особой структурой атомной кристаллической решетки, где каждый атом углерода окружен другими атомами углерода, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. У алмаза наиболее высокая теплопроводность среди всех твердых тел 900-2300 Вт/(м·К), большой показатель преломления и дисперсия.

    5. К какому типу относится кристаллическая решетка йода? Перечислите характерные для йода физические свойства.
    Йод – простое вещество при нормальных условиях – кристаллы черно-серого цвета с фиолетовым металлическим блеском, легко образует фиолетовые пары, обладающие резким запахом. Молекула вещества двухатомна (формула I₂). Молекулярная кристаллическая решетка.

    6. Почему температура плавления металлов изменяется в очень широких пределах? Для подготовки ответа на этот вопрос используйте дополнительную литературу.
    Температура плавления зависит от прочности структуры кристаллической решетки, которая, в свою очередь, зависит от формы решетки, структуры составляющих ее ионов и многих других факторов. Кроме того, атомов металлов очень много, и они весьма разнятся по своим свойствам – диаметру атома, заряду ядра, количество внешних электронов и т.д. из-за этого и разница в значениях энергии связи и, как следствие, температурах плавления.

    7. Почему изделие из кремния при ударе раскалывается на кусочки, а изделие из свинца только расплющивается? В каком из указанных случаев происходит разрушение химической связи, а в каком – нет? Почему?
    В кремнии атомная кристаллическая решетка, атомы соединены между собой ковалентной связью. Во время удара ковалентные химические связи Si-Si разрываются, и изделия из кремния раскалываются.
    Атомы свинца связаны между собой металлической связью и образуют металлическую кристаллическую решетку, где все электроны общие. При ударе происходит деформация кристаллической решетки, но разрушение химической связи не происходит, так как этому мешают общие электроны.

    Что такое кристаллическая решетка. Типы кристаллических решеток различных веществ

    Строение вещества.

    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.

    Жидкие кристаллы открыты в конце XIX века, но изучены в последние 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. водяной лёд плавится при температуре выше 2000 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.

    Типы кристаллических решёток.

    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

    Свойства веществ с различной кристаллической решёткой (таблица)

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

    Взаимосвязь между положением элемента 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:
    — Что такое кристаллическая решётка?
    — Какие виды кристаллических решёток существуют?
    — 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:

    — Какой тип кристаллической решётки у следующих широко используемых в быту веществ: вода, уксусная кислота (Ch4
    COOH), сахар (C12
    h32
    O11
    ), калийное удобрение (KCl), речной песок (SiO2
    ) – температура плавления 1710 0C, аммиак (Nh4
    ), поваренная соль? Сделайте обобщённый вывод: по каким свойствам вещества можно определить тип его кристаллической решётки?
    По формулам приведённых веществ: SiC, CS2
    , NaBr, C2
    h3
    — определите тип кристаллической решётки (ионная, молекулярная) каждого соединения и на основе этого опишите физические свойства каждого из четырёх веществ.
    Тренажёр №1. «Кристаллические решётки»
    Тренажёр №2. «Тестовые задания»
    Тест (самоконтроль):

    1) Вещества, имеющие молекулярную кристаллическую решётку, как правило:
    a). тугоплавки и хорошо растворимы в воде
    б). легкоплавки и летучи
    в). Тверды и электропроводны
    г). Теплопроводны и пластичны

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

    б). кислород

    в). алмаз

    3) Атомная кристаллическая решётка характерна для:

    a). алюминия и 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

    Образование молекул из атомов приводит к выигрышу энергии, так как в обычных условиях молекулярное состояние устойчивее, чем
    атомное.

    Чтобы рассматривать данную тему необходимо знать:

    Электроотрицательность — это способность атома смещать к себе общую электронную пару. (Самый электроотрицательный элемент —
    фтор.)

    Кристаллическая решетка — трехмерное упорядоченное расположение частиц.

    Различают три основных типа химических связей: ковалентную, ионную и металлическую.

    Металлическая связь

    характерна для
    металлов, которые содержат небольшое количество электронов на внешнем энергетическом уровне (1 или 2, реже 3). Эти электроны легко теряют связь с ядром и свободно перемещаются по всему куску
    металла, образуя «электронное облако» и обеспечивая связь с положительно заряженными ионами, образовавшимися после отрыва электронов. Кристаллическая решетка — металлическая. Это обуславливает
    физические свойства металлов: высокую тепло- и электропроводность, ковкость и пластичность, металлический блеск.

    Ковалентная связь

    образуется за счет
    общей электронной пары атомов неметаллов, при этом каждый из них достигает устойчивой конфигурации атома инертного элемента.

    Если связь образуют атомы с одинаковой электроотрицательностью, то есть разница электроотрицательности двух атомов равна
    нулю, электронная пара располагается симметрично между двумя атомами и связь называется
    ковалентной
    неполярной.

    Если связь образуют атомы с разной электроотрицательностью, причем разница в электроотрицательности двух атомов лежит в
    интервале от нуля примерно до двух (чаще всего это разные неметаллы), то общая электронная пара смещается к более электроотрицательному элементу. На нем возникает частично отрицательный заряд
    (отрицательный полюс молекулы), а на другом атоме — частично положительный заряд (положительный полюс молекулы). Такая связь называется
    ковалентной полярной.

    Если связь образуют атомы с разной электроотрицательностью, причем разница в электроотрицательности двух атомов больше двух
    (чаще всего это неметалл и металл), то считают, что электрон полностью переходит к атому неметалла. В результате этот атом становится отрицательно заряженным ионом. Атом, отдавший электрон, —
    положительно заряженным ионом. Связь между ионами называется
    ионной связью.

    Соединения с ковалентной связью имеют два типа кристаллических решеток: атомные и молекулярные.

    В атомной кристаллической решетке в узлах находятся атомы, соединенные прочной ковалентной связью. Вещества с такой
    кристаллической решеткой имеют высокие температуры плавления, прочны и тверды, практически нерастворимы в жидкостях. например, алмаз, твердый бор, кремний, германий и соединения некоторых
    элементов с углеродом и кремнием.

    В молекулярной кристаллической решетке в узлах находятся молекулы, соединенные слабым межмолекулярным взаимодействием.
    Вещества с такой решеткой имеют малую твердость и низкие температуры плавления, нерастворимы или малорастворимы в воде, из растворы практически не проводят электрический ток. Например, лед,
    твердый оксид углерода (IV) твердые галогеноводороды, твердые простые вещества, образованные одно-(благородные газы), двух- (F 2 , Cl 2 , Br 2 ,
    I 2 , H 2 , O 2 , N 2), трех-(О 3), четырех- (Р 4), восьми- (S 8) атомными молекулами. Большинство
    кристаллических органических соединений имеют молекулярную решетку.

    Соединения с ионной связью имеют ионную кристаллическую решетку, в узлах которой чередуются положительно и отрицательно
    заряженные ионы. Вещества с ионной решеткой
    тугоплавки и малолетучи,

    имеют сравнительно высокую твердость, но хрупки. Расплавы и водные растворы солей и щелочей проводят электрический
    ток.

    Примеры заданий

    1. В какой молекуле ковалентная связь «элемент — кислород» наиболее полярна?

    1) SO 2 2) NO 3) Cl 2 O
    4) H 2 O

    Решение:

    Полярность связи определяется разностью электроотрицательности двух атомов (в данном случае элемента и кислорода). Сера,
    азот и хлор находятся рядом с кислородом, следовательно их электроотрицательности отличаются незначительно. И только водород находится на отдалении от кислорода, значит разница в
    электроотрицательности будет большая, и связь будет наиболее полярна.

    Ответ: 4)

    2. Водородные связи образуются между молекулами

    1) метанола 2) метаналь 3) ацетилена
    4) метилформиата

    Решение:

    В составе ацетилена вообще нет сильноэлектроотрицательных элементов. Метаналь Н 2 СО и метилформиат
    НСООСН 3 не содержат водорода, соединенного с сильноэлектроотрицательным элементом. Водород в них соединен с углеродом. А вот в метаноле СН 3 ОН между атомом водорода
    одной гидроксогруппы и атомом кислорода другой молекулы возможно образование водородной связи.

    Ответ: 1)

    Как мы уже знаем, вещество может существовать в трех агрегатных состояниях: газообразном
    , твердом
    и жидком
    . Кислород, который при обычных условиях находится в газообразном состоянии, при температуре -194° С преобразуется в жидкость голубоватого цвета, а при температуре -218,8° С превращается в снегообразную массу с кристаллами синего цвета.

    Температурный интервал существования вещества в твердом состоянии определяется температурами кипения и плавления. Твердые вещества бывают кристаллическими
    и аморфными
    .

    У аморфных веществ
    нет фиксированной температуры плавления – при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в текучее состояние. В таком состоянии, например, находятся различные смолы, пластилин.

    Кристаллические вещества
    отличаются закономерным расположением частиц, из которых они состоят: атомов, молекул и ионов, – в строго определенных точках пространства. Когда эти точки соединяются прямыми линиями, создается пространственный каркас, его называют кристаллической решеткой. Точки, в которых находятся частицы кристалла, называют узлами решетки.

    В узлах воображаемой нами решетки могут находиться ионы, атомы и молекулы. Эти частицы совершают колебательные движения. Когда температура увеличивается, размах этих колебаний тоже возрастает, что приводит к тепловому расширению тел.

    В зависимости от разновидности частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные
    , атомные
    , молекулярные
    и металлические
    .

    Ионными
    называют такие кристаллические решетки, в узлах которых расположены ионы. Их образуют вещества с ионной связью, которой могут быть связаны как простые ионы Na+, Cl- , так и сложные SO24-, OH-. Таким образом, ионные кристаллические решетки имеют соли, некоторые оксиды и гидроксилы металлов, т.е. те вещества, в которых существует ионная химическая связь. Рассмотрим кристалл хлорида натрия, он состоит из положительно чередующихся ионов Na+ и отрицательных CL-, вместе они образуют решетку в виде куба. Связи между ионами в таком кристалле чрезвычайно устойчивы. Из-за этого вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой прочностью и твердостью, они тугоплавки и нелетучи.

    Атомными
    кристаллическими решетками называют такие кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы. В подобных решетках атомы соединяются между собой очень крепкими ковалентными связями. К примеру, алмаз – одно из аллотропных видоизменений углерода.

    Вещества с атомной кристаллической решеткой не сильно распространены в природе. К ним относятся кристаллический бор, кремний и германий, а также сложные вещества, например такие, в составе которых есть оксид кремния (IV) – SiO 2: кремнезем, кварц, песок, горный хрусталь.

    Подавляющее большинство веществ с атомной кристаллической решеткой имеют очень высокие температуры плавления (у алмаза она превышает 3500° С), такие вещества прочны и тверды, практически не растворимы.

    Молекулярными
    называют такие кристаллические решетки, в узлах которых расположены молекулы. Химические связи в этих молекулах могут быть также, как полярными (HCl, H 2 0), так и неполярными (N 2 , O 3). И хотя атомы внутри молекукл связаны очень крепкими ковалентными связями, между самими молекулами действует слабые силы межмолекулярного притяжения. Именно поэтому вещества с молекулярными кристаллическими решетками характеризуются малой твердостью, низкой температурой плавления, летучестью.

    Примерами таких веществ могут послужить твердая вода – лед, твердый оксид углерода (IV) – «сухой лед», твердые хлороводород и сероводород, твердые простые вещества, образованные одно – (благородные газы), двух – (H 2 , O 2 , CL 2 , N 2 , I 2), трех – (O 3), четырех – (P 4), восьмиатомными (S 8) молекулами. Подавляющее большинство твердых органических соединений обладают молекулярными кристаллическими решетками (нафталин, глюкоза, сахар).

    сайт,
    при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

    Строение вещества определяется не только взаимным расположением атомов в химических частицах, но и расположением этих химических частиц в пространстве. Наиболее упорядочено размещение атомов, молекул и ионов в кристаллах, где химические частицы расположены в определенном порядке, образуя в пространстве кристаллическую решетку
    .

    В зависимости от того, из каких частицы построена кристаллическая решетка и каков характер химической связи между ними, выделяют различные типы кристаллических решеток:

    · Атомная

    · Молекулярная

    · Металлическая

    · Ионная

    Ионные кристаллические решетки образованы ионами — катионами и анионами. В узлах
    ионной решетки располагаются ИОНЫ – катионы и анионы, между которыми существует ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ притяжение.

    Это достаточно прочный тип решетки.



    Характеристики веществ с ионной кристаллической решеткой:

    · высокие температуры плавления(тугоплавкость)
    –ионные соединения всегда твёрдые при обычных условиях;

    · растворимость в воде
    большинства ионных соединений;

    · растворы и расплавы проводят электрический ток.

    У каких веществ ИОННАЯ решетка?


    Ионная решетка характерна для веществ с ИОННЫМ ТИПОМ связи (соли, основания, оксиды металлов, другие соединения, содержащие металл и неметалл).

    Атомные кристаллические решетки состоят из отдельных атомов, соединённых прочными ковалентными связями
    .

    Кристалл графита


    Характеристики веществ с атомной кристаллической решеткой:

    · атомные кристаллы очень прочные и твердые

    · плохо проводят теплоту и электричество.

    · плавятся при высоких температурах.

    · нерастворимы
    в каких-либо растворителях.

    · низкая реакционная способность.

    У каких веществ АТОМНАЯ решетка?


    Вещества с атомной кристаллической решеткой:

    1) простые вещества – бор, кремний, углерод (алмаз и графит).

    2) оксид кремния (кремнезем), карбид кремния (карборунд), а также карбид и нитрид бора.

    Молекулярные кристаллические решетки состоят из отдельных молекул
    , внутри которых
    атомы соединены ковалентными связями. Между молекулами
    действуют более слабые межмолекулярные (Ван-дер-Ваальсовы) силы. Это очень слабый вид взаимодействия.

    Молекула йода.



    Характеристики веществ с молекулярной кристаллической решеткой:

    · вещества бывают газообразными, жидкими и твёрдыми

    · низкие температуры плавления

    · малая прочность решетки

    · высокая летучесть веществ

    · не обладают электрической проводимостью

    · их растворы и расплавы также не проводят электрический ток.

    У каких веществ МОЛЕКУЛЯРНАЯ решетка?


    Вещества с молекулярной решеткой:

    · простые двухатомные вещества-неметаллы

    · соединения неметаллов
    (кроме оксидов и карбидов бора и кремния)

    · все органические соединения, кроме солей.

    Металлическая кристаллическая решетка характерна для простых веществ-металлов. В ней имеет место металлическая связь

    между атомами. В узлах решетки – катионы металлов;
    между ними движутся обобществлённые электроны («электронный газ»), которые удерживают катионы металла, притягивая их к себе. Связь в таких кристаллах является делокализованной и распространяется на весь кристалл.

    В металлических кристаллах ядра атомов расположены таким образом, чтобы их упаковка была как можно более плотной.



    Характеристики веществ с металлической кристаллической решеткой:

    · металлический блеск и непрозрачность

    · ковкость и пластичность

    Кристалл — это тело, частицы которого (атомы, ионы, молекулы) располагаются не в хаотичном, а в строго определенном порядке. Этот порядок периодически повторяется, образуя как бы воображаемую «решетку». Принято считать, что существует четыре типа кристаллических решеток: металлические, ионные, атомные и молекулярные. А как можно определить, какой тип кристаллической решетки имеет то или иное вещество?

    Инструкция

    Как легко можно догадаться из самого называния, металлический тип решетки встречается у металлов. Эти вещества характеризуются, как правило, высокой температурой плавления, металлическим блеском, твердостью, являются хорошими проводниками электрического тока. Запомните, что в узлах решеток такого типа находятся или нейтральные атомы или положительно заряженные ионы. В промежутках между узлами – электроны, миграция которых и обеспечивает высокую электропроводимость подобных веществ.

    Ионный тип кристаллической решетки. Следует запомнить, что он присущ оксидам и солям. Характерный пример – кристаллы всем известной поваренной соли, хлорида натрия. В узлах таких решеток попеременно чередуются положительно и отрицательно заряженные ионы. Такие вещества, как правило, тугоплавки, с малой летучестью. Как легко догадаться, они имеют ионный тип химической связи.

    Атомный тип кристаллической решетки присущ простым веществам – неметаллам, которые при нормальных условиях представляют собою твердые тела. Например, сере, фосфору, углероду. В узлах таких решеток находятся нейтральные атомы, связанные друг с другом ковалентной химической связью. Таким веществам свойственна тугоплавкость, нерастворимость в воде. Некоторым (например, углероду в виде алмаза) – исключительно высокая твердость.

    Наконец, последний тип решетки — молекулярный. Он встречается у веществ, находящихся при нормальных условиях в жидком или газообразном виде. Как опять-таки легко можно понять из названия, в узлах таких решеток – молекулы. Они могут быть как неполярного вида (у простых газов типа Cl2, О2), так и полярного вида (самый известный пример – вода h3O). Вещества с таким типом решетки не проводят ток, летучи, имеют низкие температуры плавления.

    Таким образом, чтобы с уверенностью определить, какой тип кристаллической решетки имеет то или иное вещество, вам следует разобраться, к какому классу веществ оно относится и какие физико-химические свойства имеет.

    Внимание, только СЕГОДНЯ!

    Все интересное

    Алмаз — это минерал, относящийся к одной из аллотропных модификаций углерода. Отличительной чертой его является высокая твердость, которая по праву приносит ему звание самого твердого вещества. Алмаз достаточно редкий минерал, но вместе с этим и…

    Атом — это мельчайшая стабильная (в большинстве случаев) частица вещества. Молекулой же называют несколько атомов, связанных между собой. Именно молекулы хранят в себе информацию о всех свойствах определенного вещества. Атомы образуют молекулу при…

    Кислород — газ без цвета и запаха, который входит в состав воздуха. Он необходим для дыхания и горения и является одним их самых распространенных элементов на Земле. Инструкция 1Кислород — это химический элемент 7А группы периодической системы…

    Агрегатное состояние вещества зависит от физический условий, в которых оно находится. Наличие у веществ нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении их молекул в разных условиях. Инструкция 1Вещество может находиться в…

    В кристаллах химические частицы (молекулы, атомы и ионы) расположены в определенном порядке, в некоторых условиях они образуют правильные симметричные многогранники. Выделяют четыре типа кристаллических решеток — ионные, атомные, молекулярные и…

    Под термином «электролитическая диссоциация» понимают процесс распада вещества, проводящего электрический ток, на ионы. Этот процесс может проходить как в растворах, так и в расплавах вещества. Диссоциации подвергаются кислоты,…

    Известно, что более нагретые тела хуже проводят электрический ток, чем охлажденные. Причина этому – так называемое термическое сопротивление металлов. Что такое термическое сопротивлениеТермическое сопротивление – это сопротивление проводника…

    Ионная связь – это одна из разновидностей химической связи, возникающая между разноименно заряженными ионами электроположительных и электроотрицательных элементов. Ионы же, как известно, — это частицы, несущие положительный или отрицательный заряд,…

    В природе есть два вида твердых тел, которые заметно различаются своими свойствами. Это аморфные и кристаллические тела. И аморфные тела не имеют точной температуры плавления, они во время нагревания постепенно размягчаются, а затем переходят в…

    Часто в электротехнической литературе встречается понятие «удельное электрическое сопротивление меди». И невольно задаешься вопросом, а что же это такое? Понятие «сопротивление» для любого проводника непрерывно связано с пониманием…

    Атомно-молекулярное строение вещества стало активно изучаться Ломоносовым. Русский ученый впервые применил в химии теорию, сущность которой сводилась к определенным положениям. Все вещества включают в свой состав «корпускулы». Этим термином…

    классов кристаллических твердых тел | Химия для неосновных

    • Перечислите четыре типа кристаллических твердых тел.
    • Опишите свойства каждого типа.
    Что обычно мы подключаем к проводам?

    Мы часто воспринимаем многое как должное. Мы просто предполагаем, что мы получим электроэнергию, когда подключим вилку к электрической розетке. Провод, из которого состоит эта розетка, почти всегда состоит из меди, материала, который хорошо проводит электричество.Уникальные свойства твердой меди позволяют электронам беспрепятственно проходить через провод и в любое устройство, к которому мы его подключаем. Затем мы можем наслаждаться музыкой, смотреть телевизор, работать на компьютере или заниматься любой другой деятельностью, которой мы хотим заниматься.

    Классы кристаллических твердых тел

    Кристаллические вещества можно описать по типам частиц в них и типам химической связи, которая имеет место между частицами. Существует четыре типа кристаллов: (1) ионный , (2) металлический , (3) ковалентная сетка и (4) молекулярный .Свойства и несколько примеров каждого типа перечислены в следующей таблице и описаны в таблице Таблица ниже.

    Кристаллические твердые вещества — точки плавления и кипения
    Тип кристаллического твердого вещества Примеры (формулы) Температура плавления (° C) Нормальная точка кипения (° C)
    Ионный

    NaCl

    CaF 2

    801

    1418

    1413

    2533

    Металлик

    рт. Ст.

    Na

    Au

    Вт

    -39

    371

    1064

    3410

    630

    883

    2856

    5660

    Ковалентная сеть

    B

    C (ромб)

    SiO 2

    2076

    3500

    1600

    3927

    3930

    2230

    Молекулярный

    H 2

    I 2

    NH 3

    H 2 O

    -259

    114

    -78

    0

    -253

    184

    -33

    100

    1.Ионные кристаллы — Ионная кристаллическая структура состоит из чередующихся положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных анионов (см. Рис. ниже). Ионы могут быть одноатомными или многоатомными. Обычно ионные кристаллы образуются из комбинации металлов 1 или 2 групп и неметаллов 16 или 17 групп или неметаллических многоатомных ионов. Ионные кристаллы твердые, хрупкие и имеют высокие температуры плавления. Ионные соединения не проводят электричество в виде твердых тел, но проводят их в расплавленном состоянии или в водном растворе.

    Рисунок 13.18

    кристалл NaCl.

    2. Металлические кристаллы. Металлические кристаллы состоят из катионов металлов, окруженных «морем» подвижных валентных электронов (см. Рисунок ниже). Эти электроны, также называемые делокализованными электронами, не принадлежат какому-либо одному атому, но способны перемещаться через весь кристалл. В результате металлы являются хорошими проводниками электричества. Как видно из приведенной выше таблицы Таблица , температуры плавления металлических кристаллов имеют широкий диапазон.

    Рисунок 13.19

    Металлическая кристаллическая решетка со свободными электронами, способными перемещаться между положительными атомами металла.

    3. Кристаллы с ковалентной сеткой — Кристалл с ковалентной сеткой состоит из атомов в узлах решетки кристалла, причем каждый атом ковалентно связан со своими ближайшими соседними атомами (см. рисунок ниже). Ковалентно связанная сеть трехмерна и содержит очень большое количество атомов. Сетчатые твердые тела включают алмаз, кварц, многие металлоиды и оксиды переходных металлов и металлоидов.Сетчатые твердые тела твердые и хрупкие, с чрезвычайно высокими температурами плавления и кипения. Состоящие из атомов, а не ионов, они не проводят электричество ни в каком состоянии.

    Рисунок 13.20

    Алмаз представляет собой твердую сетку, состоящую из атомов углерода, ковалентно связанных друг с другом в повторяющемся трехмерном узоре. Каждый атом углерода образует четыре одинарные ковалентные связи в тетраэдрической геометрии.

    4. Молекулярные кристаллы. Молекулярные кристаллы обычно состоят из молекул в узлах решетки кристалла, удерживаемых вместе относительно слабыми межмолекулярными силами (см. Рис. ниже).Межмолекулярные силы могут быть дисперсионными силами в случае неполярных кристаллов или диполь-дипольными силами в случае полярных кристаллов. Некоторые молекулярные кристаллы, такие как лед, имеют молекулы, удерживаемые вместе водородными связями. Когда один из благородных газов охлаждается и затвердевает, узлами решетки становятся отдельные атомы, а не молекулы. Во всех случаях межмолекулярные силы, удерживающие частицы вместе, намного слабее, чем ионные или ковалентные связи. В результате температуры плавления и кипения молекулярных кристаллов намного ниже.Молекулярные кристаллы, лишенные ионов или свободных электронов, являются плохими электрическими проводниками.

    Рисунок 13.21

    Ледяная кристаллическая структура.

    Сводка
    • Ионные кристаллы состоят из чередующихся положительных и отрицательных ионов.
    • Металлические кристаллы состоят из катионов металлов, окруженных «морем» подвижных валентных электронов.
    • Ковалентные кристаллы состоят из атомов, ковалентно связанных друг с другом.
    • Молекулярные кристаллы удерживаются вместе слабыми межмолекулярными силами.
    Практика

    Вопросы

    Воспользуйтесь ссылкой ниже, чтобы ответить на следующие вопросы:

    http://www.citycollegiate.com/solid3.htm

    1. Какую трехмерную структуру имеют кристаллические твердые тела?
    2. Имеют ли кристаллические твердые тела форму?
    3. Охарактеризуйте точки плавления и кипения кристаллических твердых веществ.
    Обзор

    Вопросы

    1. Что такое ионный кристалл?
    2. Какой тип кристалла представляет собой алмаз?
    3. Какие силы удерживают вместе молекулярные кристаллы?
    4. Какой тип кристалла является хорошим проводником электричества?
    • ковалентные: Состоят из атомов, ковалентно связанных друг с другом.
    • ionic: Состоит из чередующихся положительных и отрицательных ионов.
    • металл: Состоит из катионов металлов, окруженных «морем» подвижных валентных электронов.
    • молекулярная: Удерживается вместе слабыми межмолекулярными силами.

    10.5 Твердое вещество — Химия

    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Определите и опишите связывание и свойства кристаллических твердых тел с ионной, молекулярной, металлической и ковалентной сеткой
    • Опишите основные типы кристаллических твердых веществ: ионные твердые вещества, металлические твердые частицы, твердые вещества с ковалентной сеткой и молекулярные твердые вещества.
    • Объясните, как дефекты кристаллов могут возникать в твердом теле

    Когда большинство жидкостей охлаждается, они в конечном итоге замерзают и образуют кристаллических твердых веществ , твердых тел, в которых атомы, ионы или молекулы расположены определенным повторяющимся образом.Также возможно, что жидкость замерзнет до того, как ее молекулы выстроятся в упорядоченный узор. Полученные материалы называются аморфными твердыми телами или некристаллическими твердыми телами (или, иногда, стеклами). Частицы таких твердых тел не имеют упорядоченной внутренней структуры и расположены беспорядочно (рис. 1).

    Рис. 1. Объекты твердой фазы могут быть расположены в регулярном повторяющемся узоре (кристаллические твердые тела) или случайным образом (аморфные).

    Металлы и ионные соединения обычно образуют упорядоченные кристаллические твердые тела.Вещества, состоящие из больших молекул или смеси молекул, движение которых более ограничено, часто образуют аморфные твердые тела. Например, свечные воски представляют собой аморфные твердые вещества, состоящие из больших молекул углеводородов. Некоторые вещества, такие как оксид бора (показанный на рисунке 2), могут образовывать кристаллические или аморфные твердые вещества, в зависимости от условий, в которых они производятся. Также аморфные твердые вещества могут переходить в кристаллическое состояние при соответствующих условиях.

    Рисунок 2. (a) Триоксид дибора, B 2 O 3 , обычно находится в виде белого аморфного твердого вещества (стекла), которое имеет высокую степень беспорядка в своей структуре. (b) При осторожном продолжительном нагревании он может быть преобразован в кристаллическую форму B 2 O 3 , которая имеет очень упорядоченную структуру.

    Кристаллические твердые вещества обычно классифицируются в соответствии с природой сил, удерживающих их частицы вместе. Эти силы в первую очередь ответственны за физические свойства твердых тел.В следующих разделах дается описание основных типов кристаллических твердых веществ: ионных, металлических, ковалентных и молекулярных.

    Ионные твердые частицы , такие как хлорид натрия и оксид никеля, состоят из положительных и отрицательных ионов, которые удерживаются вместе за счет электростатического притяжения, которое может быть довольно сильным (рис. 3). Многие ионные кристаллы также имеют высокие температуры плавления. Это происходит из-за очень сильного притяжения между ионами — в ионных соединениях притяжения между полными зарядами (намного) больше, чем между частичными зарядами в полярных молекулярных соединениях.Это будет рассмотрено более подробно при обсуждении энергий решетки позже. Хотя они твердые, они также имеют тенденцию быть хрупкими и скорее ломаются, чем гнутся. Ионные твердые тела не проводят электричество; однако они действительно проводят в расплавленном или растворенном состоянии, потому что их ионы могут свободно перемещаться. Многие простые соединения, образованные реакцией металлического элемента с неметаллическим элементом, являются ионными.

    Рис. 3. Хлорид натрия представляет собой твердое ионное вещество.

    Металлические твердые частицы , такие как кристаллы меди, алюминия и железа, образованы атомами металлов Рис. 4.Структуру металлических кристаллов часто описывают как равномерное распределение атомных ядер в «море» делокализованных электронов. Атомы внутри такого металлического твердого тела удерживаются вместе уникальной силой, известной как , металлическая связь , которая дает начало множеству полезных и разнообразных объемных свойств. Все они обладают высокой теплопроводностью и электропроводностью, металлическим блеском и пластичностью. Многие из них очень твердые и довольно сильные. Благодаря своей пластичности (способности деформироваться под давлением или ударами) они не разрушаются и, следовательно, являются полезными строительными материалами.Температуры плавления металлов сильно различаются. Ртуть является жидкостью при комнатной температуре, а щелочные металлы плавятся ниже 200 ° C. Некоторые постпереходные металлы также имеют низкие температуры плавления, тогда как переходные металлы плавятся при температурах выше 1000 ° C. Эти различия отражают различия в прочности металлических связей между металлами.

    Рис. 4. Медь — металлическое твердое тело.

    Твердые вещества с ковалентной сеткой включают кристаллы алмаза, кремния, некоторых других неметаллов и некоторые ковалентные соединения, такие как диоксид кремния (песок) и карбид кремния (карборунд, абразив на наждачной бумаге).Многие минералы имеют сети ковалентных связей. Атомы в этих твердых телах удерживаются вместе сеткой ковалентных связей, как показано на рисунке 5. Чтобы разорвать или расплавить твердое тело с ковалентной сеткой, ковалентные связи должны быть разорваны. Поскольку ковалентные связи относительно прочны, твердые вещества с ковалентной сеткой обычно характеризуются твердостью, прочностью и высокими температурами плавления. Например, алмаз является одним из самых твердых известных веществ и плавится при температуре выше 3500 ° C.

    Рис. 5. Ковалентный кристалл содержит трехмерную сеть ковалентных связей, как показано на структурах алмаза, диоксида кремния, карбида кремния и графита.Графит — исключительный пример, состоящий из плоских листов ковалентных кристаллов, которые удерживаются вместе слоями нековалентными силами. В отличие от типичных ковалентных твердых тел, графит очень мягкий и электропроводный.

    Твердые вещества , такие как лед, сахароза (столовый сахар) и йод, как показано на рисунке 6, состоят из нейтральных молекул. Сила сил притяжения между элементами, присутствующими в разных кристаллах, широко варьируется, на что указывают температуры плавления кристаллов.Небольшие симметричные молекулы (неполярные молекулы), такие как H 2 , N 2 , O 2 и F 2 , имеют слабые силы притяжения и образуют молекулярные твердые тела с очень низкими температурами плавления (ниже −200 ° C ). Вещества, состоящие из более крупных неполярных молекул, обладают большей силой притяжения и плавятся при более высоких температурах. Молекулярные твердые тела, состоящие из молекул с постоянными дипольными моментами (полярные молекулы), плавятся при еще более высоких температурах. Примеры включают лед (точка плавления 0 ° C) и столовый сахар (точка плавления 185 ° C).

    Рис. 6. Двуокись углерода (CO 2 ) состоит из небольших неполярных молекул и образует молекулярное твердое вещество с температурой плавления -78 ° C. Йод (I 2 ) состоит из более крупных неполярных молекул и образует молекулярное твердое вещество, которое плавится при 114 ° C.

    Кристаллическое твердое вещество, подобное перечисленным в Таблице 7, имеет точную температуру плавления, потому что каждый атом или молекула одного и того же типа удерживается на месте с одинаковыми силами или энергией. Таким образом, притяжения между элементами, составляющими кристалл, имеют одинаковую силу, и для их разрушения требуется одинаковое количество энергии.Постепенное размягчение аморфного материала резко отличается от отчетливого плавления кристаллического твердого вещества. Это происходит из-за структурной неэквивалентности молекул в аморфном твердом теле. Некоторые силы слабее других, и когда аморфный материал нагревается, самые слабые межмолекулярные притяжения разрушаются первыми. При дальнейшем повышении температуры более сильные аттракционы разрушаются. Таким образом, аморфные материалы размягчаются в широком диапазоне температур.

    Тип твердого Тип частиц Тип достопримечательностей Недвижимость Примеры
    ионный ионы ионные связи твердый, хрупкий, проводит электричество как жидкость, но не как твердое тело, температура плавления от высокой до очень высокой NaCl, Al 2 O 3
    металлик атомы электроположительных элементов металлические связки блестящий, податливый, пластичный, хорошо проводит тепло и электричество, переменная твердость и температура плавления Cu, Fe, Ti, Pb, U
    ковалентная сеть атомы электроотрицательных элементов ковалентные связи очень твердая, непроводящая, очень высокая температура плавления C (алмаз), SiO 2 , SiC
    молекулярный молекулы (или атомы) МВФ переменная твердость, переменная хрупкость, непроводимость, низкие температуры плавления H 2 O, CO 2 , I 2 , C 12 H 22 O 11
    Таблица 7. Типы кристаллических твердых тел и их свойства

    Графен: материал будущего

    Углерод — важнейший элемент в нашем мире. Уникальные свойства атомов углерода позволяют существовать основанным на углероде формам жизни, таким как мы. Углерод образует огромное количество веществ, которые мы используем ежедневно, в том числе те, что показаны на рис. 7. Возможно, вы знакомы с алмазом и графитом, двумя наиболее распространенными аллотропами углерода. (Аллотропы — это разные структурные формы одного и того же элемента.) Алмаз — одно из самых твердых веществ, тогда как графит достаточно мягкий, чтобы его можно было использовать в качестве грифеля. Эти очень разные свойства проистекают из разного расположения атомов углерода в разных аллотропах.

    Рис. 7. Алмаз чрезвычайно твердый из-за прочной связи между атомами углерода во всех направлениях. Графит (грифель карандаша) трется о бумагу из-за слабого притяжения между слоями углерода. Изображение поверхности графита показывает расстояние между центрами соседних атомов углерода.(Фото слева: модификация работы Стива Джурветсона; фото в центре: модификация работы Геологической службы США)

    Возможно, вы менее знакомы с недавно обнаруженной формой углерода: графеном. Впервые графен был выделен в 2004 году с помощью ленты для снятия все более тонких слоев с графита. По сути, это цельный лист (толщиной в один атом) графита. Графен, показанный на рисунке 8, не только прочный и легкий, но также является отличным проводником электричества и тепла.Эти свойства могут оказаться очень полезными в широком диапазоне приложений, таких как значительно улучшенные компьютерные микросхемы и схемы, улучшенные батареи и солнечные элементы, а также более прочные и легкие конструкционные материалы. Нобелевская премия по физике 2010 г. была присуждена Андре Гейму и Константину Новоселову за их новаторские работы с графеном.

    Рис. 8. Листы графена могут быть сформированы в виде букиболов, нанотрубок и уложенных друг на друга слоев.

    В кристаллическом твердом теле атомы, ионы или молекулы расположены в определенном повторяющемся узоре, но в этом узоре могут возникать случайные дефекты.Известно несколько типов дефектов, как показано на рисунке 9. Вакансии — это дефекты, которые возникают, когда позиции, которые должны содержать атомы или ионы, являются вакантными. Реже некоторые атомы или ионы в кристалле могут занимать позиции, называемые межузельными позициями , , расположенными между обычными положениями для атомов. Другие искажения обнаруживаются в примесных кристаллах, например, когда катионы, анионы или молекулы примеси слишком велики, чтобы поместиться в регулярные положения без искажения структуры.В кристалл иногда добавляют следовые количества примесей (процесс, известный как легирование ) , чтобы создать дефекты в структуре, которые приводят к желаемым изменениям его свойств. Например, кристаллы кремния легированы различными количествами различных элементов, чтобы получить подходящие электрические свойства для их использования в производстве полупроводников и компьютерных микросхем.

    Рис. 9. Типы кристаллических дефектов включают вакансии, межузельные атомы и примеси замещения.

    Некоторые вещества образуют твердые кристаллические вещества, состоящие из частиц с очень организованной структурой; другие образуют аморфные (некристаллические) твердые тела с неупорядоченной внутренней структурой. Основными типами кристаллических твердых веществ являются ионные твердые вещества, металлические твердые частицы, твердые вещества с ковалентной сеткой и твердые молекулярные частицы. Свойства различных видов кристаллических твердых тел обусловлены типами частиц, из которых они состоят, расположением частиц и силой притяжения между ними.Поскольку их частицы испытывают одинаковое притяжение, кристаллические твердые тела имеют разные температуры плавления; частицы в аморфных твердых телах подвергаются целому ряду взаимодействий, поэтому они постепенно размягчаются и плавятся в диапазоне температур. Некоторые кристаллические твердые тела имеют дефекты в определенной повторяющейся структуре их частиц. Эти дефекты (которые включают вакансии, атомы или ионы, не находящиеся в правильном положении, и примеси) изменяют физические свойства, такие как электропроводность, которая используется в кристаллах кремния, используемых для производства компьютерных микросхем.

    Упражнения по химии в конце главы

    1. Какие типы жидкостей обычно образуют аморфные твердые тела?
    2. При очень низких температурах кислород, O 2 , замерзает и образует кристаллическое твердое вещество. Что лучше всего описывает эти кристаллы?

      (а) ионный

      (б) ковалентная сеть

      (в) металлик

      (г) аморфный

      (д) молекулярные кристаллы

    3. По мере охлаждения оливковое масло медленно затвердевает и превращается в твердое вещество в широком диапазоне температур.Что лучше всего описывает твердое тело?

      (а) ионный

      (б) ковалентная сеть

      (в) металлик

      (г) аморфный

      (д) молекулярные кристаллы

    4. Объясните, почему лед, который представляет собой твердое кристаллическое вещество, имеет температуру плавления 0 ° C, тогда как масло, которое представляет собой аморфное твердое вещество, размягчается в диапазоне температур.
    5. Укажите тип кристаллического твердого вещества (металлический, сетчатый ковалентный, ионный или молекулярный), образованный каждым из следующих веществ:

      (а) SiO 2

      (б) KCl

      (в) Cu

      (г) CO 2

      (e) C (ромб)

      (ж) BaSO 4

      (г) NH 3

      (в) NH 4 F

      (i) C 2 H 5 OH

    6. Укажите тип кристаллического твердого вещества (металлический, сетчатый ковалентный, ионный или молекулярный), образованный каждым из следующих веществ:

      (а) CaCl 2

      (б) SiC

      (в) № 2

      (г) Fe

      (д) С (графит)

      (f) Канал 3 Канал 2 Канал 2 Канал 3

      (г) HCl

      (ч) NH 4 NO 3

      (i) K 3 PO 4

    7. Классифицируйте каждое вещество в таблице как твердое тело с металлической, ионной, молекулярной или ковалентной сеткой:

      Вещество Внешний вид Точка плавления Электропроводность Растворимость в воде
      X блестящий, податливый 1500 ° С высокая нерастворимый
      Y мягкий, желтый 113 ° С нет нерастворимый
      Z жесткий, белый 800 ° С только в расплавленном / растворенном виде растворимый
      Таблица 8.
    8. Классифицируйте каждое вещество в таблице как твердое тело с металлической, ионной, молекулярной или ковалентной сеткой:

      Вещество Внешний вид Точка плавления Электропроводность Растворимость в воде
      X хрупкий, белый 800 ° С только в расплавленном / растворенном виде растворимый
      Y блестящий, податливый 1100 ° С высокая нерастворимый
      Z твердая, бесцветная 3550 ° С нет нерастворимый
      Таблица 9.
    9. Идентифицировать следующие вещества как ионные, металлические, ковалентные сетчатые или молекулярные твердые вещества:

      Вещество А податливо, пластично, хорошо проводит электричество и имеет температуру плавления 1135 ° C. Вещество B хрупкое, не проводит электричество как твердое тело, но проводит его в расплавленном состоянии и имеет температуру плавления 2072 ° C. Вещество C очень твердое, не проводит электричество и имеет температуру плавления 3440 ° C. Вещество D мягкое, не проводит электричество и имеет температуру плавления 185 ° C.

    10. Вещество A блестящее, хорошо проводит электричество и плавится при 975 ° C. Вещество A, скорее всего, a (n):

      (а) ионное твердое вещество

      (б) металлический твердый

      (c) молекулярное твердое вещество

      (d) твердое тело с ковалентной сеткой

    11. Вещество B твердое, не проводит электричество и плавится при 1200 ° C. Вещество B, вероятно, a (n):

      (а) ионное твердое вещество

      (б) металлический твердый

      (c) молекулярное твердое вещество

      (d) твердое тело с ковалентной сеткой

    Глоссарий

    аморфное твердое тело
    (также некристаллическое твердое тело) твердое вещество, в котором частицы не имеют упорядоченной внутренней структуры
    сплошная ковалентная сеть
    твердое тело, частицы которого удерживаются вместе ковалентными связями
    твердое кристаллическое
    твердое тело, в котором частицы расположены определенным повторяющимся узором
    межстраничные сайты
    промежутки между обычными положениями частиц в любом массиве атомов или ионов
    твердое ионное вещество
    твердое тело, состоящее из положительных и отрицательных ионов, удерживаемых вместе сильным электростатическим притяжением
    металлический цельный
    твердое тело, состоящее из атомов металла
    молекулярное твердое вещество
    твердое тело, состоящее из нейтральных молекул, удерживаемых вместе межмолекулярными силами притяжения
    вакансия
    дефект, возникающий, когда позиция, которая должна содержать атом или ион, свободна

    Решения

    Ответы на упражнения в конце главы по химии

    2.(д) молекулярные кристаллы

    4. Лед имеет кристаллическую структуру, стабилизированную водородными связями. Эти межмолекулярные силы сравнимы по силе и, следовательно, требуют того же количества энергии для преодоления. В результате лед тает при одной температуре, а не в диапазоне температур. Различные очень большие молекулы, из которых состоит масло, испытывают различные ван-дер-ваальсовы притяжения различной силы, которые преодолеваются при различных температурах, и поэтому процесс плавления происходит в широком диапазоне температур.

    6. (а) ионный; (б) ковалентная сеть; (в) молекулярный; (г) металлический; (д) ковалентная сеть; (е) молекулярный; (ж) молекулярный; (h) ионный; (i) ионный

    8. X = ионный; Y = металлик; Z = ковалентная сеть

    10. (б) металлический твердый

    Физические свойства и типы кристаллов

    Физические свойства и типы кристаллов
    Из личного опыта вы знаете, что твердые тела имеют широкий диапазон
    физических свойств.Некоторые из них, например алмаз, очень твердые; другие, такие
    как нафталин (шарики моли) или лед, по сравнению с ними мягкие и легко поддаются
    раздавлен. Некоторые твердые вещества, такие как кристаллы соли или железо, имеют высокие температуры плавления,
    в то время как другие, такие как воск для свечей, плавятся при низких температурах. Некоторое поведение
    электричество хорошо, но другие непроводящие.
    Такие физические свойства зависят от вида и прочности
    сил притяжения, удерживающих частицы вместе в твердом теле.Несмотря на то, что точные прогнозы не могут быть сделаны, существуют некоторые обобщения.
    Делая эти обобщения, мы можем разделить кристаллы на несколько типов.
    в зависимости от типа частиц, расположенных в узлах решетки, и
    виды притяжения, существующие между частицами.
    Ионные кристаллы
    Ионные кристаллы твердые, имеют высокие температуры плавления и хрупкие.
    При плавлении образующиеся жидкости хорошо проводят электричество.Эти свойства
    отражают сильные силы притяжения между ионами противоположного заряда как
    а также отталкивание, которое происходит, когда ионы с одинаковым зарядом помещаются рядом
    друг с другом.
    Они хрупкие и при
    подчеркнул. Когда кристалл подвергается ударам или нагрузке, ионы с одинаковыми зарядами
    вынуждены находиться в непосредственной близости. Затем кристалл буквально самоуничтожается
    из-за электростатического отталкивания.
    Молекулярные кристаллы
    Молекулярные кристаллы — это твердые тела, в которых узлы решетки заняты.
    либо атомами — как в твердом аргоне или криптоне — либо молекулами — как в
    твердый CO 2 , SO 2 или H 2 O. Такие твердые вещества имеют тенденцию
    быть мягким и иметь низкие температуры плавления, потому что частицы в твердом
    испытывают относительно слабое межмолекулярное влечение. Кристаллы мягкие
    потому что требуется небольшое усилие, чтобы разделить частицы или переместить их
    мимо друг друга.Твердое вещество плавится при низких температурах, потому что частицы
    требуется небольшая кинетическая энергия, чтобы оторваться от твердого тела. Если кристаллы
    содержат только отдельные атомы, как в твердом аргоне или криптоне, или если они
    состоит из неполярных молекул, как в нафталине, единственное притяжение
    между молекулами действуют лондонские силы. В кристаллах, содержащих полярные
    молекулы, такие как диоксид серы, основные силы, удерживающие частицы
    вместе являются диполь-дипольными притяжениями.В кристаллах, таких как вода, первичный
    силы притяжения обусловлены водородными связями.
    Ковалентные кристаллы
    Ковалентные кристаллы — это твердые тела, в которых узлы решетки заняты.
    атомами, которые ковалентно связаны с другими атомами в соседней решетке
    места. В результате получается кристалл, который по сути представляет собой одну гигантскую молекулу.
    Эти твердые тела иногда называют твердыми телами сети и из-за взаимоблокировки.
    сеть ковалентных связей, простирающаяся по всему кристаллу во всех направлениях.Типичным примером является алмаз, структура которого проиллюстрирована ниже.
    Вышеупомянутая структура — ромб. Обратите внимание, что каждый атом углерода
    ковалентно связаны с четырьмя другими по углам тетраэдра. Эта структура
    распространяется по всему кристаллу алмаза. (В алмазе, конечно, все
    атомы идентичны. Здесь разные оттенки только для того, чтобы было легче
    визуализировать структуру.)
    Ковалентные кристаллы имеют тенденцию быть твердыми и иметь очень высокую температуру плавления.
    точки из-за сильного притяжения между ковалентно связанными атомами.
    Они не проводят электричество, потому что электроны связаны слишком сильно.
    к облигациям. Другими примерами ковалентных кристаллов являются кварц (SiO 2
    — типичные зерна песка) и карбид кремния (SiC — широко используемый абразив
    наждачной бумагой).
    Металлические кристаллы
    Металлические кристаллы обладают свойствами, которые сильно отличаются от
    те из других трех типов кристаллов, указанных выше.Они проводят тепло и электричество
    ну, и у них есть блеск, который мы обычно связываем с металлами.
    Для описания металлов был разработан ряд различных моделей. В
    простейший из них рассматривает кристалл как имеющий положительные ионы в позициях решетки.
    которые окружены электронами в облаке, которое распространяется по всей
    целиком.
    Электроны в этом облаке не принадлежат ни одному положительному иону, а
    скорее к кристаллу в целом.Потому что электроны не локализованы
    на любом атоме они могут свободно перемещаться, что составляет электрическую
    проводимость металлов. Своим движением электроны также могут передавать
    кинетическая энергия быстро проникает в твердое тело, поэтому металлы также являются хорошими проводниками
    тепла. Поскольку электроны могут свободно перемещаться, даже решетка
    точки подвижны или деформируемы, и это помогает объяснить податливость
    металлов. Хотя точки решетки и электроны могут свободно перемещаться
    действуют некоторые сильные силы притяжения, которые помогают объяснить пластичность
    в некоторых металлах.Эта модель также объясняет блеск металлов. Когда свет
    светится на металле, слабо удерживаемые электроны легко и легко колеблются
    повторно излучают свет практически с той же частотой и интенсивностью.
    Невозможно сделать простые обобщения относительно плавления.
    точки из металлов. Некоторые из них имеют очень высокие температуры плавления, например, вольфрам, тогда как
    другие, такие как ртуть, имеют довольно низкие температуры плавления. В какой-то степени таяние
    точка зависит от заряда положительных ионов в металлических кристаллах.Ионы группы IA имеют тенденцию существовать как катионы с зарядом +1, и они
    лишь слабо тянутся к окружающему их «электронному морю». Атомы
    металлов группы IIA, однако, имеют тенденцию образовывать катионы с зарядом +2. Эти
    более заряженные ионы сильнее прикрепляются к окружающему электрону
    море, поэтому металлы группы IIA имеют более высокие температуры плавления, чем их соседи
    в группе IA. Например, магний плавится при температуре 650 o ° C, а натрий плавится.
    при 98 o C.Вольфрам с очень высокой температурой плавления должен иметь
    очень сильное притяжение между их атомами, что говорит о том, что, вероятно, существует
    в них тоже есть ковалентная связь.
    Типы кристаллов

    Свойства твердых тел

    Свойства твердых тел

    Свойства твердых тел

    Как вы должны помнить из кинетической молекулярной теории, молекулы в твердых телах движутся не так, как в жидкостях или газах.Твердые молекулы просто вибрируют и вращаются на месте, а не перемещаются. Твердые тела обычно удерживаются вместе ионной или прочной ковалентной связью, а силы притяжения между атомами, ионами или молекулами в твердых телах очень сильны. Фактически, эти силы настолько сильны, что частицы в твердом теле удерживаются в фиксированных положениях и имеют очень небольшую свободу движения. Твердые тела имеют определенные формы и объемы и никак не сжимаются.

    Есть две основные категории твердых тел — кристаллические твердые тела и аморфные твердые тела. Кристаллические твердые тела — это те вещества, в которых атомы, ионы или молекулы, составляющие твердое тело, находятся в правильном, четко определенном порядке. Наименьший повторяющийся узор кристаллических твердых тел известен как элементарная ячейка , а элементарные ячейки подобны кирпичам в стене — все они идентичны и повторяются. Другой основной тип твердых тел называется аморфными. Аморфные твердые тела не имеют особого порядка в своей структуре. Хотя их молекулы расположены близко друг к другу и имеют небольшую свободу передвижения, они не расположены в правильном порядке, как в кристаллических твердых телах.Распространенными примерами твердого тела этого типа являются стекло и пластмассы.

    Есть четыре типа кристаллических твердых тел:

    Ионные твердые тела — Состоят из положительных и отрицательных ионов и удерживаются вместе за счет электростатического притяжения. Они характеризуются очень высокими температурами плавления и хрупкостью, а в твердом состоянии являются плохими проводниками. Примером ионного твердого вещества является поваренная соль NaCl.

    Молекулярные твердые тела — Состоят из атомов или молекул, удерживаемых вместе лондонскими силами дисперсии, диполь-дипольными силами или водородными связями.Характеризуется низкой температурой плавления и гибкостью, а также плохой проводимостью. Примером твердого молекулярного вещества является сахароза.

    Твердые тела с ковалентной сеткой (также называемые атомными) — Состоят из атомов, связанных ковалентными связями; межмолекулярные силы также являются ковалентными связями. Характеризуется высокой твердостью, очень высокими температурами плавления и плохой проводимостью. Примерами твердого тела этого типа являются алмаз, графит и фуллерены. Как вы можете видеть ниже, графит имеет только двумерную гексагональную структуру и поэтому не тверд, как алмаз.Листы графита удерживаются вместе только слабыми лондонскими силами!

    Металлические твердые тела — Состоят из атомов металлов, скрепленных металлическими связями. Характеризуется высокой температурой плавления, может варьироваться от мягкого и податливого до очень твердого, и являются хорошими проводниками электричества.

    КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ С КУБИЧЕСКИМИ ЯЧЕЙКАМИ (Из https://eee.uci.edu/programs/gchem/RDGcrystalstruct.pdf)

    Кристаллические твердые тела представляют собой трехмерную совокупность отдельных атомов, ионов или целых молекул, организованных в повторяющихся узоры.Эти атомы, ионы или молекулы называются точками решетки и обычно визуализируются в виде круглых сфер. Двумерные слои твердого тела создаются путем упаковки точечных «сфер» решетки в квадратные или закрытые упакованные массивы. (См. ниже).

    Рисунок 1: Два возможных расположения идентичных атомов в двумерной структуре

    При наложении двухмерных слоев друг на друга создается трехмерная структура точек решетки, представленная элементарной ячейкой.Элементарная ячейка — это наименьший набор узлов решетки, которые можно повторить для создания кристаллического твердого тела. Твердое тело можно представить как результат сложения большого количества элементарных ячеек вместе. Элементарная ячейка твердого тела определяется типом слоя (квадратный или плотноупакованный), способом размещения каждого последующего слоя на слое ниже и координационным числом для каждой точки решетки (количеством «сфер», соприкасающихся с « сфера »интереса.)

    Примитивная (простая) кубическая структура

    Размещение второго слоя квадратной матрицы непосредственно над первым слоем квадратной матрицы формирует «простую кубическую» структуру.Простой «кубический» вид полученной элементарной ячейки (рис. 3а) является основой для названия этой трехмерной структуры. Такое расположение упаковки часто обозначается как «AA …», буквы обозначают повторяющийся порядок слоев, начиная с нижнего слоя. Координационное число каждой точки решетки равно шести. Это становится очевидным при осмотре части соседней элементарной ячейки (рис. 3b). Элементарная ячейка на рисунке 3а, кажется, содержит восемь угловых сфер, однако общее количество сфер в элементарной ячейке равно 1 (фактически только 1/8 каждой сферы находится внутри элементарной ячейки).Остальные 7/8 каждой угловой сферы находятся в 7 смежных элементарных ячейках.

    Значительное пространство, показанное между сферами на рис. 3b, вводит в заблуждение: точки решетки в твердых телах соприкасаются, как показано на рис. 3c. Например, расстояние между центрами двух соседних атомов металла равно сумме их радиусов. Снова обратитесь к рисунку 3b и представьте, что соседние атомы соприкасаются. Тогда край элементарной ячейки равен 2r (где r = радиус атома или иона), а значение диагонали грани как функция от r можно найти, применив теорему Пифагора (a 2 + b 2 = c 2 ) в прямоугольный треугольник, образованный двумя ребрами и диагональю грани (рисунок 4a).Повторное применение теоремы к другому прямоугольному треугольнику, созданному ребром, диагональю грани и диагональю тела, позволяет определить диагональ тела как функцию от r (рис. 4b).

    Немногие металлы принимают простую кубическую структуру из-за неэффективного использования пространства. Плотность кристаллического твердого вещества связана с его «процентной эффективностью упаковки». Эффективность упаковки простой кубической структуры составляет всего около 52%. (48% — пустое место!)

    Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) структура

    Более эффективно упакованная кубическая структура — это «объемно-центрированная кубическая» (ОЦК).Первый слой квадратного массива слегка расширен во всех направлениях. Затем второй слой сдвигается так, чтобы его сферы прижались к пространствам первого слоя (рис. 5а, б). Этот повторяющийся порядок слоев часто обозначается как «ABA …». Как и на рисунке 3b, значительное пространство, показанное между сферами на рисунке 5b, вводит в заблуждение: сферы плотно упакованы в твердые тела с ОЦК и касаются друг друга по диагонали тела. Эффективность упаковки ОЦК-структуры составляет около 68%. Координационное число атома в структуре ОЦК равно восьми.Сколько всего атомов в элементарной ячейке для ОЦК-структуры? Проведите диагональную линию, соединяющую три атома, отмеченные знаком «x» на рисунке 5b. Если предположить, что атомы, помеченные «x», имеют одинаковый размер, плотно упакованы и соприкасаются, каково значение диагонали этого тела в зависимости от радиуса r? Найдите край и объем ячейки как функцию от r.

    Cubic Closest Packed (ccp)

    Кубическая структура с максимальной плотностью упаковки (ccp) создается путем наслоения плотно упакованных массивов.Сферы второго слоя прижимаются к половине пространств первого слоя. Сферы третьего слоя непосредственно перекрывают другую половину пространств первого слоя, при этом располагаясь в половине пространств второго слоя. Порядок повторения слоев — «ABC …» (Рисунки 6 и 7). Координационное число атома в структуре ccp равно двенадцати (шесть ближайших соседей плюс три атома в слоях выше и ниже), а эффективность упаковки составляет 74%.

    Рисунок 6: Наслоение плотно упакованного массива.1-й и 3-й слои представлены светом
    сферы; 2-й слой, темные шары. Сферы 2-го слоя прижимаются к пространствам 1-го
    г.
    слой, отмеченный знаком «x». Сферы 3-го слоя прижимаются к пространствам 2-го слоя, который
    непосредственно перекрывайте пространства, отмеченные знаком «·» в 1-м слое.

    Рис. 7a и 7b: два вида кубической плотно упакованной структуры

    Если кубическая плотноупакованная структура повернута на 45 °, можно увидеть элементарную ячейку гранецентрированного куба (ГЦК) (рис. 8).Элементарная ячейка ГЦК содержит 8 угловых атомов и атом на каждой грани. Лицевые атомы являются общими с соседней элементарной ячейкой, поэтому каждая элементарная ячейка содержит ½ граневого атома. Атомы гранецентрированной кубической (ГЦК) элементарной ячейки соприкасаются по диагонали грани (рис. 9). Каковы край, диагональ грани, диагональ тела и объем гранецентрированной кубической элементарной ячейки в зависимости от радиуса?

    Рисунок 8: Гранецентрированная кубическая элементарная ячейка нарисована путем разрезания диагональной плоскости через
    компоновка упаковки ABCA структуры ccp.В элементарной ячейке 4 атома (1/8 от
    каждый угловой атом и ½ каждого лицевого атома).

    Рис. 9a: Модель заполнения пространства ГЦК. Рис. 9b: грань ГЦК. Диагональ лица = 4р.

    Ионные твердые тела

    В ионных соединениях более крупные ионы становятся точечными «сферами» решетки, которые составляют основу элементарной ячейки. Ионы меньшего размера «прижимаются» к углублениям («дырам») между ионами большего размера. Есть три типа отверстий: «кубические», «октаэдрические» и «четырехгранные».Кубические и октаэдрические отверстия встречаются в структурах квадратного массива; тетраэдрические и октаэдрические дырки появляются в плотноупакованных структурах массива (рис. 10). Какой ион обычно больше — катион или анион? Как можно использовать таблицу Менделеева для предсказания размера ионов? Какое координационное число иона в тетраэдрической дырке? восьмигранная дыра? кубическая дыра?

    Рис. 10. Отверстия в ионных кристаллах больше похожи на «ямочки» или «впадины» между
    .
    плотно упакованные ионы.Маленькие ионы могут помещаться в эти отверстия и окружены более крупными ионами
    противоположного заряда.

    Тип дырки, образующейся в ионном твердом теле, в значительной степени зависит от отношения радиуса меньшего иона к радиусу большего иона (r меньше / r больше ). (Таблица 1).

    Эмпирическая формула ионного твердого вещества

    Эмпирическую формулу ионного твердого вещества можно определить двумя способами: 1) из числа каждого иона, содержащегося в 1 элементарной ячейке 2) из ​​отношения координационных чисел катионов и анионы в твердом теле.

    Пример: Найдите эмпирическую формулу для ионного соединения, показанного на рисунках 11 и 12.

    Первый метод: При использовании первого метода помните, что большинство атомов в элементарной ячейке используются совместно с другими ячейками. В таблице 2 перечислены типы атомов и доли, содержащиеся в элементарной ячейке. Определяется количество каждого иона в элементарной ячейке: 1/8 каждого из 8 угловых ионов X и 1/4 каждого из 12 краевых ионов Y находятся в одной элементарной ячейке.Следовательно, ячейка содержит 1 ион X (8/8 = 1) на каждые 3 иона Y (12/4 = 3), что дает эмпирическую формулу XY3. Что такое катион? анион? Что стоит на первом месте при написании формулы ионных твердых веществ?

    Второй метод: Второй метод менее надежен и требует исследования кристаллической структуры для определения количества катионов, окружающих анион, и наоборот. Структура должна быть расширена, чтобы включить больше элементарных ячеек.На рис. 12 показано то же твердое тело на рис. 11, расширенное до четырех соседних элементарных ячеек. Изучение структуры показывает, что есть 2 иона X, координированных с каждым ионом Y, и 6 ионов Y, окружающих каждый ион X. (Чтобы увидеть шестой ион Y, необходимо проецировать дополнительную элементарную ячейку перед страницей). Отношение 2 к 6 дает ту же эмпирическую формулу XY3.

    Резюме:

    Простой куб: 1 общий атом на ячейку (1/8 каждого угла)

    Тело центрированный куб: 2 атома на ячейку (1 в центре и 1/8 для каждого угла)

    Кубик с центрированной гранью: 4 атома на ячейку
    (1/2 на грань и 1/8 на каждый угол)

    Molecular Crystal — обзор

    1 КОНТРАСТ МЕЖДУ МОЛЕКУЛЯРНЫМИ И ИОННЫМИ ТВЕРДЫМИ

    Основные различия между кристаллами, состоящими из органических молекул, таких как бензол, и кристаллами, состоящими из ионов, таких как хлорид натрия, привели к различным подходам к их изучению. моделирование.Однако эти противоположные методы необходимо объединить для моделирования многих неорганических систем, которые включают как ковалентные, так и ионные связи. Актуальный пример — био-неорганические поверхности раздела, где ковалентно связанные органические вещества взаимодействуют с ионными твердыми веществами.

    Структуры ионных твердых тел можно понять с точки зрения упаковки сфер, тогда как молекулярные кристаллы являются результатом упаковки различных форм. Лишь несколько простых многоатомных молекул имеют даже приблизительно сферическую форму; больше молекул пластинчато, но большинство органических молекул имеют очень неправильную форму.Эти формы кристаллизуются в плотноупакованные структуры с отношением молекулярного объема к объему элементарной ячейки 0,7 ± 0,05 для подавляющего большинства структур органических кристаллов (Перцин, Китайгородский, 1987), что приближается к эффективности упаковки твердых сфер (0,74 ). Этот принцип плотной упаковки может почти определять кристаллическую структуру многих органических соединений неправильной формы. Действительно, основополагающий принцип молекулярной кристаллографии, выдвинутый Китайгородским (1973), заключается в том, что «выступы одной молекулы вставляются в полости других».Он добился значительного прогресса в рационализации кристаллических структур, используя этот принцип «ласточкин хвост» и искателя механической структуры, который использовал модели, заполняющие пространство. Эквивалент для ионных твердых тел, правила отношения радиусов, как известно, неэффективны даже для простых бинарных соединений.

    Различия в форме приводят к значительным различиям в диапазоне принятых структур, и это меняет вопросы, которые пытается решить компьютерное моделирование. Уже определены многие молекулярные кристаллические структуры; Кембриджская структурная база данных (Allen et al., 1991; Allen and Kennard, 1993) содержит 140 268 кристаллических структур органических и металлоорганических соединений (выпуск от апреля 1995 г.). Различные статистические анализы показывают, что более 90% этих структур содержат только одну независимую молекулу в элементарной ячейке (Belsky, Zorkii, 1977) и что 75% органических структур принадлежат только пяти пространственным группам (Mighell et al. , 1983) . Таким образом, структуры с более чем восемью молекулами в элементарной ячейке встречаются редко, и большинство молекул кристаллизуются с одной, двумя или четырьмя молекулами в элементарной ячейке.Следовательно, обычно легко найти молекулярную упаковку, соответствующую заданному набору размеров ячеек. Целью моделирования молекулярной кристаллической структуры является предсказание размеров элементарной ячейки и упаковки молекулы до ее синтеза.

    Предсказание молекулярных кристаллических структур является фундаментальной проблемой в физической химии, которая проверяет как модель сил между молекулами, так и модель кинетических и термодинамических эффектов, контролирующих кристаллизацию. Это имеет практическое значение при разработке новых материалов.Например, молекула с высоким нелинейным оптическим коэффициентом будет поддерживать это желаемое свойство в кристалле только в том случае, если она упаковывается в нецентросимметричной пространственной группе. Многие органические молекулы могут кристаллизоваться в более чем одной форме, и разные полиморфы обладают разными физическими свойствами, такими как растворимость или легкость таблетирования. Полиморфизм может принимать разные формы; это может быть результатом различных конформаций молекулы в кристалле или включения различных молекул растворителя в кристаллическую структуру, а также просто различных упаковок идентичных молекул, относительная стабильность которых зависит от условий температуры и давления.Полиморфизм плохо изучен, поскольку часто кажется, что количество известных полиморфов в основном зависит от затраченных экспериментальных усилий. Действительно, часто требуется так много усилий, чтобы убедить новое соединение образовать четко определенные кристаллы, что у немногих химиков-органиков есть мотивация экспериментировать с дальнейшими условиями кристаллизации, чтобы найти новые структуры. Убедительные компьютерные предсказания новых полиморфов могут стать катализатором их открытия. Возникающий патентный закон о различных кристаллических формах лекарств, таких как ранитидин, также будет способствовать систематическому поиску полиморфных кристаллических структур.

    Прежде чем теоретики и экспериментаторы смогут понять полиморфизм, мы должны уметь предсказывать известные молекулярные кристаллические структуры. Как и в изучении полярных материалов, описанном в главах 9 и 10, такие исследования состоят из двух компонентов: во-первых, нам нужна реалистичная модель сил между молекулами, а во-вторых, метод моделирования, который найдет все возможные кристаллические структуры. Прогресс наблюдается по обоим направлениям. Модельные потенциалы, которые являются достаточно реалистичными, поскольку минимум энергии решетки находится достаточно близко к экспериментальной структуре, в настоящее время разрабатываются для полярных органических молекул.Эти потенциалы теоретически обоснованы, что дает большую уверенность в оценках энергии решетки для гипотетических структур. Точно так же недавно были предложены различные систематические методы создания гипотетических кристаллических структур в качестве отправных точек для минимизации. Степень, в которой эти методы распространяются на различные типы молекул, неизвестна, и не было проведено подробных сравнений с методами моделирования отжига, но сочетание этих методов с реалистичными потенциалами должно позволить нам предсказать молекулярные кристаллические структуры на рубеже веков.

    Молекулярный кристалл — обзор

    1 КОНТРАСТ МЕЖДУ МОЛЕКУЛЯРНЫМИ И ИОННЫМИ ТВЕРДЫМИ

    Основные различия между кристаллами, состоящими из органических молекул, таких как бензол, и кристаллов, состоящих из ионов, таких как хлорид натрия, привели к различным подходам к их моделирование. Однако эти противоположные методы необходимо объединить для моделирования многих неорганических систем, которые включают как ковалентные, так и ионные связи. Актуальный пример — био-неорганические поверхности раздела, где ковалентно связанные органические вещества взаимодействуют с ионными твердыми веществами.

    Структуры ионных твердых тел можно понять с точки зрения упаковки сфер, тогда как молекулярные кристаллы являются результатом упаковки различных форм. Лишь несколько простых многоатомных молекул имеют даже приблизительно сферическую форму; больше молекул пластинчато, но большинство органических молекул имеют очень неправильную форму. Эти формы кристаллизуются в плотноупакованные структуры, при этом отношение молекулярного объема к объему элементарной ячейки составляет 0,7 ± 0,05 для подавляющего большинства структур органических кристаллов (Перцин, Китайгородский, 1987), что приближается к эффективности упаковки твердых сфер (0 .74). Этот принцип плотной упаковки может почти определять кристаллическую структуру многих органических соединений неправильной формы. Действительно, основополагающий принцип молекулярной кристаллографии, выдвинутый Китайгородским (1973), заключается в том, что «выступы одной молекулы вставляются в полости других». Он добился значительного прогресса в рационализации кристаллических структур, используя этот принцип «ласточкин хвост» и искателя механической структуры, который использовал модели, заполняющие пространство. Эквивалент для ионных твердых тел, правила отношения радиусов, как известно, неэффективны даже для простых бинарных соединений.

    Различия в форме приводят к значительным различиям в диапазоне принятых структур, и это меняет вопросы, которые пытается решить компьютерное моделирование. Уже определены многие молекулярные кристаллические структуры; Кембриджская структурная база данных (Аллен и др. , 1991; Аллен и Кеннард, 1993) содержит 140268 кристаллических структур органических и металлоорганических соединений (выпуск от апреля 1995 года). Различные статистические анализы показывают, что более 90% этих структур содержат только одну независимую молекулу в элементарной ячейке (Belsky, Zorkii, 1977) и что 75% органических структур принадлежат только пяти пространственным группам (Mighell et al., 1983). Таким образом, структуры с более чем восемью молекулами в элементарной ячейке встречаются редко, и большинство молекул кристаллизуются с одной, двумя или четырьмя молекулами в элементарной ячейке. Следовательно, обычно легко найти молекулярную упаковку, соответствующую заданному набору размеров ячеек. Целью моделирования молекулярной кристаллической структуры является предсказание размеров элементарной ячейки и упаковки молекулы до ее синтеза.

    Предсказание молекулярных кристаллических структур является фундаментальной проблемой в физической химии, которая проверяет как модель сил между молекулами, так и модель кинетических и термодинамических эффектов, контролирующих кристаллизацию.Это имеет практическое значение при разработке новых материалов. Например, молекула с высоким нелинейным оптическим коэффициентом будет поддерживать это желаемое свойство в кристалле только в том случае, если она упаковывается в нецентросимметричной пространственной группе. Многие органические молекулы могут кристаллизоваться в более чем одной форме, и разные полиморфы обладают разными физическими свойствами, такими как растворимость или легкость таблетирования. Полиморфизм может принимать разные формы; это может быть результатом различных конформаций молекулы в кристалле или включения различных молекул растворителя в кристаллическую структуру, а также просто различных упаковок идентичных молекул, относительная стабильность которых зависит от условий температуры и давления.Полиморфизм плохо изучен, поскольку часто кажется, что количество известных полиморфов в основном зависит от затраченных экспериментальных усилий. Действительно, часто требуется так много усилий, чтобы убедить новое соединение образовать четко определенные кристаллы, что у немногих химиков-органиков есть мотивация экспериментировать с дальнейшими условиями кристаллизации, чтобы найти новые структуры. Убедительные компьютерные предсказания новых полиморфов могут стать катализатором их открытия. Возникающий патентный закон о различных кристаллических формах лекарств, таких как ранитидин, также будет способствовать систематическому поиску полиморфных кристаллических структур.

    Прежде чем теоретики и экспериментаторы смогут понять полиморфизм, мы должны уметь предсказывать известные молекулярные кристаллические структуры. Как и в изучении полярных материалов, описанном в главах 9 и 10, такие исследования состоят из двух компонентов: во-первых, нам нужна реалистичная модель сил между молекулами, а во-вторых, метод моделирования, который найдет все возможные кристаллические структуры. Прогресс наблюдается по обоим направлениям. Модельные потенциалы, которые являются достаточно реалистичными, поскольку минимум энергии решетки находится достаточно близко к экспериментальной структуре, в настоящее время разрабатываются для полярных органических молекул.Эти потенциалы теоретически обоснованы, что дает большую уверенность в оценках энергии решетки для гипотетических структур. Точно так же недавно были предложены различные систематические методы создания гипотетических кристаллических структур в качестве отправных точек для минимизации. Степень, в которой эти методы распространяются на различные типы молекул, неизвестна, и не было проведено подробных сравнений с методами моделирования отжига, но сочетание этих методов с реалистичными потенциалами должно позволить нам предсказать молекулярные кристаллические структуры на рубеже веков.

    Кристаллические и аморфные твердые тела

    12.1 Кристаллические и аморфные твердые тела

    Цель обучения

    1. Чтобы знать характерные свойства кристаллических и аморфных твердых тел.

    За некоторыми исключениями, частицы, составляющие твердый материал, ионный, молекулярный, ковалентный или металлический, удерживаются на месте сильными силами притяжения между ними. Поэтому, когда мы обсуждаем твердые тела, мы рассматриваем положений атомов, молекул или ионов, которые по существу фиксированы в пространстве, а не их движения (которые более важны в жидкостях и газах).Составляющие твердого тела могут быть расположены двумя основными способами: они могут образовывать регулярную повторяющуюся трехмерную структуру, называемую кристаллической решеткой, регулярную повторяющуюся трехмерную структуру., Таким образом создавая кристаллическое твердое тело, твердое тело с регулярной повторяющейся трехмерной структурой. , или они могут агрегироваться без определенного порядка, и в этом случае они образуют аморфное твердое тело — твердое тело без определенного структурного порядка. (от греческого ámorphos , что означает «бесформенный»).

    Кристаллические твердые тела, или кристаллов , имеют отличительную внутреннюю структуру, которая, в свою очередь, приводит к отличительным плоским поверхностям или граням .Грани пересекаются под углами, характерными для вещества. Под воздействием рентгеновских лучей каждая структура также создает отличительный узор, который можно использовать для идентификации материала (см. Раздел 12.3 «Структуры простых бинарных соединений»). Характерные углы не зависят от размера кристалла; они отражают регулярное повторяющееся расположение составляющих атомов, молекул или ионов в пространстве. Когда ионный кристалл раскалывается (рис. 12.1 «Раскол кристалла ионного соединения вдоль плоскости ионов»), например, отталкивающие взаимодействия заставляют его разрушаться вдоль фиксированных плоскостей, создавая новые грани, которые пересекаются под теми же углами, что и в оригинальный кристалл.В ковалентном твердом теле, таком как ограненный алмаз, углы, под которыми встречаются грани, также не произвольны, а определяются расположением атомов углерода в кристалле.

    Кристаллические грани. Грани кристаллов могут пересекаться под прямым углом, как в галените (PbS) и пирите (FeS 2 ), или под другими углами, как в кварце.

    Поверхности скола аморфного твердого тела. Обсидиан, вулканическое стекло с тем же химическим составом, что и гранит (обычно KAlSi 3 O 8 ), при раскалывании имеет изогнутую неправильную поверхность.

    Рис. 12.1 Раскол кристалла ионного соединения по плоскости ионов

    Деформация ионного кристалла заставляет одну плоскость атомов скользить по другой. Возникающие в результате отталкивающие взаимодействия между ионами с одинаковыми зарядами вызывают разделение слоев.

    Кристаллы, как правило, имеют относительно острые, четко определенные точки плавления, потому что все составляющие атомы, молекулы или ионы находятся на одинаковом расстоянии от одного и того же числа и типа соседей; то есть регулярность кристаллической решетки создает одинаковые локальные среды.Таким образом, межмолекулярные силы, удерживающие твердое тело вместе, однородны, и для одновременного разрыва каждого взаимодействия требуется одинаковое количество тепловой энергии.

    Аморфные твердые вещества обладают двумя характерными свойствами. Когда они раскалываются или ломаются, они образуют осколки с неправильной, часто изогнутой поверхностью; и при воздействии рентгеновских лучей они имеют плохо определяемые узоры, поскольку их компоненты не расположены в виде регулярного массива. Аморфное полупрозрачное твердое тело называется аморфным полупрозрачным твердым телом.Стекло — это твердое вещество, которое было слишком быстро охлаждено для образования упорядоченных кристаллов. Практически любое вещество может затвердеть в аморфной форме, если жидкая фаза охлаждается достаточно быстро. Однако некоторые твердые вещества по своей природе аморфны, потому что либо их компоненты не могут достаточно хорошо сочетаться друг с другом, чтобы образовать стабильную кристаллическую решетку, либо они содержат примеси, которые разрушают решетку. Например, хотя химический состав и основные структурные единицы кристалла кварца и кварцевого стекла одинаковы (оба являются SiO 2 и оба состоят из связанных тетраэдров SiO 4 ), расположение атомов в пространстве отличается.Кристаллический кварц содержит высокоупорядоченное расположение атомов кремния и кислорода, но в кварцевом стекле атомы расположены почти беспорядочно. Когда расплавленный SiO 2 быстро охлаждается (4 К / мин), он образует кварцевое стекло, тогда как большие идеальные кристаллы кварца, продаваемые в магазинах минералов, охлаждались в течение тысяч лет. Напротив, алюминий кристаллизуется намного быстрее. Аморфный алюминий образуется только тогда, когда жидкость охлаждается с необычайной скоростью 4 × 10 13 К / с, что не позволяет атомам организовываться в регулярный массив.

    Решетка кристаллического кварца (SiO 2 ). Атомы образуют правильное расположение в структуре, состоящей из связанных тетраэдров.

    В аморфном твердом теле местная среда, включая расстояния до соседних единиц и количество соседей, варьируется по всему материалу. Для преодоления этих различных взаимодействий необходимо различное количество тепловой энергии. Следовательно, аморфные твердые вещества имеют тенденцию медленно размягчаться в широком диапазоне температур, а не иметь четко определенную точку плавления, как кристаллическое твердое вещество.Если аморфное твердое вещество выдерживается при температуре чуть ниже его точки плавления в течение длительных периодов времени, составляющие молекулы, атомы или ионы могут постепенно перестраиваться в более упорядоченную кристаллическую форму.

    Обратите внимание на узор

    Кристаллы имеют четко выраженные точки плавления; аморфные твердые тела — нет.

    Сводка

    Твердые тела характеризуются расширенным трехмерным расположением атомов, ионов или молекул, в котором компоненты обычно заблокированы в своих положениях.Компоненты могут быть расположены в регулярном повторяющемся трехмерном массиве (кристаллическая решетка ), что приводит к кристаллическому твердому телу или более или менее случайным образом для получения аморфного твердого тела . Кристаллические твердые тела имеют четко очерченные края и грани, дифрагируют рентгеновские лучи и имеют тенденцию к резким температурам плавления. Напротив, аморфные твердые вещества имеют неправильную или искривленную поверхность, не дают хорошо разрешенных рентгенограмм и плавятся в широком диапазоне температур.

    Ключевые вынос

    • Кристаллические твердые тела имеют регулярные упорядоченные массивы компонентов, удерживаемых вместе однородными межмолекулярными силами, тогда как компоненты аморфных твердых тел не расположены в регулярных массивах.

    Концептуальные проблемы

    1. Сравните твердое и жидкое состояния с точки зрения

      1. жесткость конструкции.
      2. дальнего действия.
      3. ближнего боя.
    2. Чем аморфные твердые тела отличаются от кристаллических по каждой характеристике? Какой из двух типов твердого вещества больше всего похож на жидкость?

      1. жесткость конструкции
      2. дальний заказ
      3. ближний заказ
    3. Почему расположение составляющих атомов или молекул более важно для определения свойств твердого тела, чем жидкости или газа?

    4. Почему структуры твердых тел обычно описываются в терминах положений составляющих атомов, а не их движения?

    5. Какие физические характеристики отличают кристаллическое твердое тело от аморфного? Опишите как минимум два способа экспериментального определения того, является ли материал кристаллическим или аморфным.

    6. Объясните, почему каждая характеристика способствует или не способствует образованию аморфного твердого вещества.

      1. медленное охлаждение чистого расплавленного материала
      2. примесей в жидкости, из которой образовано твердое вещество
      3. слабые силы межмолекулярного притяжения
    7. Студент получил твердый продукт лабораторным синтезом.Чтобы проверить идентичность твердого вещества, она измерила его температуру плавления и обнаружила, что температура плавления составляла 12 ° C. После того, как он остыл, она снова измерила температуру плавления того же образца и обнаружила, что на этот раз твердое вещество имеет резкую точку плавления при температуре, которая характерна для желаемого продукта. Почему две точки плавления были разными? Что привело к изменению температуры плавления?

    ответов

    1. Расположение атомов или молекул более важно для определения свойств твердого тела из-за более устойчивого дальнего порядка твердых тел.Газы и жидкости нельзя легко описать пространственным расположением их компонентов, потому что быстрое молекулярное движение и перегруппировка определяют многие свойства жидкостей и газов.

    2. Исходное твердое вещество содержало желаемое соединение в аморфном состоянии, на что указывает широкий диапазон температур, в котором происходит плавление.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.