Частицы в узлах молекулярной решетки. Кристаллическая решетка и ее основные типы

Связи между ионами в кристалле очень прочные и устойчивые.Поэтому вещества с ионной решёткой обладают высокой твёрдостью и прочностью, тугоплавки и нелетучи.

Вещества с ионной кристаллической решеткой обладают следующими свойствами:

1. Относительно высокой твердостью и прочностю;

2. Хрупкостью;

3. Термостойкостью;

4. Тугоплавкостью;

5. Нелетучестью.

Примеры: соли – хлорид натрия, карбонат калия, основания – гидрооксид кальция, гидрооксид натрия.

4. Механизм образования ковалентной связи (обменный и донорно-акцепторный).

Каждый атом стремится завершить свой внешний электронный уровень, чтобы уменьшить потенциальную энергию. Поэтому ядро одного атома притягивается к себе электронную плотность другого атома и наоборот, происходит наложение электронных облаков двух соседних атомов.

Демонстрация аппликации и схемы образования ковалентной неполярной химической связи в молекуле водорода.

(Учащиеся записывают и зарисовывают схемы).

Вывод: Связь между атомами в молекуле водорода осуществляется за счет общей электронной пары. Такая связь называется ковалентной.

Какую связь называют ковалентной неполярной? (Учебник стр. 33).

Составление электронных формул молекул простых веществ неметаллов:

CI CI — электронная формула молекулы хлора,

CI — CI — структурная формула молекула хлора.

N N — электронная формула молекулы азота,

N ≡ N — структурная формула молекулы азота.

Электроотрицательность. Ковалентные полярная и неполярная связи. Кратность ковалентной связи.

Но молекулы могут образовывать и разные атомы неметаллов и в этом случае общая электронная пара будет смещаться к более электроотрицательному химическому элементу.

Изучить материал учебника на стр. 34

Вывод: Металлы имеют более низкое значение электроотрицательности, чем неметаллы. И между ними она сильно отличается.

Демонстрация схемы образования полярной ковалентной связи в молекуле хлороводорода.

Общая электронная пара смещена к хлору, как более электроотрицательному. Значит это ковалентная связь. Она образована атомами, электроотрицательности которых несильно отличаются, поэтому это ковалентная полярная связь.

Составление электронных формул молекул йодоводорода и воды:

H J — электронная формула молекулы йодоводорода,

H → J — структурная формула молекулы йодоводорода.

H O — электронная формула молекулы воды,

Н →О — структурная формула молекулы воды.

Самостоятельная работа с учебником: выписать определение электроотрицательности.

Молекулярные и атомные кристаллические решетки. Свойства веществ с молекулярными и атомными кристаллическими решетками

Самостоятельная работа с учебником.

Вопросы для самоконтроля

Атом, какого химического элемента имеет заряд ядра +11

– Записать схему электронного строения атома натрия

– Внешний слой завершен?

– Как добиться завершения заполнения электронного слоя?

– Составить схему отдачи электрона

– Сравнить строение атома и иона натрия

Сравнить строение атома и иона инертного газа неона.

Определить атом, какого элемента с количеством протонов 17.

– Запишите схему электронного строения атома.

– Слой завершен? Как этого добиться.

– Составить схему завершения электронного слоя хлора.

Задание по группам:

1-3 группа: Cоставьте электронные и структурные формулы молекул веществ и укажите тип связи Br 2 ; NH 3 .

4-6 группы: Cоставьте электронные и структурные формулы молекул веществ и укажите тип связи F 2 ; HBr.

Два ученика работают у дополнительной доски с этим же заданием для образца к самопроверке.

Устный опрос.

1. Дайте определение понятия «электроотрицательность».

2. От чего зависит электроотрицательность атома?

3. Как изменяется электроотрицательность атомов элементов в периодах?

4. Как изменяется электроотрицательность атомов элементов в главных подгруппах?

5. Сравните электроотрицательность атомов металлов и неметаллов. Отличаются ли способы завершения внешнего электронного слоя, характерные для атомов металлов и неметаллов? Каковы причины этого?

7.

Какие химические элементы способны отдавать электроны, принимать электроны?

Что происходит между атомами при отдаче и принятии электронов?

Как называют частицы, образовавшиеся из атома в результате отдачи или присоединения электронов?

8. Что произойдет при встрече атомов металла и неметалла?

9. Как образуется ионная связь?

10. Химическая связь, образуемая за счет образования общих электронных пар называется …

11. Ковалентная связь бывает … и …

12. В чем сходство ковалентной полярной и ковалентной неполярной связи? От чего зависит полярность связи?

13. В чем различие ковалентной полярной и ковалентной неполярной связи?

ПЛАН ЗАНЯТИЯ № 8

Дисциплина:

Химия.

Тема: Металлическая связь. Агрегатные состояния веществ и водородная связь.

Цель занятия: Сформировать понятие об химических связях на примере металлической связи. Добиться понимания механизма образования связи.

Планируемые результаты

Предметные: формировании кругозора и функциональной грамотности человека для решения практических задач; умение обрабатывать, объяснять результаты; готовность и способность применять методы познания при решении практических задач;

Метапредметные: использование различных источников для получения химической информации, умение оценить ее достоверность для достижения хороших результатов в профессиональной сфере;

Личностные: умение использовать достижения современной химической науки и химических технологий для повышения собственного интеллектуального развития в выбранной профессиональной деятельности;

Норма времени: 2 часа

Вид занятия: Лекция.

План занятия:

1. Металлическая связь. Металлическая кристаллическая решетка и металлическая химическая связь.

2. Физические свойства металлов.

3. Агрегатные состояния веществ. Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

4. Водородная связь

Оснащение: Периодическая система химических элементов, кристаллическая решетка, раздаточный материал.

Литература:

1. Химия 11 класс: учеб. для общеобразоват. организаций Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.:Просвещение, 2014. -208 с.: ил..

2. Химия для профессий и специальностей технического профиля: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / О.С.Габриелян, И.Г. Остроумов. – 5 — изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2017. – 272с., с цв. ил.

Преподаватель: Тубальцева Ю.Н.

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 S O 4 2 − .

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(\(IV\)) Si O 2 .

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 ( H 2 , O 2 , N 2 , Cl 2 , I 2 , O 3 , P 4 , S 8).

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

Любое вещество в природе, как известно, состоит из более мелких частиц. Они, в свою очередь, связаны и образуют определенную структуру, которая определяет свойства конкретного вещества.

Атомная свойственна и возникает при низких температурах и высоком давлении. Собственно, именно благодаря такому , металлы и ряд других материалов приобретают характерную прочность.

Строение таких веществ на молекулярном уровне выглядит, как кристаллическая решетка, каждый атом в которой связан со своим соседом самым прочным соединением, существующим в природе — ковалентной связью. Все мельчайшие элементы, образующие структуры, расположены упорядоченно и с определенной периодичностью. Представляя собой сетку, в углах которой расположены атомы, окруженные всегда одинаковым числом спутников, атомная кристаллическая решетка практически не меняет своего строения. Общеизвестно, что изменить структуру чистого металла или сплава можно лишь нагревая его. При этом температура тем выше, чем более прочные связи в решетке.

Иными словами, атомная кристаллическая решетка является залогом прочности и твердости материалов. При этом, однако, стоит учитывать, что расположение атомов в различных веществах также может отличаться, что, в свою очередь, влияет на степень прочности. Так, например, алмаз и графит, имеющие в составе один и тот же атом углерода, в высшей мере отличаются друг от друга по показателям прочности: алмаз — на Земле, графит же может слоиться и ломаться. Дело в том, что в кристаллической решетке графита атомы расположены слоями. Каждый слой напоминает пчелиную соту, в которой атомы углерода сочленены достаточно слабо. Подобное строение обуславливает слоистое крошение грифелей карандаша: при поломке части графита попросту отслаиваются. Другое дело — алмаз, кристаллическая решетка которого состоит из возбужденных атомов углерода, то есть тех, что способны образовывать 4 прочных связи. Разрушить такое сочленение попросту невозможно.

Кристаллические решетки металлов, кроме того, обладают определенными характеристиками:

1. Период решетки — величина, определяющая расстояние между центрами двух рядом расположенных атомов, измеряемая по ребру решетки. Общепринятое обозначение не отличается от оного в математике: a, b, c — длина, ширина, высота решетки соответственно. Очевидно, что размеры фигуры столь малы, что расстояние измеряется в наименьших единицах измерения — десятой доли нанометра или ангстремах .

2. К — координационное число . Показатель, определяющий плотность упаковки атомов в рамках одной решетки. Соответственно, плотность ее тем больше, чем выше число К. По факту же данная цифра являет собой количество атомов, находящихся как можно ближе и на равном расстоянии от изучаемого атома.

3. Базис решетки . Также величина, характеризующая плотность решетки. Представляет собой общее число атомов, которые принадлежат конкретной изучаемой ячейке.

4. Коэффициент компактности измеряется путем подсчета общего объема решетки, поделенного на тот объем, что занимают все атомы в ней. Как и предыдущие две, эта величина отражает плотность изучаемой решетки.

Мы рассмотрели всего несколько веществ, которым свойственна атомная кристаллическая решетка. Меж тем, их великое множество. Несмотря на большое разнообразие, кристаллическая атомная решетка включает в себя единицы, всегда соединенные при помощи (полярной или неполярной). Кроме того, подобные вещества практически не растворяются в воде и характеризуются низкой теплопроводностью.

В природе существует три вида кристаллических решеток: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная, плотноупакованная гексагональная.

Поговорим о твердых телах. Твердые тела можно разделить на две большие группы: аморфные и кристаллические . Разделять мы их будем по принципу есть порядок или нет.

В аморфных веществах молекулы располагаются хаотично. В их пространственном расположении нет никаких закономерностей. По сути, аморфные вещества – это очень вязкие жидкости, настолько вязкие, что твердые.

Отсюда и название: «а-» – отрицательная частица, «morphe» – форма. К аморфным веществам относятся: стекла, смолы, воск, парафин, мыло.

Отсутствие порядка в расположении частиц обусловливает физические свойства аморфных тел: они не имеют фиксированных температур плавления . По мере нагревания их вязкость постепенно снижается, и они также постепенно переходят в жидкое состояние.

В противоположность аморфным веществам существуют кристаллические. Частицы кристаллического вещества пространственно упорядочены. Это правильная структура пространственного расположения частиц в кристаллическом веществе называется кристаллической решеткой .

В отличии от аморфных тел, кристаллические вещества имеют фиксированные температуры плавления.

В зависимости от того какие частицы находятся в узлах решетки , и от того какие связи удерживают их различают: молекулярную , атомную , ионную и металлическую решетки.

Для чего принципиально важно знать, какая у вещества кристаллическая решетка? Что она определяет? Все. Структура определяет, как химические и физические свойства вещества .

Самый простой пример: ДНК. У всех организмов на земле она построена из одинакового набора структурных компонентов: нуклеотидов четырех видов. А какое многообразие жизни. Это все определяется структурой: порядком, в котором эти нуклеотиды расположены.

Молекулярная кристаллическая решетка.

Типичный пример вода – в твердом состоянии (лед). В узлах решетки находятся целые молекулы. И удерживают их вместе межмолекулярные взаимодействия : водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса.

Связи эти слабые, поэтому молекулярная решетка – самая непрочная , температура плавления таких веществ низкая.

Хороший диагностический признак: если вещество имеет при нормальных условиях жидкое или газообразное состояние и/или имеет запах – то скорее всего у этого вещества молекулярная кристаллическая решетка. Ведь жидкое и газообразное состояния – это следствие того, что молекулы на поверхности кристалла плохо держатся (связи то слабые). И их «сдувает». Это свойство называется летучестью. А сдутые молекулы, диффундируя в воздухе доходят до наших органов обоняния, что субъективно ощущается как запах.

Молекулярную кристаллическую решетку имеют:

  1. Некоторые простые вещества неметаллов: I 2 , P, S (то есть все неметаллы, у которых не атомная решетка).
  2. Почти все органические вещества (кроме солей ).
  3. И как уже говорилось ранее, вещества при нормальных условиях жидкие, либо газообразные (будучи замороженными) и/или имеющие запах (NH 3 , O 2 , H 2 O, кислоты, CO 2).

Атомная кристаллическая решетка.

В узлах атомной кристаллической решетки, в отличие от молекулярной, располагаются отдельные атомы . Получается, что удерживают решетку ковалентные связи (ведь именно они связывают нейтральные атомы).

Классический пример – эталон прочности твердости – алмаз (по химической природе – это простое вещество углерод). Связи: ковалентные неполярные , так как решетку образуют только атомы углерода.

А вот, например, в кристалле кварца (химическая формула которого SiO 2) есть атомы Si и O. Поэтому связи ковалентные полярные .

Физические свойства веществ с атомной кристаллической решеткой:

  1. прочность, твердость
  2. высокие температуры плавления (тугоплавкость)
  3. нелетучие вещества
  4. нерастворимы (ни в воде, ни в других растворителях)

Все эти свойства обусловлены прочностью ковалентных связей.

Веществ в атомной кристаллической решеткой немного. Особой закономерности нет, поэтому их нужно просто запомнить:

  1. Аллотропные модификации углерода (C): алмаз, графит.
  2. Бор (B), кремний (Si), германий (Ge).
  3. Только две аллотропные модификации фосфора имеют атомную кристаллическую решетку: красный фосфор и черный фосфор. (у белого фосфора – молекулярная кристаллическая решетка).
  4. SiC – карборунд (карбид кремния).
  5. BN – нитрид бора.
  6. Кремнезем, горный хрусталь, кварц, речной песок – все эти вещества имеют состав SiO 2 .
  7. Корунд, рубин, сапфир – у этих веществ состав Al 2 O 3 .

Наверняка возникает вопрос: С – это и алмаз, и графит. Но они же совершенно разные: графит непрозрачный, пачкает, проводит электрический ток, а алмаз прозрачный, не пачкает и ток не проводит. Отличаются они структурой.

И то, и то – атомная решетка, но разная. Поэтому и свойства разные.

Ионная кристаллическая решетка.

Классический пример: поваренная соль: NaCl. В узлах решетки располагаются отдельные ионы : Na + и Cl – . Удерживает решетку электростатические силы притяжения между ионами («плюс» притягивается к «минусу»), то есть ионная связь .

Ионные кристаллические решетки довольно прочные, но хрупкие, температуры плавления таких веществ довольно высокие (выше, чем у представителей металлической, но ниже чем у веществ с атомной решеткой). Многие растворимы в воде.

С определением ионной кристаллической решетки, как правило, проблем не возникает: там, где ионная связь – там ионная кристаллическая решетка. Это: все соли , оксиды металлов , щелочи (и другие основные гидроксиды).

Металлическая кристаллическая решетка.

Металлическая решетка реализуется в простых веществах металлах . Ранее мы говорили, что все великолепие металлической связи можно понять лишь вместе с металлической кристаллической решеткой. Час настал.

Главное свойство металлов: электроны на внешнем энергетическом уровне плохо удерживаются, поэтому легко отдаются. Потеряв электрон металл превращается в положительно заряженный ион – катион:

Na 0 – 1e → Na +

В металлической кристаллической решетке постоянно протекают процессы отдачи, и присоединения электронов: от атома металла в одном узле решетки отрывается электрон. Образуется катион. Оторвавшийся электрон притягивается другим катионом (или этим же): вновь образуется нейтральный атом.

В узлах металлической кристаллической решетки находятся как нейтральные атомы, так и катионы металла. А между узлами путешествуют свободные электроны:

Эти свободные электроны называются электронным газом. Именно они обусловливают физические свойства простых веществ металлов:

  1. тепло- и электропроводность
  2. металлический блеск
  3. ковкость, пластичность

Это и есть металлическая связь: катионы металлов притягиваются к нейтральным атомам и все это «склеивают» склеивают свободные электроны.

Как определить тип кристаллической решетки.

P. S. Есть кое-что в школьной программе и программе ЕГЭ по этой теме то, с чем мы не совсем согласны. А именно: обобщение, о том, что любая связь металл-неметалл – это ионная связь. Это допущение, намеренно сделано, видимо, для упрощения программы. Но это ведет к искажению. Граница между ионной и ковалентной связью условная. У каждой связи есть свой процент «ионности» и «ковалентности». Связь с малоактивным металлом имеет малый процент «ионности», она больше похожа на ковалентную. Но по программе ЕГЭ, она «округляется» в сторону ионной. Это порождает, порой абсурдные вещи. Например, Al 2 O 3 – вещество с атомной кристаллической решеткой. О какой ионности здесь может идти речь. Только ковалентная связь может удерживать таким образом атомы. Но по стандарту «металл-неметалл» мы квалифицируем эту связь как ионную. И получается противоречие: решетка атомная, а связь ионная. Вот к чему приводит, излишнее упрощение.

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.

Типы кристаллических решеток и свойства веществ

Разделы: Химия

Ключевые слова: химия, ЕГЭ

По характеру структуры кристаллические решетки всех веществ относят к одному из четырех основных типов:

а) молекулярная решетка,

б) атомная,

в) ионная,

г) металлическая.

В основу этой классификации положен род структурных частиц (молекулы-атомы-ионы), находящихся в узлах кристаллической решетки.

Молекулярная решетка

В узлах молекулярной решетки находятся полярные или неполярные молекулы, связанные между собой слабыми силами межмолекулярного взаимодействия (силами Ван-дер-Ваальса). Молекулы в кристалле способны совершать незначительные колебания различного характера. Вещества с молекулярным типом решетки, например, органические вещества, кристаллы инертных газов и большинства неметаллов, сухой лед (СО2 тверд.) обладают малой твердостью, низкими температурами плавления и кипения. Эти характеристики объясняются тем, что при приложении незначительной  энергии межмолекулярные связи разрываются и кристалл разрушается с образованием отдельных молекул, что и наблюдается  при плавлении и при испарении кристаллов. Внутри отдельных молекул атомы связаны значительно более прочными связями (ковалентными полярными или неполярными). Эти связи разрушаются при более высокой температуре, и молекулы распадаются на составляющие их атомы (происходит термическая диссоциация).

Атомная решетка

В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы. Роль сил межмолекулярного взаимодействия здесь играют достаточно прочные ковалентные связи. Выделить из общей массы атомов один невозможно. Вещества с атомным типом кристаллической решетки (алмаз, бор, кремний, карборунд SiC, нитрид алюминия и другие) характеризуются очень большой твердостью, иногда сочетающейся с хрупкостью, нерастворимостью в обычных растворителях, очень высокими температурами плавления и кипения. Все связи в кристалле равноценны. При разрыве этих связей, достигаемом лишь при высокой температуре, кристалл диссоциирует на отдельные атомы: плавление, кипение и термическая диссоциация практически совпадают.

Ионная (координационная) решетка

В узлах ионной кристаллической решетки находятся чередующиеся положительные и отрицательные ионы, связанные между собой силами кулоновского взаимодействия. Особенностью этих сил является их ненасыщаемость. Это приводит к тому, что отдельный ион координирует вокруг себя несколько ионов противоположного заряда. Ионы в кристаллах совершают упорядоченные колебания. Энергия связей между противоположно заряженными ионами очень велика, и такие кристаллы, казалось бы, должны обладать наиболее высокой твердостью и высокими температурами плавления и кипения. На самом деле эти свойства у них ниже, чем у кристаллов с атомной структурой. Причина заключается в том, что наряду с силами притяжения в кристалле действуют силы отталкивания между одноименно заряженными ионами, причем соотношение этих сил приводит к определенному равновесному состоянию. Вещества с ионной решеткой растворимы в той или иной степени в полярных растворителях.

Металлическая решетка

В узлах металлической решетки находятся положительно заряженные ионы металлов, окруженные электронами. Эти электроны, связанные отчасти с ионами силами электростатического взаимодействия, являются «полусвободными», иначе говоря «не прикреплены» к отдельным ионам, а более или менее свободно перемещаются между ними. Этот «электронный газ» обусловливает типичные для металлов свойства: тепло- и электропроводность, серовато-серебристый (у большинства металлов) цвет, металлический блеск (отражательную способность), способность отражать радиоволны, пластичность, ковкость и в то же время достаточную прочность (результат обволакивания ионов «электронным газом»). Подходя к катиону металла, электроны образуют с ним на мгновение электронейтральную частицу, которая быстро разрушается и через мгновение такой же непрочный «атом» образуется с этим или другим электроном и другим ионом металла. Между «атомами» возникают мгновенные ковалентные связи. Это и приводит к возникновению особой металлической связи, промежуточной по характеру между ионной и ковалентной, качественно отличающейся от той и другой и наблюдаемой лишь в куске металла. Энергия электронов в металле недостаточна, чтобы они могли «оторваться» от катионов металла и самопроизвольно покинуть металлическую решетку. Но при подведении энергии извне выход электронов наблюдается: фотоэлектрический эффект, термоэлектронная эмиссия. Прочность и температуры плавления и кипения у металлов не всегда имеют промежуточные значения между этими же свойствами у веществ с атомными и ионными решетками. Это зависит от природы металла. Интересно, что заряд ионов в металлах не всегда отвечает номеру группы периодической системы, в которой металл находится. Например, в кристаллической решетке алюминия ионы имеют средний заряд +2. Это можно объяснить двумя способами:

а) все атомы алюминия отдали по два электрона в «электронный газ»;

б) все атомы отдали по три электрона, но в среднем одна треть образовавшихся ионов Al+3 снова образует «атомы», поэтому средний заряд всех структурных частиц +2.

Таким образом, металлическое состояние в упрощенном представлении подобно атомарному ввиду его суммарной электронейтральности; это сосуществование и взаимосвязь «атомов»-ионов-электронов.

Типы кристаллических решеток и свойства веществ

№

Тип кристаллической решетки

Структурные частицы кристалла

Характер связи между структурными частицами кристалла

Характер связи в молекулах

Примеры кристаллических веществ

Характерные свойства

1.

Молекулярная

Полярные молекулы – диполи

1. Электростатическое взаимодействие диполей.
2. Силы Ван-дер-Ваальса (средние)

Ковалентные полярные

HF, H2O, HCl, H2S, PCl3, NH3 (твердые)

Межмолекулярное взаимодействие средней силы.
Растворимы в полярных растворителях, малая термическая устойчивость, слабая электропроводность, летучесть средняя, слабые механические свойства.

Неполярные молекулыСилы Ван-дер-Ваальса (слабые)Ковалентные неполярные и ковалентные полярныеH2, Cl2, O2, N2, F2, СО2, SO3 (образованы молекулами симметричного строения)Межмолекулярное взаимодействие слабое.
Растворимы в неполярных растворителях, очень малая термическая устойчивость, очень слабая электропроводность, легкая летучесть (очень низкие температуры плавления и кипения), очень слабые механические свойства.

2.

Атомная

Атомы

Ковалентные связи

—

C, Si, SiC, AlN, ВеО (образованы элементами, среднее арифметическое номеров групп которых равно 4)

Нерастворимы в обычных растворителях, термически устойчивы, неэлектропроводны, температуры плавления и кипения очень высокие; твердые, но хрупкие, прочность связей между частицами очень высокая.

3.

Ионная

Ионы: катионы, анионы

1. Электростатическое взаимодействие.
2. Значительные силы Ван-дер-Ваальса.

—

CsF, KCl, CaF2, CsH, NaF,  ВаCl2

Растворимы в полярных растворителях, термическая устойчивость высокая, большая электропроводность в растворах и расплавах, высокие температуры плавления; вещества твердые, но хрупкие, прочность связей между частицами высокая.

4.

Металлическая

Катионы, «атомы», электроны

1. Электростатическое притяжение ионов и электронов.
2. Мгновенные ковалентные связи между «атомами».

—

Na, K, Cu, Zn, Fe, Pt, Pb

Растворимы в расплавленных металлах, термическая устойчивость различная, электропроводность высокая, температуры плавления и кипения лежат в широких пределах; вещества пластичные, твердость, как и прочность связей между частицами, различная.

кристалл_структура

В минералогии и кристаллографии кристаллическая структура представляет собой уникальное расположение атомов в кристалле. Кристаллическая структура состоит из мотива, набора атомов, расположенных определенным образом, и решетки. Мотивы расположены в точках решетки, которая представляет собой массив точек, периодически повторяющихся в трех измерениях. Точки можно представить себе как образующие одинаковые крошечные коробки, называемые элементарными ячейками, которые заполняют пространство решетки. Длины ребер элементарной ячейки и углы между ними называются параметры решетки. Свойства симметрии кристалла воплощены в его пространственной группе. Структура и симметрия кристалла играют роль в определении многих его свойств, таких как спайность, структура электронной зоны и оптические свойства.

Дополнительные рекомендуемые знания

Содержимое

  • 1 Элементарная ячейка
  • 2 Классификация кристаллов по симметрии
    • 2.1 Кристаллическая система
    • 2.2 Решетки Браве
    • 2.3 Группы точек и пробелов
  • 3 Физические свойства
    • 3.1 Дефекты кристаллов
    • 3.2 Кристаллическая симметрия и физические свойства
  • 4 См. также

Элементарная ячейка

Кристаллическую структуру материала или расположение атомов в кристалле можно описать с точки зрения его элементарной ячейки. Элементарная ячейка представляет собой крошечную коробку, содержащую один или несколько мотивов, пространственное расположение атомов. Элементарные ячейки, уложенные друг на друга в трехмерном пространстве, описывают объемное расположение атомов кристалла. Элементарная ячейка задается параметрами ее решетки, длиной ребер ячейки и углами между ними, а положения атомов внутри элементарной ячейки описываются набором атомных позиций ( x i , y i , z i ) измеряется от точки решетки.

Хотя существует бесконечное количество способов задания элементарной ячейки, для каждой кристаллической структуры существует условная элементарная ячейка, которая выбирается для отображения полной симметрии кристалла (см. ниже). Однако обычная элементарная ячейка не всегда является наименьшим возможным выбором. Элементарная элементарная ячейка конкретной кристаллической структуры — это наименьший возможный объем, который можно создать при таком расположении атомов в кристалле, что при сложении они полностью заполняют пространство. Эта примитивная элементарная ячейка не всегда отображает все симметрии, присущие кристаллу. Ячейка Вигнера-Зейтца — это особый тип примитивной ячейки, которая имеет ту же симметрию, что и решетка. В элементарной ячейке каждый атом имеет идентичное окружение при размещении в трехмерном пространстве. В примитивной клетке каждый атом может иметь разное окружение.

Существует только семь возможных кристаллических систем, в которых атомы могут собираться вместе, чтобы создать бесконечную трехмерную пространственную решетку таким образом, что каждая точка решетки имеет такое же окружение, что и среда вокруг любой другой точки решетки.

Классификация кристаллов по симметрии

Определяющим свойством кристалла является присущая ему симметрия, под которой мы подразумеваем, что при определенных операциях кристалл остается неизменным. Например, поворот кристалла на 180 градусов вокруг определенной оси может привести к конфигурации атомов, идентичной исходной конфигурации. Тогда говорят, что кристалл обладает двойной вращательной симметрией относительно этой оси. Помимо таких вращательных симметрий кристалл может иметь симметрии в виде зеркальных плоскостей и трансляционных симметрий, а также так называемую составные симметрии , которые представляют собой комбинацию трансляционной и вращательной/зеркальной симметрии. Полная классификация кристалла достигается, когда идентифицируются все эти присущие кристаллу симметрии.

Кристаллическая система

Кристаллическая система
(Определение симметрии) 		Решетки:
триклиника
(нет)
моноклинный
(1 диад)		 простой по центру основания
орторомбический
(3 перпендикулярных диада)		 простой по центру основания по центру тела лицевой центр
шестигранник
(1 шестигранник)
ромбоэдрический
(1 триада)
четырехугольный
(1 тетрадный)		 простой по центру тела
куб
(4 триады)		 простой по центру тела лицевой центр

Кристаллические системы представляют собой группу кристаллических структур в соответствии с осевой системой, используемой для описания их решетки. Каждая кристаллическая система состоит из набора трех осей в определенном геометрическом расположении. Существует семь уникальных кристаллических систем. Самая простая и наиболее симметричная, кубическая (или изометрическая) система, имеет симметрию куба, т. е. имеет четыре тройные оси вращения, ориентированные под углом 109°..5 градусов (четырехгранный угол) по отношению друг к другу. Эти тройные оси проходят по диагоналям тела куба. Это определение куба правильное, хотя во многих учебниках неверно утверждается, что куб определяется тремя взаимно перпендикулярными осями одинаковой длины — если бы это было правдой, решеток Браве было бы гораздо больше, чем 14. Остальные шесть систем в порядке убывания симметрии: гексагональная, тетрагональная, ромбоэдрическая (также известная как тригональная), орторомбическая, моноклинная и триклинная. Некоторые кристаллографы считают гексагональную кристаллическую систему не отдельной кристаллической системой, а частью тригональной кристаллической системы. Кристаллическая система и решетка Браве кристалла описывают (чисто) трансляционную симметрию кристалла.

Решетки Браве

Когда кристаллические системы комбинируются с различными возможными центрами решетки, мы приходим к решеткам Браве. Они описывают геометрическое расположение узлов решетки и тем самым трансляционную симметрию кристалла. В трех измерениях существует 14 уникальных решеток Браве, которые отличаются друг от друга содержащейся в них трансляционной симметрией. Все известные до сих пор кристаллические материалы (не включая квазикристаллы) подходят под одну из этих компоновок. Справа показаны четырнадцать трехмерных решеток, классифицированных по кристаллической системе. Решетки Браве иногда называют космические решетки .

Кристаллическая структура состоит из одной и той же группы атомов, основы , расположенных вокруг каждой точки решетки. Таким образом, эта группа атомов бесконечно повторяется в трех измерениях в соответствии с расположением одной из 14 решеток Браве. Характерное вращение и зеркальная симметрия группы атомов или элементарной ячейки описываются ее кристаллографической точечной группой.

Группы точек и пробелов

Кристаллографическая точечная группа или класс кристаллов — это математическая группа, включающая операции симметрии, которые оставляют по крайней мере одну точку неподвижной и оставляют неизменным внешний вид кристаллической структуры. Эти операции симметрии могут включать в себя отражение , которое отражает структуру через плоскость отражения , вращение , которое поворачивает структуру на заданную часть круга вокруг оси вращения , инверсию , которая меняет знак координата каждой точки относительно центр симметрии или точка инверсии и неправильное вращение , которое состоит из вращения вокруг оси с последующей инверсией. Оси вращения (собственные и неправильные), плоскости отражения и центры симметрии вместе называются элементами симметрии . Существует 32 возможных класса кристаллов. Каждый из них может быть отнесен к одной из семи кристаллических систем.

Пространственная группа кристаллической структуры состоит из операций трансляционной симметрии в дополнение к операциям точечной группы. К ним относятся чистые перемещения , которые перемещают точку вдоль вектора, винтовая ось , которые вращают точку вокруг оси при перемещении параллельно оси, и плоскости скольжения , которые отражают точку через плоскость при перемещении ее параллельно плоскости . Существует 230 различных пространственных групп.

Физические свойства

Дефекты кристаллов

Реальные кристаллы имеют дефекты или неровности в идеальном расположении, описанном выше, и именно эти дефекты в решающей степени определяют многие электрические и механические свойства реальных материалов. В частности, дислокации в кристаллической решетке допускают сдвиг при гораздо меньших напряжениях, чем это необходимо для совершенной кристаллической структуры. [ ссылка необходима ]

Кристаллическая симметрия и физические свойства

Двадцать из 32 классов кристаллов являются так называемыми пьезоэлектрическими, и кристаллы, принадлежащие к одному из этих классов (точечных групп), проявляют пьезоэлектричество. Отсутствуют все 20 пьезоэлектрических классов центр симметрии. Любой материал развивает диэлектрическую поляризацию при приложении электрического поля, а вещество, обладающее такой естественное разделение зарядов даже в отсутствие поля называется полярный материал. Полярность материала определяется исключительно своей кристаллической структурой. Только 10 из 32 групп точек являются полярными. Все полярные кристаллы являются пироэлектрическими, поэтому существует 10 классов полярных кристаллов. иногда называют пироэлектрическими классами.

Существует несколько кристаллических структур, особенно структура перовскита, которые проявляют сегнетоэлектрические свойства. Это аналогично ферромагнетизму в том смысле, что в отсутствие электрического поля во время производства сегнетоэлектрический кристалл не проявляет поляризации. При приложении электрического поля достаточной величины кристалл становится постоянно поляризованным. Эту поляризацию можно обратить достаточно большим встречным зарядом, точно так же, как можно обратить ферромагнетик. Однако важно отметить, что, хотя они и называются сегнетоэлектриками, эффект обусловлен кристаллической структурой, а не наличием черного металла.

Несоизмеримые кристаллы имеют трансляционную симметрию с переменным периодом. Период между узлами симметрии в большинстве кристаллов постоянен. Расстояние между узлами в несоизмеримом кристалле зависит от числа узлов между ним и базовым узлом.

См. также

Более подробную информацию о конкретных технологических применениях см. в материаловедении, керамике или металлургии.

Кристаллическая решетка — Выращивание кристаллов

Из выращивания кристаллов

Другие языки

Больше действий

Основная статья: Кристаллическая решетка .

Кристаллическая структура — бесконечная трехмерная периодическая решетка, состоящая из частиц вещества (таких как молекулы, атомы и т.п.)
Кристаллическая решетка — элементарная трехмерная ячейка кристаллической структуры, полностью определяющая его свойства. В общем случае это наклонный параллелепипед (иногда более одного) из частиц, находящихся в его узлах, ребрах и т. д.

Содержание

  • 1 Классификация решеток
    • 1.1 Химическая промышленность
    • 1.2 Кристаллическая система, сингония, система решетки
    • 1.3 Форма кристалла
  • 2 Рекомендуем к просмотру
  • 3 Навигация

Классификация решеток

Существует множество классификаций кристаллических решеток — по типу частиц (химические), по общей форме решетки (сингонии), по типу симметрии решетки (кристаллическая система), по типу пространственных трансляций (решетка Браве), и т. д.
Там вы можете найти только основные классификации.

Химическая

В химической классификации решетки объединены в четыре вида по типу составляющих их частиц.

Тип решетки Узлы решетки Примеры Модель
Атомный Атомы неметаллических элементов Алмаз, графит, селен
Молекулярный Молекулы неионогенных соединений Вода, углекислый газ, сахароза
Ионная Катионы и анионы солей, кислот, щелочей Соль поваренная, кислота лимонная, сульфат меди(II)
Металлик Атом-ионы металлических элементов и их общие электроны Железо, медь, свинец, никель

Кристаллическая система, сингония, система решетки

Основная статья: Кристаллическая система (википедия) .
Основная статья: Кристаллическая система .

Классификация кристаллической системы фокусируется на наборах осей, вокруг которых решетка может вращаться менее чем на 360° и сочетаться с невращающейся.
Классификация syngony фокусируется на решетках с одинаковыми углами и определенными расстояниями между узлами.
Система классификации решеток фокусируется на типах симметрии решеток.

Несмотря на то, что определяемые параметры всех трех классификационных систем совершенно различны, геометрические свойства форм кристаллов позволяют почти четко установить соответствие между ними. Их часто используют как синонимы друг для друга, поскольку они примерно одинаково описывают конечные решетки.

Обратите внимание, что в Выращивание кристаллов страницы проекта все эти термины означают система кристаллов .

Категория симметрии Сингони Кристаллическая система Система решетки Подсчет спичек при вращении вокруг оси симметрии Количество осей симметрии Модель
Низкий симметричный Триклиника Нет Нет
Моноклиника Два Один
Ромбическая Два Три
Средний симметричный Тетрагональный Четыре Один
Шестигранник Треугольный Ромбоэдрический Три Один
Шестигранник Шесть Один
Шестигранник
Высокий симметричный Кубический Четыре Три

Форма кристалла

Основная статья: Форма .