В узлах кристаллической решетки алмаза находятся: Типы кристаллических решёток — урок. Химия, 8 класс.

Химия — 8

расположены в узлах кристаллической решетки, различают 4 типа кристаллической решетки — ионная, атомная, молекулярная и металлическая.

В отличие от кристаллических веществ, в аморфных веществах частицы расположены неупорядоченно.

Ионные кристаллические решетки. Кристаллические решетки, в узлах которых содержатся соединенные ионными связями положительно и отрицательно заряженные ионы, называются кристаллическими решетками. Типичными представителями соединений в виде ионных кристаллических решеток являются главным образом соли. Например, NaCl, KCl, NaBr, KBr, Na₂CO₃, Na₂SO₄ и др.

Соли состоят не из молекул, а из отдельных ионов. Химическая формула солей выражает их условную молекулярную формулу.

Из-за сильного притяжения между ионами в ионных соединениях эти вещества отличаются относительной тугоплавкостью, малой летучестью и определенной твердостью.

Атомные кристаллические решетки. Кристаллические решетки, в узлах которых содержатся отдельные атомы, связанные друг с другом ковалентной связью, называются атомными кристаллическими решетками.

В атомных кристаллических решетках атомы, как и ионы, располагаются в пространстве в различных положениях, образуя в результате различной формы кристаллы. Например, в узлах кристаллической решетки как алмаза, так и графита содержатся атомы углерода. Однако вследствие их различного расположения кристаллы алмаза обладают формой октаэдра, а кристаллы графита-призмы (таблица 14).

Таблица 14

Аллотропические видоизменения углерода	Состояния гибридизации углерода	Химический состав	Тип кристаллической решетки	Строение кристаллической решетки
Алмаз	sp3	Одинаковый (C)	Атомарный	тетраэдрическое
Графит	sp2			слоистое
Фюллерен	sp2			сетчатое
Карбин	sp			линейное

Примерами веществ, образующих кристаллические решетки атомного типа, являются B, C, Si, SiC, SiO₂ , красный и черный фосфор. Хотя SiC и SiO₂ обладают атомной кристаллической решеткой, связь между их атомами образована посредством полярной ковалентной связи.

Так как в атомных кристаллических решетках этих веществ ковалентные связи между атомами обладают прочностью, для них характерны большая твердость и высокая температура плавления.

Молекулярные кристаллические решетки.

Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные молекулы, называют молекулярными кристаллическими решетками. Кристаллические решетки молекулярного типа образуются молекулярными веществами.

Кристаллическая решетка — что это? Типы и свойства

Что такое кристаллическая решетка

Как известно, все вещества состоят из частиц — атомов, которые могут располагаться хаотично или в определенном порядке. У аморфных веществ частицы расположены беспорядочно, а у кристаллических они образуют определенную структуру. Эта структура называется кристаллической решеткой. Она определяет такие характеристики вещества, как твердость, хрупкость, температура кипения и/или плавления, пластичность, растворимость, электропроводность и т. д.

Кристаллическая решетка — это внутренняя структура кристалла, порядок взаимного расположения атомов, ионов или молекул. Точки, в которых находятся эти частицы, называются узлами решетки.

Частицы удерживаются на своих местах благодаря химическим связям между ними. В зависимости от того, какой вид связи удерживает атомы или ионы данного вещества, в химии выделяют основные типы кристаллических решеток:

• атомная (ковалентные связи),

• молекулярная (ковалентные связи и притяжение между молекулами),

• металлическая (металлические связи),

• ионная (ионные связи).

Важно!

Не путайте эти два понятия — кристаллическая решетка и химическая связь. Тип решетки говорит о том, как расположены атомы/ионы в молекуле вещества, а тип связи — по какому принципу они между собой взаимодействуют.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Атомная кристаллическая решетка

Согласно своему названию, атомная кристаллическая решетка — это структура, в узлах которой расположены атомы. Они взаимодействуют с помощью ковалентных связей, то есть один атом отдает другому свободный электрон или же электроны из разных атомов образуют общую пару. В кристаллах с атомной решеткой частицы прочно связаны, что обуславливает ряд физических характеристик.

Свойства веществ с атомной решеткой:

К примеру, атомную кристаллическую решетку имеет алмаз — самый твердый минерал в мире.

Другие примеры: германий Ge, кремний Si, нитрид бора BN, карборунд SiC.

Лайфхак

Если нужно рассказать о свойствах веществ с атомной кристаллической решеткой, достаточно вспомнить песок и перечислить его характеристики.

Молекулярная кристаллическая решетка

Как и в предыдущей группе, в этой находятся вещества с ковалентными связями между атомами. Но физические характеристики этих веществ совершенно иные — они легко плавятся, превращаются в жидкость, растворяются в воде. Почему так происходит? Все дело в том, что здесь кристаллы строятся не из атомов, а из молекул.

Молекулярная кристаллическая решетка — это структура, в узлах которой находятся не атомы, а молекулы.

Внутри молекул атомы имеют прочные ковалентные связи, но сами молекулы связаны между собой слабо. Поэтому кристаллы таких веществ непрочные и легко распадаются.

Молекулярная кристаллическая решетка характерна для воды. При комнатной температуре это жидкость, но стоит нагреть ее до температуры кипения (которая сравнительно низка), как она тут же начинает превращаться в пар, т. е. переходит в газообразное состояние.

Некоторые молекулярные вещества — например, сухой лед CO₂, способны преобразоваться в газ сразу из твердого состояния, минуя жидкое (данный процесс называется возгонкой).

Свойства молекулярных веществ:

Помимо воды к веществам с молекулярной кристаллической решеткой относятся аммиак NH₃, гелий He, радон Rn, йод I, азот N₂ и другие. Все благородные газы — молекулярные вещества. Также к этой группе принадлежит и большинство органических соединений (например, сахар).

Ионная кристаллическая решетка

Как известно, при ионной химической связи один атом отдает другому ионы и приобретает положительный заряд, в то время как принимающий атом заряжается отрицательно.

В итоге появляются разноименно заряженные ионы, из которых и состоит структура кристалла.

Ионная решетка — это кристаллическая структура, в узловых точках которой находятся ионы, связанные взаимным притяжением.

Ионную кристаллическую решетку имеют практически все соли, типичным представителем можно считать поваренную соль NaCl. О ней стоит вспомнить, если нужно перечислить физические характеристики этой группы. Также ионную решетку имеют щелочи и оксиды активных металлов.

Свойства веществ с ионной структурой:

Примеры веществ с ионной кристаллической решеткой: оксид кальция CaO, оксид магния MgO, хлорид аммония NH₄Cl, хлорид магния MgCl₂, оксид лития Li₂O и другие.

Металлическая кристаллическая решетка

Для начала вспомним, как проходит металлическая химическая связь. В молекуле металла свободные отрицательно заряженные электроны перемещаются от одного иона к другому и соединяются с некоторыми из них, а после отрываются и мигрируют дальше. В результате получается кристалл, в котором ионы превращаются в атомы и наоборот.

Металлическая кристаллическая решетка — это структура, которая состоит из ионов и атомов металла, а между ними свободно передвигаются электроны. Как несложно догадаться, она характерна лишь для металлов и сплавов.

Свободные электроны, мигрирующие между узлами решетки, образуют электронное облако, которое под воздействием электротока приходит в направленное движение. Это объясняет такое свойство металлов, как электрическая проводимость.

В химии типичным примером вещества, которое имеет металлическую кристаллическую решетку, считается медь. Она очень ковкая, пластичная, имеет высокую тепло- и электропроводность. Впрочем, все металлы ярко демонстрируют эти характеристики, поэтому назвать физические свойства данной группы несложно.

Свойства веществ с металлической кристаллической решеткой:

При этом температура плавления веществ может существенно различаться. Например, у ртути это −38,9°С, а у бериллия целых +1287°С.

Подведем итог: о характеристиках разных типов кристаллических решеток расскажет таблица.

Алмазная кубическая элементарная ячейка — Материаловедение и инженерия

Алмазная кубическая (сокращенно DC в этой статье) — одна из передовых кристаллических структур (поскольку она не коррелирует 1-1 с решеткой Браве), поэтому, если вы ищете для получения информации об этом, я предполагаю, что вы несколько продвинутый студент в области материаловедения. Я дам вам факты быстро и с небольшими пояснениями. Если вы новичок в материаловедении и не знаете, что что-то означает, вы можете ознакомиться с моими статьями о кристаллах FCC, BCC или HCP, в которых терминология объясняется более медленно.

Кубическая кристаллическая структура алмаза основана на гранецентрированной кубической решетке Браве (ее можно представить в виде двух элементарных ячеек ГЦК, смещенных на ¼). На элементарную ячейку приходится 8 атомов, и каждый атом имеет тетраэдрическую координацию, так что у него есть 4 ближайших соседа. DC — это известная прочная кристаллическая структура, структура алмаза. Алмазная кубическая ячейка принадлежит к пространственной группе 227 или , Strukturbericht A4 и символу Пирсона cF8. C (алмаз) является прототипом DC.

Элементарную ячейку Diamond Cubic (DC) можно представить как куб с атомом на каждом углу, каждой грани и (¼, ¼, ¼), (¾, ¾, ¼), (¼, ¼, ¾) и (¼, ¾, ¾) позиции. DC имеет 8 атомов на элементарную ячейку, постоянная решетки a = 8R/ √ 3, координационное число CN = 4 и коэффициент атомной упаковки APF = 34%.

Контур

• Общие примеры алмазных кубических материалов
• Алмазный кубический координационный номер
• Алмазные константы кубической решетки
• Алмазный кубический атомный коэффициент упаковки
• Примитивная алмазная кубическая ячейка
• Заключительные мысли
• Ссылки и дополнительная литература

Общие примеры алмазных кубических материалов

Наиболее заметным материалом с кубической структурой алмаза является, конечно же, углерод (в алмазах).

Кубическая структура алмаза имеет тетраэдрическую координацию, что означает, что каждый атом имеет 4 связи. Вот почему другие элементы, образующие кубические кристаллы алмаза, также входят в группу 14.

Кремний, германий и α-олово могут образовывать кубическую структуру алмаза.

Когда в этой структуре два элемента, кристалл называется «цинковой обманкой». Карбид кремния, арсенид германия и другие соединения могут образовывать структуру цинковой обманки.

Кубический координационный номер алмаза

Каждый атом в кубическом кристалле алмаза тетраэдрически связан с 4 другими атомами, поэтому имеется 4 ближайших соседа (NN).

Другими словами, координационное число (КЧ) равно 4. Расстояние NN равно , а расстояние до следующего ближайшего соседа (NNN) равно , где a — постоянная решетки (я докажу это ниже).

Постоянные алмазной кубической решетки

Используя стандартную модель твердых сфер, ближайшие атомы соприкасаются — это означает, что они находятся на расстоянии , где — радиус атомов.

Мы знаем, что два ближайших атома смещаются на ¼ параметра решетки. Если один атом находится в (0,0,0), то ближайший атом находится в (¼, ¼, ¼) раза больше параметра решетки.

Мы могли бы решить это с помощью ряда теорем Пифагора с разных точек зрения, как я сделал при расчете параметра решетки для элементарной ячейки BCC, но это сложная тема.

Давайте просто воспользуемся формулой расстояния в 3D. Начиная с атома в (0,0,0), ближайший атом находится в направлении x, в направлении y и в направлении z.

Другими словами

Решение дает .

Если вы хотите описать кубический кристалл алмаза с помощью математики, вы должны описать ячейку с помощью векторов :

И базиса

APF) — это объем, занимаемый атомами, деленный на объем, занимаемый всей элементарной ячейкой. Поскольку кубический кристалл алмаза имеет кубический объем, напрямую связанный с атомным радиусом, все кубические кристаллы алмаза будут иметь одинаковую АПФ.

Если вы подсчитаете части атомов внутри элементарной ячейки, на каждом углу будет 8 атомов, которые вносят вклад в ⅛ их объема, 6 атомов на каждой грани, которые вносят вклад в ½ их объема, и 4 атома внутри, которые вносят свой полный объем . Таким образом, на элементарную ячейку приходится 8 атомов.

Объем сферы . Ранее мы установили, что площадь всего куба равна , а так как объем куба равен .

   

Как видите, кубические кристаллы алмаза имеют упаковку 34%. Это бездонный , и даже ниже, чем простая кубическая, которая настолько нестабильна, что существует только в одном элементе при комнатной температуре и давлении.

Почему вообще возникает алмазная кубическая форма, если его коэффициент упаковки такой низкий, и почему самое прочное природное вещество, алмаз, имеет такую ​​кристаллическую структуру?

В случае с алмазом я бы сказал, что он обладает прочностью , несмотря на его кристаллическую структуру. У углерода 4 ковалентные связи, что в основном приводит к тетрагональному расположению. Эти ковалентные связи очень прочны, поэтому алмаз крепок. Если бы вы могли каким-то образом получить те же самые ковалентные связи, но в более плотно упакованной кристаллической структуре, такой как FCC, этот углерод FCC должен быть намного прочнее алмаза.

Кремний, германий и альфа-олово также имеют кубическую структуру алмаза и не проявляют особой прочности. На самом деле, когда олово превращается из бета-олова (комнатная температура) в альфа-олово (холодное), алмазное кубическое олово по существу распадается в порошок (якобы этому фазовому превращению и тому факту, что войска Наполеона носили куртки с оловянными пуговицами, способствовало его неудавшееся вторжение в Россию).

Примитивная алмазная кубическая ячейка

Расширенная тема, нажмите, чтобы развернуть!

Алмазная кубическая ячейка, которую я вам показал, представляет собой обычную элементарную ячейку, а не примитивную элементарную ячейку. Эта обычная ячейка имеет преимущества, поскольку она очень симметрична и проста для понимания человеком.

Однако, имея дело с математическим описанием кристаллов, может быть проще описать элементарную ячейку в наименьшей возможной форме. Наименьшая возможная элементарная ячейка называется примитивной ячейкой . Если вас интересуют примитивные клетки, вы можете прочитать о них все в этой статье.

Примитивная ячейка DC выглядит так:

Вот примитивные векторы для элементарной ячейки FCC.

А база

Заключительные мысли

Кубическая кристаллическая структура алмаза — невероятно неэффективный способ упаковки атомов, но она формируется в атомах, образующих тетраэдрические (четырехсторонние) связи, как углерод. Хотя каждый атом связан только 4 раза (вместо 12, как в плотноупакованных структурах), каждая из этих связей может быть очень прочной в случае элементов с ковалентной связью, таких как алмазный углерод. С другой стороны, когда металлическое серое олово образует кубическую структуру алмаза, оно становится очень слабым.

Справочные материалы и дополнительная литература

Если вы хотите узнать больше об основах кристаллографии, ознакомьтесь с этой статьей о кристаллах и зернах.

Если вы не уверены в разнице между кристаллической структурой и решеткой Браве, ознакомьтесь с этой статьей.

Ранее в этой статье я также упомянул фактор упаковки атомов (APF). Это важная концепция на вводном уроке материаловедения, поэтому, если вы хотите получить полное объяснение APF, посетите эту страницу.

Если вы заинтересованы в расширенной кристаллографии или базах данных кристаллографии, вы можете проверить кристаллографическую библиотеку AFLOW.

Для получения отличного справочника по всем кристаллическим структурам ознакомьтесь с «Библиотекой кристаллографических прототипов AFLOW».

Одноэлементные кристаллические структуры и 14 решеток Браве

Если вы хотите узнать о конкретных кристаллических структурах, вот список моих статей о решетках Браве и некоторых связанных кристаллических структурах для чистых элементов.

1. Простой куб
2. Гранецентрированный куб
2a. Алмазный куб
3. Объемно-центрированный куб
4. Простой шестиугольник
4a. Шестиугольная, плотно упакованная
4b. Двойной шестигранник с плотной упаковкой (тип La)
5. Ромбоэдрический
5a. Ромбоэдрический Плотноупакованный (Sm-тип)
6. Простой тетрагональный
7. Тетрагональный объемно-центрированный
7a. Алмазный тетрагональный (белое олово)
8. Простой орторомбический
9. Орторомбический с центром в основании
10. Орторомбический с центром в центре грани
11. Орторомбический с центром в теле
12. Простая моноклинная
13. Моноклинная с центром в основании
14. Триклинная

Другие статьи в моем цикле кристаллографии включают:

Введение в решетки Браве
В чем разница между «кристаллической структурой» и «решеткой Браве»
Атомная упаковка Фактор
Как читать индексы Миллера
Как читать гексагональные индексы Миллера-Браве
Плотноупакованные кристаллы и порядок укладки
Промежуточные узлы
Примитивные ячейки
Как читать кристаллографические обозначения
Что такое точечные группы
Список точечных групп
Что такое пространственные группы
Список пространственных групп
7 кристаллических систем

Кристаллическая структура алмаза

Алмаз представляет собой кристаллическую структуру с гранецентрированной кубической решеткой Браве и двумя атомами в основе .