Атомная, молекулярная, ионная и металлическая кристаллическая решётка

В действительности чёткую структуру имеют все вещества, пребывающие в твёрдом состоянии. Атомы и молекулы движутся, но силы притяжения и отталкивания между частицами сбалансированы, поэтому атомы и молекулы располагаются в определённой точке пространства (но продолжают совершать небольшие колебания, зависящие от температуры). Такие структуры называются кристаллическими решётками. Места, в которых находятся сами молекулы, ионы или атомы, называют узлами. А расстояния между узлами получили название – периоды идентичности. В зависимости от положения частиц в пространстве, различают несколько типов:

1. атомная;
2. ионная;
3. молекулярная;
4. металлическая.

В жидком и газообразном состоянии вещества не имеют чёткой решётки, их молекулы движутся хаотично, именно поэтому они не имеют формы. Например, кислород, находясь в газообразном состоянии, представляет собой бесцветный газ без запаха, в жидком (при -194 градусов) – раствор голубоватого цвета. Когда температура опускается до -219 градусов, кислород переходит в твёрдое состояние и приобретает кр. решётку, при этом он превращается в снегообразную массу синего цвета.

Интересно, что у аморфных веществ нет чёткой структуры, поэтому у них и нет строгой температуры плавления и кипения. Смола и пластилин при нагревании постепенно размягчаются и становятся жидкими, у них нет чёткой фазы перехода.

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: I₂, 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 (NH₃, O₂, H₂O, кислоты, CO₂).

1.3.3. Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решётки. Зависимость свойств веществ от их состава и строения.

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

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

Вещества в твердом состоянии различают аморфные и кристаллические.

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

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

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

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

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

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

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

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

В узлах молекулярной кристаллической решетки

находятся молекулы, внутри которых атомы связаны прочными ковалентными связями, однако сами молекулы удерживаются друг возле друга слабыми межмолекулярными силами. Вследствие таких слабых межмолекулярных взаимодействий кристаллы с молекулярной решеткой являются непрочными. Такие вещества от веществ с иными типами строения отличаются существенно более низкими температурами плавления и кипения, не проводят электрический ток, могут как растворяться, так и не растворяться в различных растворителях. Растворы таких соединений могут как проводить, так и не проводить электрический ток в зависимости от класса соединения. К соединениям с молекулярной кристаллической решеткой относятся многие простые вещества — неметаллы (отвержденные H₂, O₂, Cl₂, ромбическая сера S₈, белый фосфор P₄), а также многие сложные вещества – водородные соединения неметаллов, кислоты, оксиды неметаллов, большинство органических веществ. Следует отметить, что, если вещество находится в газообразном или жидком состоянии, говорить о молекулярной кристаллической решетке неуместно: корректнее использовать термин — молекулярный тип строения.

Кристаллическая решетка алмаза как пример атомной решетки

В узлах атомной кристаллической решетки

находятся атомы. При этом все узлы такой кристаллической решетки «сшиты» между собой посредством прочных ковалентных связей в единый кристалл. Фактически, такой кристалл является одной гигантской молекулой. Вследствие особенностей строения все вещества с атомной кристаллической решеткой являются твердыми, обладают высокими температурами плавления, химически мало активны, не растворимы ни в воде, ни в органических растворителях, а их расплавы не проводят электрический ток. Следует запомнить, что к веществам с атомным типом строения из простых веществ относятся бор B, углерод C (алмаз и графит), кремний Si, из сложных веществ — диоксид кремния SiO₂ (кварц), карбид кремния SiC, нитрид бора BN.

У веществ с ионной кристаллической решеткой

в узлах решетки находятся ионы, связанные друг с другом посредством ионных связей.

Поскольку ионные связи достаточно прочны, вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью и тугоплавкостью. Чаще всего они растворимы в воде, а их растворы, как и расплавы проводят электрический ток.

К веществам с ионным типом кристаллической решетки относятся соли металлов и аммония (NH₄ + ), основания, оксиды металлов. Верным признаком ионного строения вещества является наличие в его составе одновременно атомов типичного металла и неметалла.

Кристаллическая решетка хлорида натрия как пример ионной решетки

Однако следует отметить, что в веществах с ионным типом строения нередко можно обнаружить, помимо ионных, также ковалентные полярные связи. Это наблюдается в случае сложных ионов, т.е. состоящих из двух или более химических элементов (SO₄ 2- , NH₄ + , PO₄ 3- и т.д.). Внутри таких сложных ионов атомы связаны друг с другом ковалентными связями.

Металлическая кристаллическая решетка

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

Металлическая кристаллическая решетка

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

Семь типов кристаллических решеток

Есть семь разных кристаллических систем. Они были обнаружены в 1781 году отцом Рене Джаст Хауи. Он случайно заметил, что некоторые камни имеют идеальную форму. После многих лет исследований он разработал свою теорию о структуре кристаллов. В 1848 году Огюст Браве показывает, что может быть только семь типов элементарной кристаллической сетки.

Системы характеризуют различные геометрические формы, которые может иметь кристаллическая сетка.

Каждая из этих систем определяется своими осями: три размерных параметра (длина осей) и три угловых параметра (углы, образованные двумя осями). Условно мы называем abc длинами осей и α β и γ углами, образованными осями. Они размещены в пространстве следующим образом:

Каждая ячейка, представляющая систему, также имеет определенное количество симметрий. Эти симметрии бывают трех типов:

• центральный (отмечен С): точка является центром симметрии сетки;
• плоскости (отмечено P): плоскость является плоскостью симметрии сетки;
• осевой (О): поворот на определенный угол вокруг оси симметрии возвращает сетку в положение, идентичное исходному.

Эти симметрии имеют четыре порядка:

• двоичные ( обозначено L 2 ): вращение на 180 ° (π рад)
• троичное (обозначено L 3 ): вращение на 120 ° (2π/3 рад)
• четвертичное (отмечено L 4 ): Вращение на 90 ° (π/2 рад.)
• гексагональное (отмечено L 6 ): вращение на 60 ° (π/3 рад.)

Кубическая (или изометрическая) решетка

a = b = c: три оси имеют одинаковую длину α = β = γ= 90 °: три угла равны и прямые Симметрии: C, 3 L 4 , 4 L 3, 6L 2, 9 P Базовый элемент — это куб.

Квадратичная (или тетрагональная) решетка

a = b ≠ c: две оси имеют одинаковую длину, а третья ось различается. α = β = γ= 90 °: три угла равны и прямые Симметрии: C, L 4 , 4L2, 5 P Основным элементом является правая призма с квадратным основанием.

Орторомбическая кристаллическая решетка

a ≠ b ≠ c: три оси имеют разную длину α = β = γ= 90 °: три угла равны и прямые Симметрии: C, 3 L 2, 3 P Основной элемент — прямоугольный параллелепипед.

Моноклинная решетка

a≠b≠c : три оси имеют неравную длину. β = γ= 90 °≠α: два угла равны и прямые. Симметрии: C, L 2 , P Основным элементом является наклонная призма, в основании которой ромб.

Триклинная решетка

a≠b≠c: три оси имеют неравную длину. α≠β ≠ γ≠ 90 °: три угла разные. Симметрии: C, L 2 , P Основной элемент — это параллелепипед с основанием ромб.

Ромбоэдрическая решетка

a = b = c: три оси имеют одинаковую длину α = β = γ≠ 90 °: три угла равны и прямые Симметрии: C, L 3 , 3 L 2 , P Основным элементом является параллелепипед все плоскости которого — ромбы.

Гексагональная кристаллическая решетка

a = b ≠ c: две оси имеют одинаковую длину, не равную длине третьей оси α = β = 90° и γ=120 0 : три угла равны и прямые Симметрии: C, L 6 , 6 L 2 , 7 P Базовым элементом является призма с шестиугольным основанием.

Таким образом, мы с вами рассмотрели подробно понятие кристаллическая решетка и то, какими бывают основные кристаллические решетки.

Молекулярная связь кристаллических решеток.

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

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

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

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.

Характерные кристаллические решётки

Большинство металлов образует одну из следующих высокосимметричных решёток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную.

В кубической объемно центрированной решётке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объёма куба. Кубическую объемно центрированную решётку имеют металлы: Pb, K, Na, Li, β-Ti, β-Zr, Ta, W, V, α-Fe, Cr, Nb, Ba и др.

В кубической гранецентрированной решётке (ГЦК) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Решётку такого типа имеют металлы: α-Ca, Ce, α-Sr, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, γ-Fe, Cu, α-Co и др.

В гексагональной решётке атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, α-Ti, Cd, Re, Os, Ru, Zn, β-Co, Be, β-Ca и др.

Гексагональная решетка

Кристаллическое строение металлов, обладающих данным типом решетки, следующее. В основе элементарной ячейки лежит шестигранная призма. В ее узлах располагается 12 атомов, еще два по основаниям и три атома свободно лежат внутри пространства в центре структуры. Всего семнадцать атомов.

Подобную сложную конфигурацию имеют такие металлы, как:

• альфа-титан;
• магний;
• альфа-кобальт;
• цинк.

Основные свойства — высокая степень прочности, сильный серебристый блеск.

Различные вещества

• Алмаз. Минерал обладает высокой ценностью и после огранки используется в ювелирных украшениях. Так в чём же заключается секрет популярности этого камня? Атомы углерода составляют основу всей решётки. Между атомами минерала существует прочная ковалентная связь. Для кристаллической решётки алмаза характерно плотное содержание атомов в виде куба. Другими словами, узлами считаются атомы углерода, а своеобразными гранями куба являются прочные ковалентные связи. Такой минерал считается самым прочным на планете, и неизвестно, сколько таких своеобразных кубов включает в себя цельный алмаз.
• Графит. Углерод также может быть и в другой кристаллической модификации. Атомная решётка данного элемента включает в себя только атомы углерода, ей присуща слоистая структура. В графите каждый атом связан тремя атомами углерода. Из-за этого он обладает металлическим блеском, высокой теплопроводностью.
• Кристаллическая решётка йода имеет молекулярный тип. Атомы молекул соединяются ковалентными связями, но молекулы химического элемента имеют слабые силы притяжения. Это характеризует йод тем, что он имеет малую твёрдость, низкую температуру плавления.
• Натрий. Представитель металлической кристаллической решётки. Между катионами, расположенными в узлах решётки, двигаются электроны. Они, присоединяясь к катионам, нейтрализуют их заряд, в свою очередь, нейтральные атомы отпускают часть электронов, преобразуясь в катионы. Такой тип кристаллической решётки наделяет металл пластичностью, электро- и теплопроводностью.
• Сухой лёд. Или оксид углерода в затвердевшем виде. Имеет молекулярную кристаллическую решётку в форме куба. Молекулы удерживаются между собой слабыми связями. Диффузия читайте в нашей статье.