Кристаллические решетки: типы и физические свойства (просто и понятно об их значении в химии)

Что такое кристаллическая решетка

Как известно, все вещества состоят из частиц, атомов, которые могут располагаться хаотично или в определенном порядке. В аморфных веществах частицы располагаются беспорядочно, а в кристаллических веществах образуют определенную структуру. Эта структура называется кристаллической решеткой. Определяет характеристики вещества, такие как твердость, хрупкость, температура кипения и/или плавления, пластичность, растворимость, электропроводность и т д

Кристаллическая решетка – это внутреннее строение кристалла, порядок взаимного расположения атомов, ионов или молекул. Точки, в которых находятся эти частицы, называются узлами решетки.

Частицы удерживаются на месте за счет химических связей между ними. В зависимости от типа связи, поддерживаемой атомами или ионами данного вещества, в химии различают основные типы кристаллических решеток:

• атомные (ковалентные связи),
• молекулярные (ковалентные связи и притяжение между молекулами),
• металлические (металлические связи),
• ионные (ионные связи).

Важно! Не путайте эти два понятия: кристаллическая решетка и химическая связь. Тип решетки указывает на то, как атомы/ионы расположены в молекуле вещества, а тип связи указывает на то, как они взаимодействуют друг с другом.

Общая характеристика

Существует большое количество кристаллических структур. Их объединяет главное свойство кристаллического состояния вещества — закономерное положение атомов в кристаллической решетке. Одно и то же вещество может кристаллизоваться в разных кристаллических решетках и иметь очень разные свойства (классическим примером графита является алмаз). В случае простых веществ это явление называется аллотропией, в общем случае любого химического соединения — полиморфизмом. В то же время разные вещества могут образовывать сети однотипные или изоморфные, например сети многих металлов: меди, алюминия, серебра, золота. Иногда происходит замещение атомов в кристаллической решетке атомами другого химического элемента с образованием твердого раствора.

В зависимости от пространственной симметрии все кристаллические решетки делятся на семь кристаллических систем. По форме элементарной ячейки их можно разделить на шесть симгоний. Все возможные комбинации поворотных осей симметрии и зеркальных плоскостей симметрии в кристаллической решетке приводят к разделению кристаллов на 32 класса симметрии и, с учетом винтовых осей симметрии и плоскостей скольжения симметрии, на 230 пространственных групп.

Помимо основных трансляций, на которых построена элементарная ячейка, в кристаллической решетке могут присутствовать и другие трансляции, называемые решетками Браве. В трехмерных решетках бывают гранецентрированные (F), объемноцентрированные (I), базисноцентрированные (A, B или C), примитивные (P) и ромбоэдрические (перемещения состоят из множества векторов (a , b, c), все остальные включают один или несколько Следовательно, бодицентрическая система трансляции Браве включает четыре вектора (a, b, c, ½(a+b+c)), а фасецентрированная система включает шесть (a , b, c, ½(a+b), ½(b+c), ½(a+c)).(a+c)), а C равно (a, b, c, ½(a+b)) , центрирующая одну из граней элементарного объема)).

Доблестные жалюзи

F по центру лица

Сосредоточенность на теле I

База по центру C

Примитивный

Виды решеток

В зависимости от частиц кристаллической решетки существует четырнадцать типов, мы приведем вам самые популярные:

• Ионная кристаллическая решетка.
• Атомная кристаллическая решетка.
• Молекулярно-кристаллическая решетка.
• Металлическая кристаллическая решетка.

Далее мы более подробно опишем все типы кристаллических решеток.

Молекулярная кристаллическая решетка

Как и в предыдущей группе, в эту входят вещества с ковалентными связями между атомами. Но физические характеристики этих веществ совершенно разные: они легко плавятся, превращаются в жидкость и растворяются в воде. Почему это происходит? Происходит то, 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 слабо связаны. Поэтому кристаллы таких веществ хрупкие и легко распадаются.

Молекулярная кристаллическая решетка характерна для воды. При комнатной температуре это жидкость, но как только она нагревается до температуры кипения (которая сравнительно невысока), сразу же начинает испаряться, то есть переходит в газообразное состояние.

Некоторые молекулярные вещества, например сухой лед СО2, способны переходить в газ сразу из твердого состояния, минуя жидкое состояние (этот процесс называется сублимацией).

Свойства молекулярных веществ:

• небольшая твердость;
• низкая сила;
• плавкость;
• волатильность;
• некоторые имеют запах.

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

Ионная кристаллическая решетка

Как известно, при ионной химической связи один атом отдает ионы другому и приобретает положительный заряд, а принимающий атом становится отрицательно заряженным. В результате появляются противоположно заряженные ионы, образующие кристаллическую структуру.

Ионная решетка представляет собой кристаллическую структуру, в узловых точках которой находятся ионы, связанные взаимным притяжением.

Почти все соли имеют ионную кристаллическую решетку; Типичным представителем можно считать поваренную соль NaCl. Это стоит помнить, если вам нужно перечислить физические характеристики этой группы. Щелочи и оксиды активных металлов также имеют ионную сеть.

Свойства веществ с ионным строением:

• твердость;
• хрупкость;
• неплавкость;
• отсутствие волатильности;
• электропроводность;
• способность растворяться в воде.

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

Во-первых, давайте вспомним, как работает химическая связь металлов. В молекуле металла отрицательно заряженные свободные электроны переходят от одного иона к другому и соединяются с некоторыми из них, а затем разделяются и мигрируют дальше. В результате получается кристалл, в котором ионы становятся атомами и наоборот.

Кристаллическая решетка металла представляет собой структуру, состоящую из атомов и ионов металла, между которыми свободно перемещаются электроны. Как несложно догадаться, это характерно только для металлов и сплавов.

Свободные электроны, мигрирующие между узлами решетки, образуют электронное облако, которое под действием электрического тока начинает двигаться в направленном направлении. Этим объясняется такое свойство металлов, как электропроводность.

В химии медь считается типичным примером вещества, имеющего металлическую кристаллическую решетку. Он очень податлив, пластичен, обладает высокой тепло- и электропроводностью. Однако все металлы ярко демонстрируют эти характеристики, поэтому назвать физические свойства этой группы несложно.

Свойства веществ с металлической кристаллической решеткой:

• характерный блеск;
• хорошая пластичность;
• высокая теплопроводность;
• электропроводность.

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

Подведем итог: в таблице будут представлены характеристики различных типов кристаллических решеток.

Тип решетки

Частицы в узлах решетки

Тип связи между частицами

Примеры веществ

Физические свойства веществ

Молекулярно-кинетическая теория

Все молекулы состоят из крошечных частиц, называемых атомами. Все открытые в настоящее время атомы перечислены в периодической таблице.

Атом – это мельчайшая химически неделимая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Атомы связаны друг с другом химическими связями. Ранее мы уже рассмотрели виды химических связей и их свойства. Обязательно изучите теорию по теме: Виды химической связи, прежде чем изучать эту статью!

Теперь давайте посмотрим, как частицы могут объединяться в материю.

В зависимости от расположения частиц относительно друг друга свойства образуемых ими веществ могут сильно различаться. Итак, если частицы расположены далеко друг от друга (расстояние между частицами намного больше размера самих частиц), они практически не взаимодействуют друг с другом, хаотично и непрерывно перемещаются в пространстве, то мы сталкиваемся с газом

Если частицы расположены близко друг к другу, но хаотично, больше взаимодействуют друг с другом, совершают интенсивные колебательные движения в одном положении, но могут перескакивать в другое положение, то это модель строения жидкости.

Если частицы расположены близко друг к другу, но более упорядочены, больше взаимодействуют друг с другом и движутся только в пределах положения равновесия, практически не переходя в другие положения, то мы имеем дело с твердым телом.

Большинство известных химических веществ и смесей могут существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Самый простой пример – вода. При нормальных условиях он жидкий, при 0°С замерзает — переходит из жидкого состояния в твердое, а при 100°С кипит — переходит в газообразную фазу — водяной пар. В то же время многие вещества при нормальных условиях являются газами, жидкостями или твердыми телами. Например, воздух, смесь азота и кислорода, при нормальных условиях является газом. Но при высоком давлении и низкой температуре азот и кислород конденсируются и переходят в жидкую фазу. Жидкий азот активно используется в промышленности. Иногда выделяют плазму, а также жидкие кристаллы в виде отдельных фаз.

Многие свойства отдельных веществ и смесей объясняются взаимным расположением частиц в пространстве по отношению друг к другу!

В данной статье рассматриваются свойства твердых тел в зависимости от их строения. Основные физические свойства твердых тел: температура плавления, электропроводность, теплопроводность, механическое сопротивление, пластичность и др.

Температура плавления – это температура, при которой вещество переходит из твердого состояния в жидкое и наоборот.

Пластичность – это способность вещества деформироваться без разрушения.

Электропроводность – это способность вещества проводить ток.

Ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Поэтому ток могут проводить только вещества, в которых присутствуют подвижные заряженные частицы. По способности проводить ток вещества делятся на проводники и диэлектрики. Проводниками называются вещества, способные проводить ток (то есть содержащие движущиеся заряженные частицы). Диэлектрики – вещества, практически не проводящие ток.

В твердом веществе частицы вещества могут располагаться беспорядочно или более упорядоченно. Если частицы твердого тела расположены в пространстве хаотично, то вещество называется аморфным. Примерами аморфных веществ являются углерод, слюдяное стекло.

Аморфный бор

Если частицы твердого тела упорядочены в пространстве, т. е. образуют повторяющиеся трехмерные геометрические структуры, то такое вещество называется кристаллом, а сама структура называется кристаллической решеткой. Большинство известных нам веществ представляют собой кристаллы. Сами частицы располагаются в узлах кристаллической решетки.

Кристаллические вещества различают, в частности, по типу химической связи между частицами кристалла: атомарная, молекулярная, металлическая, ионная; по геометрической форме простейшей ячейки кристаллической решетки: кубической, шестиугольной и т д.

В зависимости от типа частиц, образующих кристаллическую решетку, различают атомарные, молекулярные, ионные и металлические кристаллические структуры.

Атомная кристаллическая решетка

Атомная кристаллическая решетка образуется, когда атомы расположены в узлах кристалла. Атомы связаны между собой прочными ковалентными химическими связями. Следовательно, такая кристаллическая решетка будет очень прочной, разрушить ее непросто. Атомная кристаллическая решетка может состоять из атомов с высокой валентностью, т. е. с большим числом связей с соседними атомами (4 и более). Как правило, это неметаллы — простые вещества: кремний, бор, углерод (аллотропные модификации алмаза, графита) и их соединения (бороуглерод, оксид кремния (IV) и др.). Так как между неметаллами возникает преимущественно ковалентная химическая связь, в веществах с атомарной кристаллической решеткой свободных электронов (как и других заряженных частиц) в большинстве случаев нет. Следовательно, такие вещества Как правило, они очень плохо проводят электрический ток, это диэлектрики. Это общие закономерности, из которых есть ряд исключений.

Межчастичная связь в атомных кристаллах: полярная или неполярная ковалентная .

Атомы расположены в узлах в кристалле с атомарной кристаллической структурой.

Фазовое состояние атомарных кристаллов при нормальных условиях: обычно твердое.

Вещества, образующие атомарные кристаллы в твердом состоянии:

1. Простые вещества с высокой валентностью (находящиеся в середине таблицы Менделеева): бор, углерод, кремний и др.
2. Сложные вещества, образованные этими неметаллами: кремнезем (окись кремния, кварцевый песок) SiO2; карбид кремния (карборунд) SiC; карбид бора, нитрид бора и др.

Физические свойства веществ с атомарной кристаллической решеткой:

— прочность;

— тугоплавкость (высокая температура плавления);

— низкая электропроводность;

— низкая теплопроводность;

— химическая инертность (неактивные вещества);

— нерастворимость в растворителях.

Строение и агрегатное состояние веществ

Различают три агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное. Каждая из них предполагает определенное расположение частиц. Далее мы более подробно опишем, как связаны в химии кристаллическая решетка и агрегатное состояние вещества, а пока выделим общие закономерности.

• Если частицы движутся хаотично и расстояние между ними во много раз превышает их собственные размеры, то это газ. Из-за большого расстояния друг от друга молекулы и атомы такого вещества слабо взаимодействуют друг с другом.
• Если частицы все же расположены хаотично, но на небольшом расстоянии друг от друга, это жидкость. В жидком состоянии вещества его молекулы и атомы имеют более прочные связи, которые труднее разорвать.
• Если частицы сближаются близко друг к другу и в определенном порядке, то это твердое тело. В этом состоянии связи между ними самые крепкие. Частицы могут двигаться только в пределах своего местоположения и почти не перемещаются в пространстве.

Большинство веществ могут находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии, и в зависимости от давления и температуры легко переключаться из одного состояния в другое. Типичным примером является вода, которая при нагревании превращается в пар, а при охлаждении – в твердый лед.

Как определить кристаллическую решетку

Как видно из вышеприведенного материала, строение вещества, его состав и физические характеристики тесно связаны между собой. Поэтому для определения типа кристаллической решетки мы можем руководствоваться имеющимися у нас данными. Как правило, состав вещества известен, а значит, мы можем сделать вывод о химических связях внутри его молекулы, что, в свою очередь, позволит предположить тип сетки.

Вы также можете выполнить быстрое сканирование:

• если это неметалл, который при комнатной температуре находится в твердом состоянии, он, скорее всего, имеет атомную решетку;
• если при нормальных условиях это жидкость или газ, или речь идет об органическом веществе, то предполагается молекулярная сеть;
• если это соль или щелочь, кристаллы имеют ионную сетку;
• если это металл или сплав, сетка обязательно будет металлической.

Пять типов кристаллических решеток

Существует семь различных кристаллических систем. Они были обнаружены в 1781 году отцом Рене Жюстом Хоуи. Он случайно заметил, что некоторые камни идеальной формы. После многих лет исследований он разработал свою теорию строения кристаллов. В 1848 году Огюст Браве показал, что может быть только семь типов элементарных кристаллических решеток.

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

Каждая из этих систем определяется своими осями: трехмерными параметрами (длина осей) и тремя угловыми параметрами (углы, образованные двумя осями). Условно мы называем длины осей abc и углы, образованные осями α, β и γ. Они размещаются в пространстве следующим образом:

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

• центральная (обозначена буквой C): точка является центром симметрии сетки;
• плоскости (обозначены буквой P): плоскость — это плоскость симметрии сетки;
• аксиальный (O): поворот на определенный угол вокруг оси симметрии возвращает сетку в положение, идентичное исходному.

Эти симметрии имеют четыре порядка:

• двойная (обозначается как L 2): поворот на 180 ° (π рад)
• тройной (обозначается L 3): вращение на 120 ° (2π / 3 рад)
• четвертичный (обозначен L 4): поворот на 90 ° (π / 2 рад.)
• шестиугольный (обозначен L 6): поворот 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: С, 3 Л 4 , 4 Л 3, 6 Л 2, 9 П Базовым элементом является куб.

Орторомбическая кристаллическая решетка

a ≠ b ≠ c: три оси имеют разную длину α = β = γ= 90°: три угла равны и прямые Симметрии: С, 3 Л 2, 3 П Основной элемент – прямоугольный параллелепипед.

Моноклинная решетка

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

Триклинная решетка

a≠b≠c: три оси имеют разную длину. α≠β ≠ γ≠ 90°: три угла разные. Симметрии: C, L 2 , P Главный элемент – параллелепипед с алмазной основой.

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, плоскости которого являются ромбами.

Сравнение свойств веществ с различными кристаллическими решетками

Тип кристаллической решетки (или отсутствие кристаллической решетки) позволяет оценить основные физические свойства вещества. Для грубого сравнения типичных физических свойств соединений с различными кристаллическими решетками весьма удобно использовать химические вещества с характерными свойствами. Для молекулярной решетки это, например, углекислый газ, для атомарной кристаллической решетки — алмаз, для металлической решетки — медь, а для ионной кристаллической решетки — поваренная соль, хлорид натрия NaCl.

Сводная таблица строения простых веществ, образованных химическими элементами главных подгрупп таблицы Менделеева (элементы второстепенных подгрупп — металлы, поэтому имеют металлическую кристаллическую решетку).

Итоговая таблица связи свойств веществ со строением: