Металлическая связь тип кристаллической решетки. Кристаллические решетки — Гипермаркет знаний

Дата публикации 07.01.2013 17:01

Абсолютно любое химическое вещество, существующее в природе, образовано большим числом одинаковых частиц, которые связаны между собою. Все вещества существуют в трёх агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твёрдом. Когда затруднено тепловое движение (при низких температурах), а также в твердых веществах частицы строго ориентированы в пространстве, что проявляется в их точной структурной организации.

Кристаллическая решётка вещества – это структура с геометрически упорядоченным расположением частиц (атомы, молекулы либо ионы) в определённых точках пространства. В различных решетках различают межузловое пространство и непосредственно узлы – точки, в которых расположены сами частицы.

Кристаллическая решётка бывает четырех типов: металлическая, молекулярная, атомная, ионная. Типы решеток определяются в соответствии с видом частиц, расположенных в их узлах, а также характером связей между ними.

Кристаллическая решётка называется молекулярной в том случае, если в ее узлах располагаются молекулы. Они связаны между собой межмолекулярными сравнительно слабыми силами, называемые ван-дер-ваальсовыми, однако сами атомы внутри молекулы соединяются существенно более сильной ковалентной связью (полярной либо неполярной). Молекулярная кристаллическая решетка свойственна хлору, твердому водороду, двуокиси углерода и другим веществам, являющимся газообразными при обычной температуре.

Кристаллы, которые образуют благородные газы, также имеют молекулярные решетки, состоящие из одноатомных молекул. Большинство твердых органических веществ имеют именно такую структуру. Число же неорганических веществ, которым свойственна молекулярная структура, весьма невелико. Это, например, твердые галогеноводороды, природная сера, лед, твердые простые вещества и некоторые другие.

При нагревании относительно слабые межмолекулярные связи разрушаются довольно легко, поэтому вещества с такими решетками имеют очень низкие температуры плавления и малую твердость, они нерастворимы либо малорастворимы в воде, растворы их практически не проводят электрический ток, характеризуются значительной летучестью. Минимальные температуры кипения и плавления – у веществ из неполярных молекул.

Металлической называется такая кристаллическая решетка, узлы которой сформированы атомами и положительными ионами (катионами) металла со свободными валентными электронами (отцепившимися от атомов при образовании ионов), беспорядочно движущимися в объеме кристалла. Однако эти электроны по существу являются полусвободными, так как могут беспрепятственно перемещаться только в рамках, которые ограничивает данная кристаллическая решетка.

Электростатические электроны и положительные ионы металлов взаимно притягиваются, чем объясняется стабильность металлической кристаллической решетки. Совокупность свободных движущихся электронов называют электронным газом – он обеспечивает хорошую электро- и теплопроводность металлов. При появлении электрического напряжения электроны устремляются к положительной частице, участвуя в создании электрического тока и взаимодействуя с ионами.

Металлическая кристаллическая решетка характерна, главным образом, для элементарных металлов, а также для соединений различных металлов друг с другом. Основные свойства, которые присущи металлическим кристаллам(механическая прочность, летучесть, температура плавления), достаточно сильно колеблются. Однако такие физические свойства, как пластичность, ковкость, высокая электро- и теплопроводность, характерный металлический блеск свойственны лишь исключительно кристаллам с металлической решеткой.

Большинство твердых веществ имеет кристаллическое строение. Кристаллическая решетка построена из повторяющихся одинаковых структурных единиц, индивидуальных для каждого кристалла. Эта структурная единица носит название “элементарная ячейка”. Другими словами, кристаллическая решетка служит отображением пространственной структуры твердого вещества.

Классифицировать кристаллические решетки можно различным образом.

I. По симметрии кристаллов решетки классифицируются на кубические, тетрагональные, ромбические, гексагональные.

Эта классификация удобна при оценке оптических свойств кристаллов, а также их каталитической активности.

II. По природе частиц , находящихся в узлах решетки и по типу химической связи между ними различают атомные, молекулярные, ионные и металлические кристаллические решетки . Тип связи в кристалле определяет различие в твердости, растворимости в воде, величине теплоты растворения и теплоты плавления, электрической проводимости.

Важной характеристикой кристалла является энергия кристаллической решетки, кДж/моль – энергия, которую необходимо затратить на разрушение данного кристалла.

Молекулярная решетка

Молекулярные кристаллы состоят из молекул, удерживаемых в определенных положениях кристаллической решетки слабыми межмолекулярными связями (вандерваальсовыми силами) или водородными связями. Эти решетки характерны для веществ с ковалентными связями.

Веществ с молекулярной решеткой очень много. Это большое число органических соединений (сахар, нафталин и др.), кристаллическая вода (лед), твердый углекислый газ (“сухой лед”), твердые галогеноводороды, иод, твердые газы, в том числе и благородные,

Минимальна энергия кристаллической решетки у веществ с неполярными и малополярными молекулами (СН 4 , СО 2 и т.п.).

Решетки, образованные более полярными молекулами, имеют и более высокую энергию кристаллической решетки. Наибольшей энергией обладают решетки с веществами, образующими водородные связи (Н 2 О, NН 3).

Из-за слабого взаимодействия между молекулами эти вещества летучи, легкоплавки, имеют небольшую твердость, не проводят электрический ток (диэлектрики) и обладают низкой теплопроводностью.

Атомная решетка

В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы одного или различных элементов, связанных между собой ковалентными связями по всем трем осям. Такие кристаллы , которые называют также ковалентными , сравнительно немногочисленны.

Примерами кристаллов этого типа могут служить алмаз, кремний, германий, олово, а также кристаллы сложных веществ, таких как нитрид бора, нитрид алюминия, кварц, карбид кремния. Все эти вещества имеют алмазоподобную решетку.

Энергия кристаллической решетки в таких веществах практически совпадает с энергией химической связи (200 – 500 кДж/моль). Это определяет и их физические свойства: высокие твердость, температура плавления и температура кипения.

Разнообразны электропроводящие свойства этих кристаллов: алмаз, кварц, нитрид бора – диэлектрики; кремний, германий – полупроводники; металлическое серое олово хорошо проводит электрический ток.

В кристаллах с атомной кристаллической решеткой нельзя выделить отдельную структурную единицу. Весь монокристалл представляет собой одну гигантскую молекулу .

Ионная решетка

В узлах ионной решетки чередуются положительные и отрицательные ионы, между которыми действуют электростатические силы. Ионные кристаллы образуют соединения с ионной связью, например, хлорид натрия NaCl, фторид калия и KF и др. В состав ионных соединений могут входить и сложные ионы, например, NO 3 - , SO 4 2 - .

Ионные кристаллы также представляют собой гигантскую молекулу, в которой каждый ион испытывает значительной воздействие со стороны всех остальных ионов.

Энергия ионной кристаллической решетки может достигать значительных величин. Так, Е (NaCl) = 770 кДж/моль, а Е (ВеО) = 4530 кДж/моль.

Ионные кристаллы имеют высокие температуры плавления и кипения и высокую прочность, но хрупки. Многие из них плохо проводят электрический ток при комнатной температуре (примерно на двадцать порядков ниже, чем у металлов), но с ростом температуры наблюдается увеличение электрической проводимости.

Металлическая решетка

Кристаллы металлов дают примеры простейших кристаллических структур.

Ионы металла в решетке металлического кристалла можно приближенно рассматривать в виде шаров. В твердых металлах эти шары упакованы с максимальной плотностью, на что указывает значительная плотность большинства металлов (от 0,97 г/см 3 у натрия, 8,92 г/см 3 у меди до 19,30 г/см 3 у вольфрама и золота). Наиболее плотная упаковка шаров в одном слое – это гексагональная упаковка, в которой каждый шар окружен шестью другими шарами (в той же плоскости). Центры любых трех соседних шаров образуют равносторонний треугольник.

Такие свойства металлов, как высокие тягучесть и ковкость, указывают на отсутствие жесткости в металлических решетках: их плоскости довольно легко сдвигаются одна относительно другой.

Валентные электроны участвуют в образовании связи со всеми атомами, свободно перемещаются по всему объему куска металла. На это указывают высокие значения электропроводимости и теплопроводности.

По энергии кристаллической решетки металлы занимают промежуточное положение между молекулярными и ковалентными кристаллами. Энергия кристаллической решетки составляет:

Таким образом, физические свойства твердых веществ существенно зависят от типа химической связи и структуры.

Структура и свойства твердых веществ

Характеристики	Кристаллы
Металлические	Ионные	Молекулярные	Атомные
Примеры	K, Al, Cr, Fe	NaCl, KNO 3	I 2 , нафталин	алмаз, кварц
Структурные частицы	Положительные ионы и подвижные электроны	Катионы и анионы	Mолекулы	Атомы
Тип химической связи	Металлическая	Ионная	В молекулах – ковалентная; между молекулами – вандерваальсовы силы и водородные связи	Между атомами – ковалентная
t плавления	Высокая	Высокая	Невысокая	Очень высокая
t кипения	Высокая	Высокая	Невысокая	Очень высокая
Механические свойства	Твердые, ковкие, тягучие	Твердые, хрупкие	Мягкие	Очень твердые
Электропроводность	Хорошие проводники	В твердом виде – диэлектрики; в расплаве или растворе – проводники	Диэлектрики	Диэлектрики (кроме графита)
Растворимость
в воде	Нерастворимы	Растворимы	Нерастворимы	Нерастворимы
в неполяр- ных раство- рителях	Нерастворимы	Нерастворимы	Растворимы	Нерастворимы

(Все определения, формулы, графики и уравнения реакций даются под запись.)

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:

Некоторые простые вещества неметаллов: I 2 , P, S (то есть все неметаллы, у которых не атомная решетка).
Почти все органические вещества (кроме солей ).
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:

прочность, твердость
высокие температуры плавления (тугоплавкость)
нелетучие вещества
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:

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

тепло- и электропроводность
металлический блеск
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.

5. Ионная и металлическая связь. Водородная связь. Валентность

5.4. Типы кристаллических решеток

Вещества в твердом состоянии могут иметь аморфное и кристаллическое строение. В аморфных веществах (стекло, полимеры) расположение частиц неупорядоченное, а в кристаллических структурные единицы (атомы, молекулы или ионы) расположены в строгом порядке.

Под кристаллической решеткой понимается каркас, который образуется, если структурные единицы кристалла соединить воображаемыми прямыми линиями. Точки пересечения этих линий называются узлами кристаллической решетки . В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, а также от типа химической связи между ними различают четыре основных вида (типа) кристаллических решеток: атомную, молекулярную, ионную и металлическую.

Вещества с атомной, ионной и металлической кристаллическими решетками имеют немолекулярное строение

В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы одинаковых или разных химических элементов (как правило, неметаллов), связанных между собой прочными ковалентными связями (см. рис. 16.1 на с. 347). Вещества с атомной решеткой называются атомными или ковалентными кристаллами.

Запомним вещества с атомной кристаллической решеткой: бор, кремний, алмаз, графит, черный и красный фосфор, карборунд SiC, оксид кремния(IV) SiO 2 .

Благодаря высокой энергии ковалентных связей вещества атомного строения имеют очень высокую температуру плавления, высокие твердость и прочность, низкую растворимость; как правило, являются диэлектриками или полупроводниками (кремний, германий). Самое твердое природное вещество - алмаз (температура плавления 3500 °С), самое тугоплавкое - графит (3700 °С); высокую температуру плавления имеют карборунд SiC (2700 °С) и кремнезем SiO 2 (1610 °С).

В узлах молекулярных кристаллов (веществ с молекулярной кристаллической решеткой, молекулярного строения) находятся молекулы (рис. 5.7, а ). Между собой молекулы связаны слабыми межмолекулярными силами (не путайте: в молекулах связь ковалентная, т.е. прочная), для разрыва которых требуется сравнительно немного энергии. Поэтому молекулярные вещества имеют небольшую прочность, малую твердость, значительную сжимаемость, низкие температуры плавления и кипения. Для них характерна летучесть, многие имеют запах, некоторые возгоняются. Молекулярные кристаллы не проводят электрический ток, могут быть растворимы в полярных и неполярных растворителях.

Молекулярную кристаллическую решетку имеют большинство веществ с ковалентной полярной или неполярной связью, за исключением перечисленных выше веществ атомного строения. Молекулярное строение более характерно для органических веществ. Примеры веществ молекулярного строения: благородные газы (для них понятия атом и молекула идентичны, можно сказать, что благородные газы состоят из одноатомных молекул), галогены (в твердом состоянии), белый фосфор P 4 , ромбическая и моноклинная сера S 8 , твердые кислород, озон, азот, вода, галогеноводороды, алканы, бензол.

Рис. 5.7. Строение кристаллической решетки углекислого газа (CO 2) в твердом состоянии (а ) и хлорида натрия (б )

Все вещества с ионной связью образуют ионные кристаллические решетки , имеют ионное строение. Это соли, основные и амфотерные оксиды, основания, бинарные соединения металлов с неметаллами (гидриды, нитриды и т.д.). В узлах ионных кристаллов находятся противоположно заряженные простые или сложные катионы и анионы, связанные между собой прочной ионной связью (рис. 5.7, б ).Благодаря прочности ионной связи ионные кристаллы обладают большой твердостью, нелетучи и не имеют запаха, для них характерны высокие температуры кипения и плавления. При комнатной температуре ионные вещества плохо проводят электрический ток и теплоту, многие хорошо растворимы в полярных растворителях, их водные растворы и расплавы проводят электрической ток (электролиты). Для ионных веществ характерны слабая деформируемость и хрупкость, так как при смещении ионов относительно друг друга между одноименно заряженными ионами возникают силы отталкивания.

Вещества с металлической связью образуют металлические кристаллические решетки (металлические кристаллы), в которых (см. рис. 5.1) связь обеспечивается свободными электронами (электронным газом).

По этой причине простые вещества металлы (и их сплавы) имеют характерный металлический блеск, очень высокие тепло- и электропроводность, они непрозрачные, ковкие и пластичные. У металлов наблюдается большой разброс температур плавления (например, при обычных условиях ртуть находится в жидком агрегатном состоянии), твердости (мягкий свинец и очень твердый хром), что обусловлено некоторыми различиями в характере металлической связи разных металлов. Как уже отмечалось, мерой прочности металлической связи может служить температура плавления металлов: чем выше t пл, тем энергия металлической связи больше. Температура плавления металлов повышается в ряду:

ртуть → щелочные металлы → щелочноземельные металлы →

→ металлы d -семейства → вольфрам.

Пример 5.4. Среди соединений хлора с элементами 3-го периода наименьшую температуру плавления имеет:

Решение. Искомое вещество - SCl 2 , так как оно имеет молекулярную кристаллическую решетку (все другие вещества - ионную).