Характеристика металлической кристаллической решетки

Химия. 11 класс

Конспект урока

Химия, 11 класс

Урок № 4. Строение кристаллов. Кристаллические решётки. Причина многообразия веществ

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён изучению кристаллического состояния вещества, зависимости свойств веществ от типов кристаллических решеток. Объясняются причины многообразия веществ, такие как изотопия элементов, аллотропия, изомерия, гомология. Дается понятие химического синтеза.

Аллотропия – существование нескольких простых веществ, образованных одним и тем же химическим элементом.

Атомная кристаллическая решётка – регулярная структура твёрдого вещества, в узловых точках которой находятся атомы химического элемента.

Гомология – явление наличия в природе органических соединений, имеющих одинаковое строение и химические свойства, но отличающихся на некоторое целое число групп СН₂— состав.

Изомерия – явления наличия нескольких веществ, имеющих один и тот же состав, но отличающихся по порядку соединения атомов.

Ионная кристаллическая решетка – регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой расположены положительно и отрицательно заряженные ионы.

Кристаллическая решетка – особая структура твёрдого вещества, в которой частицы вещества расположены в строго определенном порядке.

Кристаллы – твёрдые вещества, имеющие форму правильных многогранников, образованных в результате многократного регулярного повторения расположения составляющих вещество частиц.

Металлическая кристаллическая решетка – регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой расположены ионы металла.

Молекулярная кристаллическая решетка – регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой находятся молекулы вещества.

Полиморфизм – способность твёрдого вещества образовывать различные кристаллические структуры, состоящие из одних и тех же частиц.

Полиморфные модификации – разные кристаллические структуры, которые образованы частицами одного и того же вещества.

Химический синтез – процесс искусственного создания новых веществ физическими и химическими методами.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

• Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Строение кристаллов и типы кристаллических решеток

Кристаллами называются твёрдые вещества, частицы которых образуют трёхмерную периодическую пространственную структуру, называемую кристаллической решёткой. Грани кристаллов представляют собой правильные многоугольники. Свойства кристаллических тел различны. Например, алмаз обладает максимальной твёрдостью, а графит можно сломать руками, хотя эти вещества состоят атомов углерода. Свойства веществ зависят от типа кристаллической решетки. Различают четыре типа кристаллических решёток: атомную, ионную, молекулярную и металлическую.

Зависимость свойств веществ от типа кристаллической решетки

В узлах атомной кристаллической решётки расположены атомы, соединённые ковалентной связью. Примерами веществ, имеющих атомную кристаллическую решетку, являются алмаз, кремний, германий, бор. Вещества, имеющие атомную кристаллическую решетку, характеризуются высокой температурой плавления, большой твёрдостью.

В узлах ионной кристаллической решётки находятся положительные и отрицательные ионы, связь между ними ионная. Ионную кристаллическую решетку имеют соли, щёлочи и оксиды типичных металлов. Для веществ с ионной кристаллической решеткой характерны высокие температуры плавления, твёрдость, плотность, хорошая электропроводность.

В узлах молекулярной кристаллической решетки находятся молекулы, которые удерживаются за счет межмолекулярных вандервальсовых сил. Примером веществ с молекулярной кристаллической решеткой являются лёд, йод, нафталин, углекислый газ. Межмолекулярные связи значительно слабее ковалентных и ионных, поэтому для веществ с молекулярной кристаллической решёткой характерны низкие температуры плавления, невысокая твёрдость, возможность возгонки (переход из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое).

Для металлов характерна металлическая кристаллическая решётка, в узлах которой расположены положительно заряженные ионы металлов, а между ними свободно перемещаются валентные электроны (так называемый электронный газ). Для веществ с металлической кристаллической решеткой характерны механическая прочность, плавкость, ковкость, хорошая тепло- и электропроводность, металлический блеск.

Свойства кристаллических тел определяются не только характером связи между частицами, но и их взаимным расположением относительно друг друга. В кристаллах алмаза все атомы углерода связаны ковалентными неполярными связями и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя тетраэдры. В кристаллах графита каждые шесть атомов углерода связаны ковалентными неполярными связями, а между собой такие плоские шестиугольники связаны слабыми межмолекулярными связями.

Причины многообразия веществ

Не только углерод может образовывать разные вещества в зависимости от типа кристаллической решётки. Известно несколько веществ, образованных фосфором (белый, красный, чёрный и металлический фосфор). Сера может существовать в виде трёх модификаций (ромбическая, моноклинная и пластическая). Явление существования нескольких простых веществ, образованных одним и тем же элементом, называется аллотропией (полиморфизмом), а сами простые вещества – аллотропными (полиморфными) модификациями.

Существование изотопов – атомов одного и того же химического элемента, имеющих разные массовые числа — ещё одна причина огромного многообразия веществ.

Изучая органическую химию, вы узнали о существовании изомеров – молекул, имеющих одинаковый состав, но разную последовательность атомов и их расположение в пространстве. Изомеры встречаются не только среди органических соединений, например, изомером карбамида является цианат аммония.

Причиной разнообразия органических соединений является и гомология – существование ряда соединений, имеющих одинаковое строение и химические свойства, но отличающихся друг от друга на целое число групп СН₂-.

118 известных на сегодняшний день химических элементов образуют миллионы различных веществ, но человек искусственным путём создает новые вещества с нужными ему свойствами. Создание человеком новых веществ получило название химического синтеза.

Таким образом, явления аллотропии (полиморфизма), изомерии, изотопии, гомологии, химический синтез новых соединений являются причинами многообразия веществ.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. Расчет количества молекул в кристалле

Условие задачи: Молекула белого фосфора состоит из четырех атомов этого элемента. Сколько молекул белого фосфора содержится в кристалле фосфора массой 2,48 г? Ответ запишите в виде числа, приведенного к стандартному виду.

Шаг первый: найдём молярную массу молекулы белого фосфора Р₄. Относительная атомная масса фосфора равна 31 а.е.м., молярная масса Р₄ равна 4·31 = 124 (г/моль).

Шаг второй: найдём количество молей белого фосфора в кристалле массой 2,48 г. Для этого разделим массу кристалла на молярную массу Р₄:

2,48 : 124 = 0,02 (моль).

Шаг третий: найдём количество молекул, содержащееся в 0,02 моль белого фосфора. Для этого число моль умножим на число Авогадро:

0,02·6,02·10 23 = 1,2·10 22 (молекул).

Ответ: 1,2·10 22 .

2. Расчёт числа атомов в молекуле фуллерена

Условие задачи: Одной из аллотропных модификаций углерода, применяемых в электронике, является фуллерен. 0,5 моль фуллерена имеют массу 360 г. Сколько атомов углерода входит в состав одной молекулы фуллерена?

Шаг первый: найдём молярную массу фуллерена.

Для этого массу имеющегося образца разделим на количество молей:

360 : 0,5 = 720 (г/моль).

Шаг второй: найдём количество атомов углерода в 1 моль фуллерена. Для этого молярную массу фуллерена разделим на массу 1 моль атомов углерода. 1 моль атомов углерода имеет массу 12 г.

Характеристика металлической кристаллической решетки

Последнее обновление

4 апреля 2020г.

Образование молекул из атомов приводит к выигрышу энергии, так как в обычных условиях молекулярное состояние устойчивее, чем атомное.

Чтобы рассматривать данную тему необходимо знать:

Электроотрицательность — это способность атома смещать к себе общую электронную пару. (Самый электроотрицательный элемент — фтор.)

Кристаллическая решетка — трехмерное упорядоченное расположение частиц.

Различают три основных типа химических связей: ковалентную, ионную и металлическую.

Металлическая связь характерна для металлов, которые содержат небольшое количество электронов на внешнем энергетическом уровне (1 или 2, реже 3). Эти электроны легко теряют связь с ядром и свободно перемещаются по всему куску металла, образуя «электронное облако» и обеспечивая связь с положительно заряженными ионами, образовавшимися после отрыва электронов. Кристаллическая решетка — металлическая. Это обуславливает физические свойства металлов: высокую тепло- и электропроводность, ковкость и пластичность, металлический блеск.

Ковалентная связь образуется за счет общей электронной пары атомов неметаллов, при этом каждый из них достигает устойчивой конфигурации атома инертного элемента.

Если связь образуют атомы с одинаковой электроотрицательностью, то есть разница электроотрицательности двух атомов равна нулю, электронная пара располагается симметрично между двумя атомами и связь называется ковалентной неполярной.

Если связь образуют атомы с разной электроотрицательностью, причем разница в электроотрицательности двух атомов лежит в интервале от нуля примерно до двух (чаще всего это разные неметаллы), то общая электронная пара смещается к более электроотрицательному элементу. На нем возникает частично отрицательный заряд (отрицательный полюс молекулы), а на другом атоме — частично положительный заряд (положительный полюс молекулы). Такая связь называется ковалентной полярной.

Если связь образуют атомы с разной электроотрицательностью, причем разница в электроотрицательности двух атомов больше двух (чаще всего это неметалл и металл), то считают, что электрон полностью переходит к атому неметалла. В результате этот атом становится отрицательно заряженным ионом. Атом, отдавший электрон, — положительно заряженным ионом. Связь между ионами называется ионной связью.

Соединения с ковалентной связью имеют два типа кристаллических решеток: атомные и молекулярные.

В атомной кристаллической решетке в узлах находятся атомы, соединенные прочной ковалентной связью. Вещества с такой кристаллической решеткой имеют высокие температуры плавления, прочны и тверды, практически нерастворимы в жидкостях. например, алмаз, твердый бор, кремний, германий и соединения некоторых элементов с углеродом и кремнием.

В молекулярной кристаллической решетке в узлах находятся молекулы, соединенные слабым межмолекулярным взаимодействием. Вещества с такой решеткой имеют малую твердость и низкие температуры плавления, нерастворимы или малорастворимы в воде, из растворы практически не проводят электрический ток. Например, лед, твердый оксид углерода (IV) твердые галогеноводороды, твердые простые вещества, образованные одно-(благородные газы), двух- (F2, Cl2, Br2, I2, H2, O2, N2), трех-(О3), четырех- (Р4), восьми- (S8) атомными молекулами. Большинство кристаллических органических соединений имеют молекулярную решетку.

Соединения с ионной связью имеют ионную кристаллическую решетку, в узлах которой чередуются положительно и отрицательно заряженные ионы. Вещества с ионной решеткой тугоплавки и малолетучи, имеют сравнительно высокую твердость, но хрупки . Расплавы и водные растворы солей и щелочей проводят электрический ток.

Примеры заданий

1. В какой молекуле ковалентная связь «элемент — кислород» наиболее полярна?

Решение:

Полярность связи определяется разностью электроотрицательности двух атомов (в данном случае элемента и кислорода). Сера, азот и хлор находятся рядом с кислородом, следовательно их электроотрицательности отличаются незначительно. И только водород находится на отдалении от кислорода, значит разница в электроотрицательности будет большая, и связь будет наиболее полярна.

Ответ: 4)

2. Водородные связи образуются между молекулами

1) метанола 2) метаналь 3) ацетилена 4) метилформиата

Решение:

В составе ацетилена вообще нет сильноэлектроотрицательных элементов. Метаналь Н2СО и метилформиат НСООСН3 не содержат водорода, соединенного с сильноэлектроотрицательным элементом. Водород в них соединен с углеродом. А вот в метаноле СН3ОН между атомом водорода одной гидроксогруппы и атомом кислорода другой молекулы возможно образование водородной связи.

О влиянии специфики химической связи на тип кристаллической решетки и свойства некоторых металлических и неметаллических соединений Текст научной статьи по специальности « Химические науки»

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Сироткин Р.О., Сироткин О.С.

На примере некоторых металлических и неметаллических гомои гетероядерных соединений показано влияние типа химической связи на их структуру , включая кристаллическую, и некоторые свойства .

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Сироткин Р.О., Сироткин О.С.

Текст научной работы на тему «О влиянии специфики химической связи на тип кристаллической решетки и свойства некоторых металлических и неметаллических соединений»

Р. О. Сироткин, О. С. Сироткин

О ВЛИЯНИИ СПЕЦИФИКИ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ НА ТИП КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ

И СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Ключевые слова: химическая связь, гомо- и гетероядерные химические соединения, металлы, оксиды, структура, кристаллическая решетка, свойства.

На примере некоторых металлических и неметаллических гомо- и гетероядерных соединений показано влияние типа химической связи на их структуру, включая кристаллическую, и некоторые свойства.

Key words: chemical bond, homo- and heteronuclear chemical compounds, metals, oxides, structure, crystal lattice, properties.

Using some metallic and nonmetallic homo- and heteronuclear compounds as an example, the effect of chemical bond type on structure, including crystalline one, and some properties was shown.

Установление влияния специфики химической связи (электронно-ядерной микроструктуры любого химического соединения) на структуру последующих микро-, мезо- и макроструктурных уровней структурной организации веществ и материалов является важнейшей и, одновременно, наименее изученной проблемой современной химии, физики и материаловедения [1]. Ведь очевидно, что установление этого влияния обеспечит возможность совершенствования методик по прогнозированию структуры новых химических соединений и материалов с комплексом новых заданных свойств.

Целью настоящей работы является попытка установления влияния специфики химической связи на тип кристаллической решетки и свойства некоторых металлических и неметаллических соединений.

Учет влияния типа химической связи на структуру и свойства исследуемых соединений проводился через оценку соотношения ее компонент в рамках единой модели химического взаимодействия элементов в гомо- и гетероядерных соединениях [2, 3, 4].

Причина образования широко распространенной среди металлов типичной объемно-центрированной кубической (ОЦК)-структуры (которую имеют легкоплавкие щелочные металлы) не может быть объяснена исходя из сферической симметрии внешних ¿—оболочек. Как видно из табл. 1, все щелочные металлы имеют широко распространенную ОЦК-структуру, а щелочноземельные — гра-нецентрированную кубическую (ГПУ)-структуру [5, 6, 7]. Но при этом становится очевидным, что тип кристаллической структуры не определяет изменение свойств этих металлов внутри соответствующих групп, ведь тип кристаллической структуры этих металлов, в отличие от их свойств, внутри групп не меняется (табл.1). И, следовательно, более глубокой причиной, определяющей разницу в свойствах этих металлов, является электронная конфигурация элемента и характер распределения электронной плотности в межъядерном пространстве тонкой структуры этих металлов, то есть тип химической связи.

Анализ данных табл. 1 показывает, что внутри каждой из подгрупп с увеличением атомной массы элемента происходит рост степени металлич-ности (СМ) химической связи и уменьшение ее степени ковалентности (СК). Соответственно, растет и

соотношение этих двух характеристик (СМ/СК), обозначенное как показатель соотношения компонент (ПСК), а также длина связи (¿ев) при одновременном уменьшении относительного укорачивания связи (определяемого как отношение ван-дер-ваальсового радиуса к ковалентному, ЛВде/ЛК) и энергии связи (£ев).

Таблица 1 — Свойства и характеристики чистых металлов на основе «-элементов 1 и 2 групп Периодической системы

Металл Характеристики связи элементов тонкой структуры Свойства материала

Стр. кр. реш. Ск/ СМ? % ПСК, СМ/ Ск А лвдв®к Е -^св кДж/м оль Р? кг/м3 Ткип? °С Тпъ °С

lim ОЦК 23,42/ 76,57 3,26 3,14 1,96 115 533 1317 180,5

nom ОЦК 22,51/ 77,48 3,44 3,82 1,8 75 968 883 97,83

km ОЦК 20,67/ 79,33 3,83 4,7 1,55 51 860 760 63,55

КЬм ОЦК 19,50/ 80,49 4,12 5,0 1,5 48 1532 703 38,9

CSm ОЦК 18,59/ 81,41 4,38 5,44 1,47 45 1873 686 28,5

Вем ГПУ 39,69/ 60,31 1,51 2,24 2,08 46 1816 2450 1284

MgM ГПУ 33,26/ 66,74 2,0 3,2 1,67 42,3 1770 1107 651

Сам ГПУ 26,51/ 73,49 2,77 3,94 1,6 23,4 1540 1482 851

SrM ГПУ 24,31/ 75,69 3,11 4,3 1,55 18,7 2540 1383 770

Вам ГПУ 23,98/ 76,02 3,2 4,48 1,54 16,3 3780 1637 710

Рост ПСК внутри каждой из подгрупп приводит к росту плотности, температур плавления (ТПЛ) и кипения (ТКИП) металлов. Из табл. 1 также видно, что интервал ПСК для металлов на основе 5-элементов I группы с ОЦК-решеткой варьируется от 3,26 (Ы) до 4,38 (Сб), а интервал ПСК для металлов на основе ¿-элементов II группы с ГПУ-решеткой варьируется от 1,51(Ве) до 3,20 (Ва). С увеличением

ПСК выше 3,20 происходит перестройка ГПУ-решетки в ОЦК-решетку.

В табл. 2 приведены характеристики связей некоторых соединений титана и кислорода [8]. Степени ковалентности, металличности и ионности (СИ) связей при этом для каждой системы рассчитывались как средние по всем связям в предположении, что каждый из атомных остовов образует связи со всеми остальными в соответствии с формулой соединения.

Из табл. 2 видно, что по мере усложнения химической организации вещества в ряду ТЮ -Т1203 — ТЮ2 возрастает СК связи (за счет уменьшения ее СМ и СИ), а при степени ковалентности выше 50% возникают соединения постоянного состава Т1203 и Т102, способные образовывать молекулы или полимерные тела. Также из данных табл. 2 следует, что в этом же ряду трех оксидов титана с увеличением СК химической связи Т1-0 кубическая сингония сменяется сначала гексагональной и, далее, тетрагональной (или ромбической). Одновременно происходит уменьшение плотности, что свидетельствует о большей вероятности образования молекулярной, а точнее макромолекулярной структуры, последних двух оксидов. Ведь, несмотря на то, что эти оксиды и относят к промежуточным, а не типично стеклообразующим типа оксида кремния, они в определенных условиях все же образуют стекла, особенно в присутствии второго компонента (например, катионов на основе элементов 1 и 2 групп Периодической системы Д.И. Менделеева (ПС) [9].

Таблица 2 — Соотношение степеней ковалентности СК, металличности СМ и ионности СИ гете-роядерных связей в системах, образуемых титаном и кислородом

Соединения Ск, % СМ, % С№ % Крист. решетка кг/м3

Бер-тол-лид ТЮ 40,2 24,1 35,7 Кубическая (моноклинная) синго-ния 4930

Даль-тони-ды Т1203 54,5 24,1 21,4 Гексагональная сингония 4601

ТЮ2 56,6 19,6 23,8 Тетрагональная или ромбическая сингония 4235

В заключение рассмотрим характер изменения линейных характеристик тонкой структуры го-моядерных кристаллических соединений элементов (простых металлических и неметаллических веществ) ПС при соответствующем изменении СК. Для этого целесообразно рассмотреть периоды идентичности а, Ь и с, характеризующие размеры рёбер элементарной ячейки в кристаллах, образующих рассматриваемые материалы на основе гомоядерных химических соединений. Данные зависимости приведены на Рис. 1-3 [1]. Из них следует, что наименьших значений все три параметра а, Ь и с достигают при СК

40%. В результате, в целом, можно говорить о том, что именно при СК

40% достигается минимальное расстояние между элементами

(ядерными остовами), образующими тонкую структуру материалов на основе гомоядерных химических соединений. Это также подтверждает, что увеличение СК (и соответствующее уменьшение СМ) приводит к росту энергии связи элементов тонкой структуры материала (поскольку более короткая связь является более прочной).

10 20 30 40 50 60 70

Рис. 1 — Зависимость периода идентичности а кристаллической решетки от СК материалов на основе гомоядерных химических соединений

Кристаллические решетки

Кристаллической решеткой называют пространственное расположение атомов или ионов в кристалле. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки подразделяют на молекулярные, атомные, ионные и металлические.

Очень важно не перепутать вид химической связи и кристаллической решетки. Помните, что кристаллические решетки отражают пространственное расположение атомов.

Молекулярная кристаллическая решетка

В узлах молекулярной решетки расположены молекулы. При обычных условиях молекулярную решетку имеют большинство газов и жидкостей. Связи чаще всего ковалентные полярные или неполярные.

Классическим примером вещества с молекулярной решеткой является вода, так что ассоциируйте свойства этих веществ с водой. Вещества с молекулярной решеткой непрочные, имеют небольшую твердость, летучие, легкоплавкие, способны к возгонке, для них характерны небольшие температуры кипения.

Примеры: NH₃, H₂O, Cl₂, CO₂, N₂, Br₂, H₂, I₂. Особо хочется отметить красный и белый фосфор, ромбическую, пластическую и моноклинную серу, фуллерен. Эти аллотропные модификации мы подробно изучили в статье, посвященной классификации веществ.

Ионная кристаллическая решетка

В узлах ионной решетки находятся атомы, связанные ионной связью. Этот тип решетки характерен для веществ, обладающих ионной связь: соли, оксиды и гидроксиды металлов.

Ассоциируйте этот ряд веществ с поваренной солью — NaCl. Веществе с ионной решеткой имеют высокие температуры плавления и кипения, легко растворимы в воде, хрупкие, твердые, их растворы и расплавы проводят электрический ток.

Металлическая кристаллическая решетка

В узлах металлической решетки находятся атомы металла. Этот тип решетки характерен для веществ, образованных металлической связью.

Ассоциируйте свойства этих веществ с медью. Они обладают характерным металлическим блеском, ковкие и пластичные, хорошо проводят электрический ток и тепло, имеют высокие температуры плавления и кипения.

Примеры: Cu, Fe, Zn, Al, Cr, Mn.

Атомная кристаллическая решетка

В узлах атомной решетки находятся атомы, связанные ковалентной полярной или неполярной связью.

Ассоциируйте эти вещества с песком. Они очень твердые, очень тугоплавкие (высокая температура плавления), нелетучие, прочные, нерастворимы в воде.

Примеры: SiO₂, B, Ge, SiC, Al₂O₃. Особенно хочется выделить: алмаз и графит (C), черный фосфор (P).

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Металлическая кристаллическая решетка

Металлическая кристаллическая решетка присуща элементарным металлам, а также соединениям металлов друг с другом. Такие свойства металлических кристаллов, как летучесть, механическая прочность, температура плавления, сильно колеблются. Однако некоторые физические свойства исключительно характерны для кристаллов металлического типа ( см. гл. [1]

Металлические кристаллические решетки характеризуются наличием в их узлах положительно заряженных ионов металла. [2]

Металлическая кристаллическая решетка характеризуется наличием ионов, расположенных в ее узлах, и свободных электронов. Часть свободных электронов удерживается электрическим полем ионов, часть, так называемые электроны проводимости, непосредственно участвует в создании электрического тока. Однако при направленном движении под влиянием электрического поля электроны проводимости испытывают взаимодействие с ионами кристаллической решетки, которые находятся в состоянии теплового колебательного движения. После каждого такого взаимодействия направление движения и скорость электрона меняются. Такой процесс обмена энергией идет непрерывно и требует для ускорения электронов после каждого акта столкновения постоянной затраты энергии извне. [3]

Металлические кристаллические решетки представляют собой узлы из положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны. Совокупность движущихся свободных электронов называется электронным газом. Он обеспечивает хорошую тепло — и электропроводность металлов. Полупроводники ( закись меди, германий и др.) обладают своеобразными свойствами ( см. § 14 гл. Они подобны кристаллам с гомеополярными связями. [5]

Металлическая кристаллическая решетка состоит из катионов металла, между которыми относительно свободно перемещаются валентные электроны. [7]

Внутри металлической кристаллической решетки колеблются положительные ионы, а между ними двигаются во всех направлениях свободные электроны. Несмотря на то, что эти электроны называются свободными, в действительности они только полусвободны, потому что могут беспрепятственно двигаться только в рамках данной кристаллической решетки. [8]

Веществам с металлической связью присущи металлические кристаллические решетки . Электроны электростатически притягивают катионы, обеспечивая стабильность решетки. [10]

В твердом состоянии металлы образуют металлические кристаллические решетки . Они рассматриваются в главе о металлах. [12]

Веществам с металлической связью присущи металлические кристаллические решетки . Электроны электростатически притягивают катионы, обеспечивая стабильность решетки. [13]

В твердом состоянии металлы образуют металлические кристаллические решетки . Они рассматриваются в главе о металлах. [14]

Веществам с металлической связью присущи металлические кристаллические решетки . Электроны электростатически притягивают катионы, обеспечивая стабильность решетки. [15]

Кристаллические решетки. Типы кристаллических решеток.

Большинство твердых веществ имеют кристаллическую структуру, в которой частицы, из которых она «построена» находятся в определенном порядке, создавая тем самым кристаллическую решетку. Она строится из повторяющихся одинаковых структурных единиц — элементарных ячеек, которая связывается с соседними ячейками, образуя дополнительные узлы. В результате существует 14 различных кристаллических решеток.

Типы кристаллических решеток.

В зависимости от частиц, которые стоят в узлах решетки, различают:

• металлическую кристаллическую решетку;
• ионную кристаллическую решетку;
• молекулярную кристаллическую решетку;
• макромолекулярную (атомную) кристаллическую решетку.

Металлическая связь в кристаллических решетках.

Атомы расположены максимально близко друг к другу, очень плотно. Промежутки между атомами (шарами) очень малы, поэтому имеет место быть название, плотноупакованная структура. Существует 3 основных типа таких структур: гексагональная плотная упаковка (ГПУ), гранецентрированная кубическая упаковка (ГКУ) и объемно центрированная кубическая упаковка (ОЦКУ). Последняя менее плотная.

Как «упаковывается» один слой кристаллической решетки?

Гексагональная кристаллическая решетка

Каждый шар соприкасается с 6-ю соседними шарами, центры любых соседних атомов образуют равносторонний треугольник.

Квадратная кристаллическая решетка

Центры соседних шаров образуют квадрат.

Как «упаковываются» слои кристаллической решетки?

Представим, есть слои А и В. При гексагональной упаковке слои можно укладывать несколькими способами, и при этом образуется гексагональная плотная упаковка или гранецентрированная кубическая упаковка. Соблюдается условие: каждый шар верхнего слоя касается 3х шаров нижнего. Шары 3го слоя расположены четко над шарами 1го слоя, шары 4го – над 2ыми и т.д.

Более сложное строение имеет гексагональная кубическая упаковка (ГКУ) – шары 3го слоя находятся над промежутками 2го слоя, и поэтому слои С и А имеют существенные различия.

Объемно центрированная кубическая упаковка складывается только одним способом: каждый шар находится в центре куба, вершины которого заняты другими шарами, т.е. каждый шар касается 8-ми соседних, при этом принято говорить о том, что каждый атом имеет координационное число, равное 8.

Гексагональная плотная упаковка

Гранецентрированная кубическая упаковка

Объемно центрированная кубическая упаковка

Если говорить о координационных числах гранецентрированная кубическая упаковка и гексагональная плотная упаковка, то оно равно 12.

В пространстве можно эти типы упаковок представить так:

Гексагональная плотная упаковка

Гранецентрированная кубическая упаковка

Объемно центрированная кубическая упаковка

Примеры кристаллических решеток.

Вещества с металлической структурой обладают такими свойствами, как температура плавления, кипения, ковкость, плотность, теплопроводность и электропроводность.

Ионная связь кристаллических решеток.

В узлах кристалла находятся ионы, из-за этого тут превалируют электростатические силы, вследствие чего в структуре должна быть электрическую нейтральность. У каждого типа ионной решетки должно быть свое координационное число. Например, молекула хлорида натрия: Na + , Cl — . Каждый ион Na + окружен 6-тью ионами Cl — , поэтому координационное число равно 6. И вокруг иона Cl — тоже 6 ионов натрия, поэтому тут в молекуле присутствует координация 6:6.

Рассмотрим другой пример, хлорид цезия CsCl. Ион цезия большой, по сравнению с ионом натрия, поэтому его окружает уже не 6 Cl–ионов, а 8. Поэтому координационное число равно 8.

Вещества с таким типом решетки обладают высокой твердостью, они тугоплавки и малолетучи. Электричество проводят не только растворы, но и расплавы (т.к. ионные соединения диссоциируют в полярных жидкостях (вода).

Ионные кристаллы обладают повышенной хрупкостью, т.к. сдвиг в решетке кристалла (даже незначительный) приводит к тому, что одноименно заряженные ионы начинают отталкиваться друг от друга, и связи рвутся, образуются трещины и расколы.

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;

Макромолекулярная связь кристаллических решеток.

В узлах кристаллической решетки находятся атомы. Эти кристаллы разделяются на 3 вида:

• каркасные;
• цепочечные;
• слоистые структуры.

Каркасной структурой обладает алмаз – одно их самых твердых веществ в природе. Атом углерода образует 4 одинаковые ковалентные связи, что говорит о форме правильного тетраэдра (sp 3 – гибридизация). Каждый атом имеет неподеленную пару электронов, которые также могут связываться с соседними атомами. В результате чего образуется трехмерная решетка, в узлах которой только атомы углерода.

Энергии для разрушения такой структуры требуется очень много, температура плавления таких соединений высока (у алмаза она составляет 3500°С).

Слоистые структуры говорят о наличии ковалентных связях внутри каждого слоя и слабых ван-дер-ваальсовых — между слоями.

Рассмотрим пример: графит. Каждый атом углерода находится в sp 2 — гибридизации. 4-ый неспаренный электрон образует ван-дер-ваальсовую связь между слоями. Поэтому 4ый слой очень подвижен:

Связи слабые, поэтому их легко разорвать, что можно наблюдать у карандаша – «пишущее свойство» — 4ый слой остается на бумаге.

Графит – отличный проводник электрического тока (электроны способны перемещаться вдоль плоскости слоя).

Цепочечными структурами обладают оксиды (например, SO₃), который кристаллизуется в виде блестящих иголок, полимеры, некоторые аморфные вещества, силикаты (асбест).