Атомную кристаллическую решетку в твердом состоянии имеют. Кристаллическая решетка: определение, ее основные типы

Кристаллическая решетка – система точек, расположенных в равных, параллельно ориентированных вершинах и смежных по граням параллелепипедов без промежутков, заполняющих пространство точек, называющимися узлами, прямые - рядами, плоскости - сетками, параллелепипеды называются элементарными ячейками.

Типы кристаллических решеток: атомная – если в узлах расположены атомы, ионная – если в узлах расположены ионы, молекулярная - если в узлах расположены молекулы

2.Свойства кристаллических веществ - однородность, анизотропность, способность самоограняться.

Однородность - два одинаковых элементарных объема вещества параллельно ориентированых в пространстве, но выделены в разных точках вещества, абсолютно одинаковы по свойствам (берилл - турмалин).

Анизотропность - в разных направлениях кристаллической решетки в непараллельных направлениях многие свойства (н-р, прочность, твердость, показатель преломления) различны.

Способность самоограняться – свойство кристаллов при свободном росте образовывать правильно ограненные многогранники.

Свойство постоянства двугранных узлов – углы м/у соответствующимигранями и ребрами во всех кристаллах одного и того же вещества одинаковы.

3.Понятие сингонии. На какие категории подразделяются сингонии.

Сингония – совокупность видов симметрий, имеющая 1 или или несколько общих элементов симметрии, при равном числе единичных направлений. С. к. характеризуется соотношениями между осями а, b, с и углами ячейки.

Существует 7 Делятся на:

Низшую( не имеют осей симметрии выше второго порядка)

Среднюю (они имеют одну ось симметрии высшего порядка)

Единичные направления – направления, неповторяющиеся в кристаллах.

Являясь наиболее крупным классификационным подразделением в симметрии кристаллов, каждая С. к. включает в себя несколько точечных групп симметрий и Браве решёток.

4.Простые формы и комбинации. Физический смысл выделения простых форм в кристалле.

По внешнему виду кристаллы делятся на простые формы и комбинации. Простые формы – кристаллы полученные из одной грани путем действия на нее элемента симметрии.

Элементы симметрии:

геометрический образ

плоскость симметрии – плоскость перпендикулярная изображению, разделяющая фигуру на 2 части, соотносящиеся как предмет и его зеркальное отражение.

Ось симметрии – это прямая, перпендикулярная изображению, при повороте вокруг которой на 360 о фигура совмещается сама с собой n раз.

Центр симметрии – точка внутри кристалла характеризующаяся тем, что каждая проводимая через нее прямая встречается с двух сторон на одинаковом расстояниях идентичные точки.

Комбинации - кристаллы, состоящие из граней, различного типа, отличающихся по форме и размеру. Образуются сочетанием двух или более простых форм. Сколько на равномерно развитом кристалле типов граней столько в нем и простых форм.

Выделение граней разного типа имеет физический смысл , поскольку разные грани растут с различной скоростью и имеют разные свойства (твердость, плотность, показатель преломления).

Простые формы бывают открытые и закрытые. Закрытая простая форма с помощью граней одного типа самостоятельно замыкает пространство (тетрагональная дипирамида), открытая простая форма может замыкать пространство только в сочетании с другими простыми формами (тетрагональная пирамида+плоскость.) Всего существует 47 простых форм. Все они подразделяются по категриям:

Моноэдр - простая форма, представленная одной гранью.

Пинакоид - две равные параллельные грани, которые могут быть обратно расположенными.

Диэдр - две равные пересекающиеся грани (могут пересекаться на своём продолжении) .

Ромбическая призма - четыре равных попарно параллельных грани; в сечении образуют ромб.

Ромбическая пирамида четыре равные пересекающиеся грани; в сечении также образуют ромб. Перечисленные простые формы относятся к открытым, так как они не замыкают пространства. Присутствие в кристалле открытых простых форм, например, ромбической призмы обязательно вызывает присутствие других простых форм, например, пинакоида или ромбической дипирамиды, необходимых для того, чтобы получилась замкнутая форма.

Из закрытых простых форм низших сингоний отметим следующие. Ромбическая дипирамида две ромбические пирамиды, сложенные основаниями; форма имеет восемь разных граней, дающих в поперечном сечении ромб; Ромбический тетраэдр четыре грани, замыкающие пространство и имеющие форму косоугольных треугольников.

Средняя категория (сингонии: триклинная, тетрагональная, гексагональная)– 27 п.ф.: моноэдр, пинокоид, 6 дипирамид, 6 пирамид, 6 призм, тетраэдр, ромбоэдр, 3 трапециэдра (грани в форме трапеции), 2 скаленоидра (образуются путем удвоения граней тетраэдра и ромбоэдра).

Высшая категория – 15 п.ф.: основными являются тетраэдр, октаэдр, куб. Если вместо одной грани появляются 3 грани – тритетраэдр, если 6 – гексатетраэдр, если 4 – тетратетраэдр. Грани могут быть 3х, 4х, 5тиугольные: 3х – тригон, 4х – тетрагон, 5ти – пентагон.

Простой формой кристалла называют семейство граней, взаимосвязанных симметрическими операциями данного класса симметрии. Все грани, образующие одну простую форму кристалла, должны быть равны по размеру и форме. В кристалле могут присутствовать одна или несколько простых форм. Сочетание нескольких простых форм называется комбинацией.

Закрытыми называют такие формы, грани которых полностью замыкают заключенное между ними пространство, как, например, куб;

Открытые простые формы не замыкают пространство и не могут существовать самостоятельно, а только в комбинациях. Например, призма + пинакоид.

Моноэдр (от греч. "моно"- один, "эдра"- грань) - простая форма, представленная одной единственной гранью. Моноэдром является, например, основание пирамиды.

Пинакоид (от греч."пинакс"- доска) - простая форма, состоящая из двух равных параллельных граней, часто обратно ориентированных.

Диэдр (от греч."ди" - два, "эдр"- грань) - простая форма, образованная двумя равными пересекающимися (иногда на своем продолжении) гранями, образующими "прямую крышу".

Ромбическая призма - простая форма, которая состоит из четырех равных, попарно параллельных граней, которые в сечении образуют ромб.

Ромбическая пирамида - простая форма состоит из четырех равных пересекающихся граней; в сечении также - ромб. Из закрытых простых форм низших сингоний отметим следующие:

Ромбическая дипирамида две ромбические пирамиды, сложенные основаниями. Форма имеет восемь равных граней, дающих в поперечном сечении ромб.

Ромбический тетраэдр - простая форма, четыре грани которой имеют форму косоугольных треугольников и замыкают пространство.

Тригональная призма (от греч."гон"- угол) - три равных грани, пересекающихся по параллельным ребрам и образующих в сечении равносторонний треугольник;

Тетрагональная призма (от греч."тетра"- четыре) - четыре равных попарно параллельных грани, образующих в сечении квадрат;

Гексагональная призма (от греч."гекса"- шесть) - шесть равных граней, пересекающихся по параллельным ребрам и образующих в сечении правильный шестиугольник.

Названия дитригональных, дитетрагональных и дигексагональных получили призмы с удвоенным числом граней, когда все грани равны, а одинаковые углы между гранями чередуются через один.

Пирамиды - простые формы кристаллов средней категории могут быть, также как и призмы, тригональными (и дитригональными), тетрагональными (и дитетрагональными), гексагональными(и дигексагональными). Они образуют в сечении правильные многоугольники. Грани пирамид располагаются под косым углом к оси симметрии высшего порядка.

В кристаллах средней категории встречаются так же закрытые простые формы. Таких форм несколько:

Дипирамиды - простые формы, образованные двумя равными пирамидами, сложенными основаниями. В таких формах происходит удвоение пирамиды горизонтальной плоскостью симметрии, перпендикулярной главной оси симметрии высшего порядка (рис. 8). Дипирамиды, как и простые пирамиды, в зависимости от порядка оси могут иметь различные формы сечения. Они могут быть тригональными, дитригональными, тетрагональными, дитетрагональными, гексагональными и дигексагональными.

Ромбоэдр - простая форма, которая состоит из шести граней в виде ромбов и напоминает вытянутый или сплющенный по диагонали куб. Он возможен только в тригональной сингонии. Верхняя и нижняя группа граней повернуты относительно друг друга на угол 60о таким образом, что нижние грани располагаются симметрично между верхними.

Строение вещества определяется не только взаимным расположением атомов в химических частицах, но и расположением этих химических частиц в пространстве. Наиболее упорядочено размещение атомов, молекул и ионов в кристаллах (от греческого "кристаллос " - лед), где химические частицы (атомы, молекулы, ионы) расположены в определенном порядке, образуя в пространстве кристаллическую решетку. При определенных условиях образования они могут иметь естественную форму правильных симметричных многогранников. Кристаллическое состояние характеризуется наличием дальнего порядка в расположении частиц и симметрией кристаллической решетки.

Для аморфного состояния характерно наличие только ближнего порядка. Структуры аморфных веществ напоминают жидкости, однако обладают гораздо меньшей текучестью. Аморфное состояние обычно неустойчиво. Под действием механических нагрузок или при изменении температуры аморфные тела могут закристаллизоваться. Реакционная способность веществ в аморфном состоянии значительно выше, чем в кристаллическом.

Аморфные вещества

Главный признак аморфного (от греческого "аморфос " - бесформенный) состояние вещества - отсутствие атомной или молекулярной решетки, то есть трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния.

При охлаждении жидкого вещества не всегда происходит его кристаллизация. при определенных условиях может образоваться неравновесное твердое аморфное (стеклообразное) состояние. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (углерод, фосфор мышьяк, сера, селен), оксиды (например, бора, кремния, фосфора), галогениды, халькогениды, многие органические полимеры.

В этом состоянии вещество может быть устойчиво в течение длительного промежутка времени, например, возраст некоторых вулканических стекол исчисляется миллионами лет. Физические и химические свойства вещества в стеклообразном аморфном состоянии могут существенно отличаться от свойств кристаллического вещества. Например, стеклообразный диоксид германия химически более активен, чем кристаллический. Различия в свойствах жидкого и твердого аморфного состояния определятся характером теплового движения частиц: в аморфном состоянии частицы способны лишь к колебательным и вращательным движениям, но не могут перемещаться в толще вещества.

Существуют вещества, которые в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Это относится к полимерам с нерегулярной последовательностью звеньев.

Аморфные тела изотропны , то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления: плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Физическая модель аморфного состояния до сих пор не создана.

Кристаллические вещества

Твердые кристаллы - трехмерные образования, характеризующиеся строгой повторяемостью одного и того же элемента структуры (элементарной ячейки ) во всех направлениях. Элементарная ячейка представляет собой наименьший объем кристалла в виде параллелепипеда, повторяющегося в кристалле бесконечное число раз.

Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена, прежде всего, их строго закономерным внутренним строением. Если вместо атомов, ионов или молекул в кристалле изобразить точки как центры тяжести этих частиц, то получится трехмерное регулярное распределение таких точек, называемое кристаллической решеткой. Сами точки называют узлами кристаллической решетки.

Типы кристаллических решеток

В зависимости от того, из каких частицы построена кристаллическая решетка и каков характер химической связи между ними, выделяют различные типы кристаллов.

Ионные кристаллы образованы катионами и анионами (например, соли и гидроксиды большинства металлов). В них между частицами имеется ионная связь.

Ионные кристаллы могут состоять из одноатомных ионов. Так построены кристаллы хлорида натрия , иодида калия, фторида кальция.
В образовании ионных кристаллов многих солей участвуют одноатомные катионы металлов и многоатомные анионы, например, нитрат-ион NO 3 − , сульфат-ион SO 4 2− , карбонат-ион CO 3 2− .

В ионном кристалле невозможно выделить одиночные молекулы. Каждый катион притягивается к каждому аниону и отталкивается от других катионов. Весь кристалл можно считать огромной молекулой. Размеры такой молекулы не ограничены, поскольку она может расти, присоединяя новые катионы и анионы.

Большинство ионных соединений кристаллизуется по одному из структурных типов, которые отличаются друг от друга значением координационного числа, то есть числом соседей вокруг данного иона (4, 6 или 8). Для ионных соединений с равным числом катионов и анионов известно четыре основных типа кристаллических решеток: хлорида натрия (координационное число обоих ионов равно 6), хлорида цезия (координационное число обоих ионов равно 8), сфалерита и вюрцита (оба структурных типа характеризуются координационном числом катиона и аниона, равным 4). Если число катионов вдвое меньше числа анионов, то координационное число катионов должно быть вдвое больше координационного числа анионов. В этом случае реализуются структурные типы флюорита (координационные числа 8 и 4), рутила (координационные числа 6 и 3), кристобалита (координационные числа 4 и 2).

Обычно ионные кристаллы твердые, но хрупкие. Их хрупкость обусловлена тем, что даже при небольшой деформации кристалла катионы и анионы смещаются таким образом, что силы отталкивания между одноименными ионами начинают преобладать над силами притяжения между катионами и анионами, и кристалл разрушается.

Ионные кристаллы отличаются высокими температурами плавления. В расплавленном состоянии вещества, образующие ионные кристаллы, электропроводны. При растворении в воде эти вещества диссоциируют на катионы и анионы, и образующиеся растворы проводят электрический ток.

Высокая растворимость в полярных растворителях, сопровождающаяся электролитической диссоциацией обусловлена тем, что в среде растворителя с высокой диэлектрической проницаемостью ε уменьшается энергия притяжения между ионами. Диэлектрическая проницаемость воды в 82 раза выше, чем вакуума (условно существующего в ионном кристалле), во столько же раз уменьшается притяжение между ионами в водном растворе. Эффект усиливается за счет сольватации ионов.

Атомные кристаллы состоят из отдельных атомов, объединенных ковалентными связями. Из простых веществ только бор и элементы IVA-группы имеют такие кристаллические решетки. Нередко соединения неметаллов друг с другом (например, диоксид кремния) также образуют атомные кристаллы.

Так же как и ионные, атомные кристаллы можно считать гигантскими молекулами. Они очень прочные и твердые, плохо проводят теплоту и электричество. Вещества, имеющие атомные кристаллические решетки, плавятся при высоких температурах. Они практически нерастворимы в каких-либо растворителях. Для них характерна низкая реакционная способность.

Молекулярные кристаллы построены из отдельных молекул, внутри которых атомы соединены ковалентными связями. Между молекулами действуют более слабые межмолекулярные силы. Они легко разрушаются, поэтому молекулярные кристаллы имеют низкие температуры плавления, малую твердость, высокую летучесть. Вещества, образующие молекулярные кристаллические решетки, не обладают электрической проводимостью, их растворы и расплавы также не проводят электрический ток.

Межмолекулярные силы возникают за счет электростатического взаимодействия отрицательно заряженных электронов одной молекулы с положительно заряженными ядрами соседних молекул. На силу межмолекулярного взаимодействия влияет много факторов. Важнейшими среди них является наличие полярных связей, то есть смещения электронной плотности от одних атомов к другим. Кроме того, межмолекулярное взаимодействие проявляется сильнее между молекулами с большим числом электронов.

Большинство неметаллов в виде простых веществ (например, иод I 2 , аргон Ar, сера S 8) и соединений друг с другом (например, вода, диоксид углерода, хлороводород), а также практически все твердые органические вещества образуют молекулярные кристаллы.

Для металлов характерна металлическая кристаллическая решетка. В ней имеется металлическая связь между атомами. В металлических кристаллах ядра атомов расположены таким образом, чтобы их упаковка была как можно более плотной. Связь в таких кристаллах является делокализованной и распространяется на весь кристалл. Металлические кристаллы обладают высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, металлическим блеском и непрозрачностью, легкой деформируемостью.

Классификация кристаллических решеток отвечает предельным случаям. Большинство кристаллов неорганических веществ принадлежит к промежуточным типам - ковалентно-ионным, молекулярно-ковалентным и т.д. Например, в кристалле графита внутри каждого слоя связи ковалентно-металлические, а между слоями - межмолекулярные.

Изоморфизм и полиморфизм

Многие кристаллические вещества имеют одинаковые структуры. В то же время одно и то же вещество может образовывать разные кристаллические структуры. Это находит отражение в явлениях изоморфизма и полиморфизма .

Изоморфизм заключается в способности атомов, ионов или молекул замещать друг друга в кристаллических структурах. Этот термин (от греческих "изос " - равный и "морфе " - форма) был предложен Э. Мичерлихом в 1819 г. Закон изоморфизма бы сформулирован Э. Мичерлихом в 1821 г. таким образом: "Одинаковые количества атомов, соединенные одинаковым способом, дают одинаковые кристаллические формы; при этом кристаллическая форма не зависит от химической природы атомов, а определяется только их числом и относительным положением".

Работая в химической лаборатории Берлинского университета, Мичерлих обратил внимание на полное сходство кристаллов сульфатов свинца, бария и стронция и близость кристаллических форм многих других веществ. Его наблюдения привлекли внимание известного шведского химика Й.-Я. Берцелиуса , который предложил Мичерлиху подтвердить замеченные закономерности на примере соединений фосфорной и мышьяковой кислот. В результате проведенного исследования был сделан вывод, что "две серии солей различаются лишь тем, что в одной в качестве радикала кислоты присутствует мышьяк, а в другой - фосфор". Открытие Мичерлиха очень скоро привлекло внимание минералогов, начавших исследования по проблеме изоморфного замещения элементов в минералах.

При совместной кристаллизации веществ, склонных к изоморфизму (изоморфных веществ), образуются смешанные кристаллы (изоморфные смеси). Это возможно лишь в том случае, если замещающие друг друга частицы мало различаются по размерам (не более 15%). Кроме того, изоморфные вещества должны иметь сходное пространственное расположение атомов или ионов и, значит, сходные по внешней форме кристаллы. К таким веществам относятся, например, квасцы. В кристаллах алюмокалиевых квасцов KAl(SO 4) 2 . 12H 2 O катионы калия могут быть частично или полностью заменены катионами рубидия или аммония, а катионы алюминия - катионами хрома(III) или железа(III).

Изоморфизм широко распространен в природе. Большинство минералов представляет собой изоморфные смеси сложного переменного состава. Например, в минерале сфалерите ZnS до 20% атомов цинка могут быть замещены атомами железа (при этом ZnS и FeS имеют разные кристаллические структуры). С изоморфизмом связано геохимическое поведение редких и рассеянных элементов, их распространение в горных породах и рудах, где они содержатся в виде изоморфных примесей.

Изоморфное замещение определяет многие полезные свойства искусственных материалов современной техники - полупроводников, ферромагнетиков, лазерных материалов.

Многие вещества могут образовывать кристаллические формы, имеющие различные структуру и свойства, но одинаковый состав (полиморфные модификации). Полиморфизм - способность твердых веществ и жидких кристаллов существовать в двух или нескольких формах с различной кристаллической структурой и свойствами при одном и том же химическом составе. Это слово происходит от греческого "полиморфос " - многообразный. Явление полиморфизма было открыто М. Клапротом , который в 1798 г. обнаружил, что два разных минерала - кальцит и арагонит - имеют одинаковый химический состав СаСО 3 .

Полиморфизм простых веществ обычно называют аллотропией, в то же время понятие полиморфизма не относится к некристаллическим аллотропным формам (например, газообразным О 2 и О 3). Типичный пример полиморфных форм - модификации углерода (алмаз, лонсдейлит, графит, карбины и фуллерены), которые резко различаются по свойствам. Наиболее стабильной формой существования углерода является графит, однако и другие его модификации при обычных условиях могут сохраняться сколь угодно долго. При высоких температурах они переходят в графит. В случае алмаза это происходит при нагревании выше 1000 o С в отсутствие кислорода. Обратный переход осуществить гораздо труднее. Необходима не только высокая температура (1200-1600 o С), но и гигантское давление - до 100 тысяч атмосфер. Превращение графита в алмаз проходит легче в присутствии расплавленных металлов (железа, кобальта, хрома и других).

В случае молекулярных кристаллов полиморфизм проявляется в различной упаковке молекул в кристалле или в изменении формы молекул, а в ионных кристаллах - в различном взаимном расположении катионов и анионов. Некоторые простые и сложные вещества имеют более двух полиморфных модификаций. Например, диоксид кремния имеет десять модификаций, фторид кальция - шесть, нитрат аммония - четыре. Полиморфные модификации принято обозначать греческими буквами α, β, γ, δ, ε,... начиная с модификаций, устойчивых при низких температурах.

При кристаллизации из пара, раствора или расплава вещества, имеющего несколько полиморфных модификаций, сначала образуется модификация, менее устойчивая в данных условиях, которая затем превращается в более устойчивую. Например, при конденсации пара фосфора образуется белый фосфор, который в обычных условиях медленно, а при нагревании быстрее превращается в красный фосфор. При обезвоживании гидроксида свинца вначале (около 70 o С) образуется менее устойчивый при низких температурах желтый β-PbO, около 100 o С он превращается в красный α-PbO, а при 540 o С - снова в β-PbO.

Переход одной полиморфной модификации в другую называется полиморфными превращениями. Эти переходы происходят при изменении температуры или давления и сопровождаются скачкообразным изменением свойств.

Процесс перехода одной модификации в другую может быть обратимым или необратимым. Так, при нагревании белого мягкого графитоподобного вещества состава BN (нитрид бора) при 1500-1800 o С и давлении в несколько десятков атмосфер образуется его высокотемпературная модификация - боразон , по твердости близкий к алмазу. При понижении температуры и давления до значений, отвечающих обычным условиям, боразон сохраняет свою структуру. Примером обратимого перехода может служить взаимные превращения двух модификаций серы (ромбической и моноклинной) при 95 o С.

Полиморфные превращения могут проходить и без существенного изменения структуры. Иногда изменение кристаллической структуры вообще отсутствует, например, при переходе α-Fe в β-Fe при 769 o С структура железа не меняется, однако исчезают его ферромагнитные свойства.

Любое вещество в природе, как известно, состоит из более мелких частиц. Они, в свою очередь, связаны и образуют определенную структуру, которая определяет свойства конкретного вещества.

Атомная свойственна и возникает при низких температурах и высоком давлении. Собственно, именно благодаря такому , металлы и ряд других материалов приобретают характерную прочность.

Строение таких веществ на молекулярном уровне выглядит, как кристаллическая решетка, каждый атом в которой связан со своим соседом самым прочным соединением, существующим в природе - ковалентной связью. Все мельчайшие элементы, образующие структуры, расположены упорядоченно и с определенной периодичностью. Представляя собой сетку, в углах которой расположены атомы, окруженные всегда одинаковым числом спутников, атомная кристаллическая решетка практически не меняет своего строения. Общеизвестно, что изменить структуру чистого металла или сплава можно лишь нагревая его. При этом температура тем выше, чем более прочные связи в решетке.

Иными словами, атомная кристаллическая решетка является залогом прочности и твердости материалов. При этом, однако, стоит учитывать, что расположение атомов в различных веществах также может отличаться, что, в свою очередь, влияет на степень прочности. Так, например, алмаз и графит, имеющие в составе один и тот же атом углерода, в высшей мере отличаются друг от друга по показателям прочности: алмаз - на Земле, графит же может слоиться и ломаться. Дело в том, что в кристаллической решетке графита атомы расположены слоями. Каждый слой напоминает пчелиную соту, в которой атомы углерода сочленены достаточно слабо. Подобное строение обуславливает слоистое крошение грифелей карандаша: при поломке части графита попросту отслаиваются. Другое дело - алмаз, кристаллическая решетка которого состоит из возбужденных атомов углерода, то есть тех, что способны образовывать 4 прочных связи. Разрушить такое сочленение попросту невозможно.

Кристаллические решетки металлов, кроме того, обладают определенными характеристиками:

1. Период решетки - величина, определяющая расстояние между центрами двух рядом расположенных атомов, измеряемая по ребру решетки. Общепринятое обозначение не отличается от оного в математике: a, b, c - длина, ширина, высота решетки соответственно. Очевидно, что размеры фигуры столь малы, что расстояние измеряется в наименьших единицах измерения - десятой доли нанометра или ангстремах .

2. К - координационное число . Показатель, определяющий плотность упаковки атомов в рамках одной решетки. Соответственно, плотность ее тем больше, чем выше число К. По факту же данная цифра являет собой количество атомов, находящихся как можно ближе и на равном расстоянии от изучаемого атома.

3. Базис решетки . Также величина, характеризующая плотность решетки. Представляет собой общее число атомов, которые принадлежат конкретной изучаемой ячейке.

4. Коэффициент компактности измеряется путем подсчета общего объема решетки, поделенного на тот объем, что занимают все атомы в ней. Как и предыдущие две, эта величина отражает плотность изучаемой решетки.

Мы рассмотрели всего несколько веществ, которым свойственна атомная кристаллическая решетка. Меж тем, их великое множество. Несмотря на большое разнообразие, кристаллическая атомная решетка включает в себя единицы, всегда соединенные при помощи (полярной или неполярной). Кроме того, подобные вещества практически не растворяются в воде и характеризуются низкой теплопроводностью.

В природе существует три вида кристаллических решеток: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная, плотноупакованная гексагональная.

При осуществлении многих физических и химических реакций вещество переходит в твердое агрегатное состояние. При этом молекулы и атомы стремятся расположиться в таком пространственном порядке, при котором силы взаимодействия между частицами вещества были бы максимально сбалансированы. Этим и достигается прочность твердого вещества. Атомы, однажды заняв определенное положение, совершают небольшие колебательные движения, амплитуда которых зависит от температуры, но положение их в пространстве остается фиксированным. Силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга на определенном расстоянии.

Современные представления о строении вещества

Современная наука утверждает, что атом состоит из заряженного ядра, несущего положительный заряд, и электронов, несущих заряды отрицательные. Со скоростью несколько тысяч триллионов оборотов в секунду электроны вращаются по своим орбитам, создавая вокруг ядра электронное облако. Положительный заряд ядра численно равен отрицательному заряду электронов. Таким образом, атом вещества остается электрически нейтральным. Возможные взаимодействия с другими атомами происходят тогда, когда электроны отсоединяются от родного атома, тем самым нарушая электрический баланс. В одном случае атомы выстраиваются в определенном порядке, который и называется кристаллической решеткой. В другом - за счет сложного взаимодействия ядер и электронов соединяются в молекулы различного вида и сложности.

Определение кристаллической решетки

В совокупности различные типы кристаллических решеток веществ представляют собой сетки с различной пространственной ориентацией, в узлах которых располагаются ионы, молекулы или атомы. Это стабильное геометрическое пространственное положение и называется кристаллической решеткой вещества. Расстояние между узлами одной кристаллической ячейки называется периодом идентичности. Пространственные углы, под которыми расположены узлы ячейки, называются параметрами. По способу построения связей кристаллические решетки могу быть простыми, базоцентрированными, гранецентрированными и объемно-центрированными. Если частицы вещества расположены лишь в углах параллелепипеда, такая решетка называется простой. Пример такой решетки показан ниже:

Если, кроме узлов, частицы вещества расположены и в середине пространственных диагоналей, то такое построение частиц в веществе имеет название объемно-центрированной кристаллической решетки. На рисунке этот тип показан наглядно.

Если кроме узлов в вершинах решетки имеется узел и в месте, где пересекаются воображаемые диагонали параллелепипеда, то перед вами - гранецентрированный тип решетки.

Виды кристаллических решеток

Различные микрочастицы, из которых состоит вещество, определяют различные типы кристаллических решеток. Они могут определять принцип построения связи между микрочастицами внутри кристалла. Физические типы кристаллических решеток - ионные, атомные и молекулярные. Сюда же относятся различные типы кристаллических решеток металлов. Изучением принципов внутреннего строения элементов занимается химия. Типы кристаллических решеток подробнее представлены ниже.

Ионные кристаллические решетки

Данные типы кристаллических решеток присутствуют в соединениях с ионным типом связи. В этом случае узлы решетки содержат ионы, обладающие противоположным электрическим зарядом. Благодаря электромагнитному полю, силы межионного взаимодействия оказываются достаточно сильными, и это обуславливает физические свойства вещества. Обычными характеристиками являются тугоплавкость, плотность, твердость и возможность проводить электрический ток. Ионные типы кристаллических решеток имеются у таких веществ, как поваренная соль, нитрат калия и прочие.

Атомные кристаллические решетки

Этот тип строения вещества присущ элементам, структуру которых определяет ковалентная химическая связь. Типы кристаллических решеток подобного рода содержат в узлах отдельные атомы, связанные между собой крепкими ковалентными связями. Подобный тип связи возникает тогда, когда два одинаковых атома «делятся» электронами, тем самым образуют общую пару электронов для соседних атомов. Благодаря такому взаимодействию ковалентные связи равномерно и сильно связывают атомы в определенном порядке. Химические элементы, которые содержат атомные типы кристаллических решеток, обладают твердостью, высокой температурой плавления, плохо проводят электрический ток и химически неактивны. Классическими примерами элементов с подобным внутренним строением можно назвать алмаз, кремний, германий, бор.

Молекулярные кристаллические решетки

Вещества, имеющие молекулярный тип кристаллической решетки, представляют собой систему устойчивых, взаимодействующих, плотноупакованных между собой молекул, которые расположены в узлах кристаллической решетки. В подобных соединениях молекулы сохраняют свое пространственное положение в газообразной, жидкой и твердой фазе. В узлах кристалла молекулы удерживаются слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, которые в десятки раз слабее сил ионного взаимодействия.

Образующие кристалл молекулы могут быть как полярными, так и неполярными. Из-за спонтанного движения электронов и колебания ядер в молекулах электрическое равновесие может смещаться - так возникает мгновенный электрический момент диполя. Соответствующим образом ориентированные диполи создают силы притяжения в решетке. Двуокись углерода и парафин являются типичными примерами элементов с молекуляной кристаллической решеткой.

Металлические кристаллические решетки

Металлическая связь гибче и пластичней ионной, хотя может показаться, что обе они базируются на одном и том же принципе. Типы кристаллических решеток металлов объясняют их типичные свойства - такие, например, как механическая прочность, тепло- и электропроводность, плавкость.

Отличительной особенностью металлической кристаллической решетки является наличие положительно заряженных ионов металла (катионов) в узлах этой решетки. Между узлами находятся электроны, которые непосредственно участвуют в создании электрического поля вокруг решетки. Количество электронов, перемещающихся внутри этой кристаллической решетки, называется электронным газом.

При отсутствии электрического поля свободные электроны совершают хаотическое движение, беспорядочно взаимодействуя с ионами решетки. Каждое такое взаимодействие меняет импульс и направление движения отрицательно заряженной частицы. Своим электрическим полем электроны притягивают к себе катионы, уравновешивая их взаимное отталкивание. Хотя электроны считаются свободными, их энергии не хватает для того, чтобы покинуть кристаллическую решетку, поэтому эти заряженные частицы постоянно находятся в ее пределах.

Присутствие электрического поля придает электронному газу дополнительную энергию. Соединение с ионами в кристаллической решетке металлов не является прочным, поэтому электроны легко покидают ее пределы. Электроны двигаются по силовым линиям, оставляя позади положительно заряженные ионы.

Выводы

Огромное значение изучению внутреннего строения вещества уделяет химия. Типы кристаллических решеток различных элементов определяют практически весь спектр их свойств. Воздействуя на кристаллы и меняя их внутренне строение, можно добиться усиления нужных свойств вещества и удалить нежелательные, преобразовывать химические элементы. Таким образом, изучение внутренней структуры окружающего мира может помочь познать суть и принципы устройства мироздания.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Тип урока : Комбинированный.

Цель урока: Создать условия для формирования умения учащихся устанавливать причинно-следственную зависимость физических свойств веществ от вида химической связи и типа кристаллической решетки, предсказывать тип кристаллической решетки на основе физических свойств вещества.

Задачи урока:

• Сформировать понятия о кристаллическом и аморфном состоянии твердых тел, ознакомить учащихся с различными типами кристаллических решеток, установить зависимость физических свойств кристалла от характера химической связи в кристалле и типа кристаллической решетки, дать учащимся основные представления о влиянии природы химической связи и типов кристаллических решеток на свойства вещества.
• Продолжить формирование мировоззрения учащихся, рассмотреть взаимное влияние компонентов целого-структурных частиц веществ, в результате которого появляются новые свойства, воспитывать умения организовать свой учебный труд, соблюдать правила работы в коллективе.
• Развивать познавательный интерес школьников, используя проблемные ситуации;

Оборудование: Периодическая система Д.И. Менделеева, коллекция «Металлы», неметаллы: сера, графит, красный фосфор, кристаллический кремний, йод; Презентация «Типы кристаллических решёток», модели кристаллических решеток разных типов (поваренной соли, алмаза и графита, углекислого газа и йода, металлов), образцы пластмасс и изделий из них, стекло, пластилин, компьютер, проектор.

Ход урока

1. Организационный момент.

Учитель приветствует учеников, фиксирует отсутствующих.

2. Проверка знаний по темам” Химическая связь. Степень окисления”.

Самостоятельная работа (15 минут)

3. Изучение нового материала.

Учитель озвучивает тему урока и цель урока. (Слайд 1,2)

Учащиеся записывают в тетради дату, тему урок.

Актуализация знаний.

Учитель задаёт вопросы классу:

1. Какие виды частиц вы знаете? Имеют ли заряды ионы, атомы и молекулы?
2. Какие виды химических связей вы знаете?
3. Какие вам известны агрегатные состояния веществ?

Учитель: «Любое вещество может быть газом, жидкостью и твёрдым веществом. Например, вода. При обычных условиях – это жидкость, но она может быть паром и льдом. Или кислород при обычных условиях представляет собой газ, при температуре -1940 C он превращается в жидкость голубого цвета, а при температуре -218,8°C затвердевает в снегообразную массу, состоящую из кристаллов синего цвета. На этом уроке мы рассмотрим твёрдое состояние веществ: аморфное и кристаллическое». (Слайд 3)

Учитель: аморфные вещества не имеют чёткой температуры плавления – при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в текучее состояние. К аморфным веществам относят, например шоколад, который тает и в руках и во рту; жевательную резинку, пластилин, воск, пластмассы (показываются примеры таких веществ). (Слайд 7)

Кристаллические вещества имеют чёткую температуру плавления и, главное, характеризуются правильным расположением частиц в строго определенных точках пространства. (Слайды 5,6) При соединении этих точек прямыми линиями образуется пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой. Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки.

Учащиеся записывают в тетрадь определение: «Кристаллической решёткой называют совокупность точек пространства, в которых располагаются частицы, образующие кристалл. Точки, в которых размещаются частицы кристалла, называют узлами решётки».

В зависимости от того, какие виды частиц находятся в узлах этой решётки, различают 4 типа решёток. (Слайд 8) Если в узлах кристаллической решётки находятся ионы, то такая решётка называется ионной.

Учитель задаёт учащимся вопросы:

– Как будут называться кристаллические решётки, в узлах которых находятся атомы, молекулы?

Но есть кристаллические решётки, в узлах которых находятся и атомы, и ионы. Такие решётки называются металлическими.

Сейчас мы будем заполнять таблицу: «Кристаллические решётки, вид связи и свойства веществ». В ходе заполнения таблицы мы будем устанавливать взаимосвязь между типом решётки, видом связи между частицами и физическими свойствами твёрдых веществ.

Рассмотрим 1-й тип кристаллической решётки, которая называется ионной. (Слайд 9)

– Какая химическая связь в этих веществах?

Посмотрите на ионную кристаллическую решётку (показывается модель такой решётки). В её узлах находятся положительно и отрицательно заряженные ионы. Например, кристалл хлорида натрия построен из положительных ионов натрия и отрицательных хлорид-ионов, образующих решётку в форме куба. К веществам с ионной кристаллической решёткой относятся соли, оксиды и гидроксиды типичных металлов. Вещества с ионной кристаллической решёткой обладают высокой твёрдостью и прочностью, они тугоплавкие и нелетучие.

Учитель: Физические свойства веществ с атомной кристаллической решёткой те же, что и у веществ с ионной кристаллической решёткой, но часто в превосходной степени – очень твёрдые, очень прочные. Алмаз, у которого атомная кристаллическая решётка – самое твёрдое вещество из всех природных веществ. Он служит эталоном твёрдости, которая по 10-бальной системе оценивается высшим баллом 10.(Слайд 10). По этому типу кристаллической решётки вы сами внесёте необходимые сведения в таблицу, самостоятельно поработав с учебником.

Учитель: Рассмотрим 3-й тип кристаллической решётки, которая называется металлической. (Слайды 11,12) В узлах такой решётки находятся атомы и ионы, между которыми свободно перемещаются электроны, связывая их в единое целое.

Такое внутреннее строение металлов и определяет их характерные физические свойства.

Учитель: Какие физические свойства металлов вы знаете? (ковкость, пластичность, электро- и теплопроводность, металлический блеск).

Учитель: На какие группы делятся все вещества по строению? (Слайд 12)

Рассмотрим тип кристаллической решётки, которой обладают такие хорошо известные нам вещества как вода, углекислый газ, кислород, азот и другие. Она называется молекулярной. (Слайд14)

– Какие частицы располагаются в узлах этой решётки?

Химическая связь в молекулах, которые находятся в узлах решётки, может быть и ковалентная полярная, и ковалентная неполярная. Несмотря на то, что атомы внутри молекулы связаны очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому вещества с молекулярной кристаллической решёткой имеют малую твердость, низкие температуры плавления и летучие. Когда газообразные или жидкие вещества при особых условиях превращаются в твёрдые, тогда у них появляется молекулярная кристаллическая решётка. Примерами таких веществ может быть твёрдая вода – лёд, твёрдый углекислый газ – сухой лёд. Такую решётку имеет нафталин, который применяют для защиты шерстяных изделий от моли.

– Какими свойствами молекулярной кристаллической решётки обусловлено применение нафталина? (летучестью). Как видим, молекулярную кристаллическую решетку могут иметь не только твердые простые вещества: благородные газы, H 2 ,O 2 , N 2 , I 2 , O 3 , белый фосфор Р 4 , но и сложные : твердая вода, твердые хлороводород и сероводород. Большинство твердых органических соединений имеют молекулярные кристаллические решетки (нафталин, глюкоза,сахар).

В узлах решеток находятся неполярные или полярные молекулы. Несмотря на то, что атомы внутри молекул связаны прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного взаимодействия.

Вывод: Вещества непрочные, имеют малую твердость, низкую температуру плавления, летучи.

Вопрос: Какой процесс называется возгонкой или сублимацией?

Ответ: Переход вещества из твердого агрегатного состояния сразу в газообразное, минуя жидкое, называется возгонкой или сублимацией .

Демонстрация опыта: возгонка йода

Потом учащиеся по очереди называют сведения, которые они записали в таблицу.

Кристаллические решетки, вид связи и свойства веществ.

Учитель: Какой мы можем сделать вывод из проделанной работы по таблице?

Вывод 1: От типа кристаллической решётки зависят физические свойства веществ. Состав вещества → Вид химической связи → Тип кристаллической решетки → Свойства веществ. (Слайд 18).

Вопрос : Какой тип кристаллической решетки из рассмотренных выше не встречается в простых веществах?

Ответ: Ионные кристаллические решетки.

Вопрос : Какие кристаллические решетки характерны для простых веществ?

Ответ: Для простых веществ – металлов – металлическая кристаллическая решетка; для неметаллов – атомная или молекулярная.

Работа с Периодической системой Д.И. Менделеева.

Вопрос: Где в Периодической системе находятся элементы-металлы и почему? Элементы-неметаллы и почему?

Ответ : Если провести диагональ от бора до астата, то в нижнем левом углу от этой диагонали будут находиться элементы-металлы, т.к. на последнем энергетическом уровне они содержат от одного до трех электронов. Это элементы I A, II A, III A (кроме бора), а также олово и свинец, сурьма и все элементы побочных подгрупп.

Элементы-неметаллы находятся в верхнем правом углу от этой диагонали, т.к. на последнем энергетическом уровне содержат от четырех до восьми электронов. Это элементы IV A,V A, VI A, VII A, VIII A и бор.

Учитель: Давайте найдем элементы неметаллы, у которых простые вещества имеют атомную кристаллическую решетку (Ответ: С, В, Si) и молекулярную (Ответ: N, S, O , галогены и благородные газы )

Учитель : Сформулируйте вывод, как можно определить тип кристаллической решетки простого вещества в зависимости от положения элементов в Периодической системе Д.И.Менделеева.

Ответ: Для элементов-металлов, которые находятся в I A, II A, IIIA(кроме бора), а также олова и свинца, и всех элементов побочных подгрупп в простом веществе тип решетки-металлическая.

Для элементов-неметаллов IV A и бора в простом веществе кристаллическая решетка атомная; а у элементов V A, VI A, VII A, VIII A в простых веществах кристаллическая решетка молекулярная.

Продолжаем работать с заполненной таблицей.

Учитель : Посмотрите внимательно на таблицу. Какая закономерность прослеживается?

Внимательно слушаем ответы учеников, после чего вместе с классом делаем вывод. Вывод 2 (слайд 17)

4. Закрепление материала .

Тест (самоконтроль):

Вещества, имеющие молекулярную кристаллическую решётку, как правило:
a)Тугоплавки и хорошо растворимы в воде
б) Легкоплавки и летучи
в) Тверды и электропроводны
г) Теплопроводны и пластичны

Понятия «молекула» не применимопо отношению к структурной единице вещества:
a) Вода
б) Кислород
в) Алмаз
г) Озон

Атомная кристаллическая решётка характерна для:
a) Алюминия и графита
б) Серы и йода
в) Оксида кремния и хлорида натрия
г) Алмаза и бора

Если вещество хорошо растворимо в воде, имеет высокую температуру плавления, электропроводно, то его кристаллическая решётка:
а) Молекулярная
б) Атомная
в) Ионная
г) Металлическая

5. Рефлексия.

6. Домашнее задание.

Охарактеризуйте каждый вид кристаллической решётки по плану: Что в узлах кристаллической решётки, структурная единица → Тип химической связи между частицами узла → Силы взаимодействия между частицами кристалла → Физические свойства, обусловленные кристаллической решёткой → Агрегатное состояние вещества при обычных условиях → Примеры.

По формулам приведённых веществ: SiC, CS 2 , NaBr, C 2 H 2 – определите тип кристаллической решётки(ионная, молекулярная) каждого соединения и на основе этого опишите предполагаемые физические свойства каждого из четырёх веществ.