Урок 15 Получить доступ за 75 баллов Кристаллическое состояние веществ

Вы уже знакомы с разным агрегатным состоянием веществ: газообразным, жидким, твердым, а также переходами их из одного состояния в другое.

В твердом состоянии большинство веществ имеют кристаллическую структуру.

Для них характерна плотная упаковка их частиц в кристалле, эти частицы упорядочены.

Структура кристаллов разнообразна, но все они геометрически правильной формы.

Например, кристаллы поваренной соли имеют форму куба, горного хрусталя – форму тетраэдра, калийной селитры – призмы.

При определённых условиях из таких веществ можно получить монокристалл. Это кристалл гораздо большего размера, чем мы привыкли видеть, и самое главное, он представляет собой не множество кристаллов, спрессованных в один объём (такой кристалл называют «поликристаллом»), а тело с непрерывной кристаллической решёткой.

Кристаллами называют твердые тела с закономерным расположением в них частиц: атомов, молекул, ионов.

Внутреннее строение кристаллов характеризует их кристаллическая решетка – взаимное расположение атомов.

Кристаллическая решетка – это модель кристалла, его внутренний каркас.

Пересекающиеся прямые линии обозначают грани кристалла, а точки их пересечения – центры частиц, которые называются узлами кристаллической решетки.

В узлах расположены атомы, молекулы или ионы, стянутые в кристалл химическими связями.

Силы притяжения частиц в кристалле характеризуют энергию кристаллической решетки (обычно её измеряют в кДж/моль).

Любая кристаллическая решетка построена из повторяющихся одинаковых структурных единиц, индивидуальных для каждого кристалла.

Таковые называются элементарными ячейками.

Например, в кристалле хлорида натрия каждый ион окружен шестью ионами противоположного знака.

Элементарная ячейка – это предел делимости кристалла, наименьший его объем, при котором он сохраняет форму и свойства.

Кристаллические решётки бывают:

• молекулярные
• атомные (атомно- ковалентные)
• ионные
• металлические (атомно- металлические)

Остановимся на характеристике основных типов кристаллических решеток и установим зависимость от них свойств веществ.

Молекулярные кристаллические решетки– это решетки, в узлах которых расположены молекулы, связанные между собой слабыми силами межмолекулярного взаимодействия.

Примером вещества с молекулярной кристаллической решеткой может служить кристаллический оксид углерода (IV) CO₂ – «сухой лед».

С помощь сухого льда кулинары делают забавные представления, ведь он совершенно безопасен для здоровья!

Рассмотрим модель его кристаллической решетки.

В ее узлах находятся молекулы.

Многие вещества в твердом состоянии имеют молекулярную кристаллическую решетку, особенно органические (например, белки, углеводы, полимеры).

Атомы в их молекулах связаны прочными ковалентными связями.

Молекулы же в кристаллах стянуты слабыми межмолекулярными силами, которые легко разорвать.

Поэтому кристаллы с молекулярной решеткой обладают малой твердостью, легкоплавкие, летучие.

Молекулярные вещества легко переходят из одного агрегатного состояния в другое.

Примером может служить сублимация йода.

Сублимация – возгонка, переход из твердого состояния не в жидкое, а сразу в газообразное.

Йод – это твёрдый (при нормальных условиях) неметалл темно-фиолетового цвета.

При нагревании йод не плавится, а возгоняется: сразу переходит в газообразное состояние.

Атомные кристаллические решетки – решетки, в которых расположены атомы, стянутые в кристалле прочными ковалентными связями.

Атомных кристаллов сравнительно немного.

Примерами таких твердых веществ служат как простые вещества: алмаз, кремний; так и сложные вещества: карбид кальция, сульфид цинка, диоксид кремния и др.

Так, например, кристалл алмаза имеет форму тетраэдра.

Следовательно, структурную его единицу представляет тетраэдр.

В центре его ячейки расположен атом углерода, прочно связанный с четырьмя другими атомами углерода с помощью электронных пар.

Все связи одинаковы, как и углы, образующиеся между атомами.

Именно благодаря ковалентным связям атомные кристаллы имеют высокую твёрдость и температуру плавления.

Именно тот факт, что в алмазе каждый атом связан четырьмя ковалентными связями, и объясняет столь высокую его твёрдость.

Ионные кристаллические решетки – это решетки, в узлах которых расположены ионы с противоположными зарядами.

Связь между ионами осуществляется за счет электростатических сил притяжения.

Типичный представитель веществ с такой решеткой – поваренная соль (схематичное изображение решетки поваренной соли есть выше в этом уроке).

Ионные кристаллические решетки характерны для многих соединений с ионной связью. Это соли щелочных и щелочно-земельных металлов, щёлочи.

Ионные кристаллы отличаются высокой твердостью и температурой плавления, малой летучестью. По физическим свойствам они сходны с атомными кристаллами.

Металлические кристаллические решетки присущи простым веществам – металлам. Подробно они будут рассмотрены позже.

Многие простые и сложные вещества имеют кристаллическую структуру.

Для них характерны закономерное расположение частиц в трехмерном пространстве и строгая правильная геометрическая форма кристаллов. Свойства таких веществ зависят не только от строения образующих их атомов и характера их химической связи, но и от кристаллической структуры веществ.

Определить тип кристаллической решетки вещества поможет таблица:

Выводы:

1. Если вещество состоит из одного металла, то решетка металлическая.
2. Если в составе вещества нет металла, либо оно органическое, то решетка молекулярная. Исключение составляют С (алмаз и графит) и Р (черный фосфор), имеющие атомную решетку.
3. Если в составе вещества есть металл 1, 2, 3 групп главных подгрупп, то решетка ионная.
4. Если в составе вещества есть металл не из 1, 2, 3 групп главных подгрупп, то решетка атомная. Так же атомную решетку имеют простые вещества С (алмаз и графит) и Р (черный фосфор).

Исходя из сказанного выше составим обобщающую таблицу:

Химики постоянно совершенствуют возможности по установлению структуры веществ.

Конечно, с помощью обычного микроскопа не определишь, какое строение имеет кристаллическая решетка какого-либо вещества.

С древних времен людям помогала природа.

Горные породы формировались многие тысячелетия внутри земной коры под высоким давлением, в результате чего сформировались монокристаллы.

Форма этих монокристаллов совпадает с формой кристаллической решетки вещества.

Также при определенных условиях можно самостоятельно вырастить монокристаллы многих веществ.

Опыты этого типа весьма популярны, а наборы для выращивания кристаллов можно купить в магазинах.

При этом образующиеся монокристаллы имеют ту же форму, что и элементарная ячейка кристалла.

С развитием физики совершенствовались и методы анализа веществ.

Химические методы для определения структуры вещества не подходят – они разрушают вещество и, следовательно, его структуру. 

Одним из первых методов, позволяющих увидеть вещество в очень большом приближении, является электронная микроскопия.

В данном методе используют электронный микроскоп, увеличивающий объекты в миллионы раз.

Первые такие приборы появились в 1939 г.

Электронный микроскоп вместо видимого света использует пучок электронов, которые после прохождения через вещество попадают на фиксирующую их матрицу, и она уже преобразует поток электронов в видимую глазу картинку.

С помощью этого прибора можно увидеть большие молекулы, например, молекулы белков.

Наиболее распространенным экспериментальным методом установления структуры веществ является рентгеноструктурный анализ.

Он основан на изучении характера рассеивания (дифракции) рентгеновских лучей, направляемых на исследуемый кристалл, которые частично поглощаются кристалломи, попадая на его плоскости, и отражаются в определенных направлениях - другие проходят насквозь.

С помощью рентгеновского спектрометра лучи направляются на кристалл, укрепленный на вращающемся столике.

Отраженные от него лучи фиксируются и полученная картина рассеивания позволяет путем расчетов получить подробные сведения о расположении узлов в кристаллической решетке, о расстояниях между ее плоскостями, о структуре кристалла в целом.

Анализ дифракционной картины кристалла и расчеты по ней довольно сложны, а потому в этом методе широко используют компьютеры.

Наиболее современными методами являются ядерный магнитный резонанс и электронный парамагнитный резонанс.

В этих методах используют поглощение электромагнитных волн ядрами атомов.

При этом степень поглощения зависит не только от химического элемента поглощающего атома, но и от того, атомы каких элементов находятся вокруг него.

Анализируя характер поглощения волн веществом, химики и физики делают вывод о его строении.