Molekularni ionski atom. Kristalne rešetke – Hipermarket znanja

Hemija je neverovatna nauka. Toliko nevjerovatnih stvari može se naći u naizgled običnim stvarima.

Sve materijalno što nas svuda okružuje postoji u nekoliko agregatnih stanja: gasovi, tečnosti i čvrste materije. Naučnici su identifikovali i 4. - plazmu. Na određenoj temperaturi, supstanca može preći iz jednog stanja u drugo. Na primjer, voda: kada se zagrije iznad 100, iz tečnog oblika prelazi u paru. Na temperaturama ispod 0, pretvara se u sljedeću agregatnu strukturu - led.

Čitav materijalni svijet sadrži masu identičnih čestica koje su međusobno povezane. Ovi najmanji elementi strogo su poređani u prostoru i čine takozvani prostorni okvir.

Definicija

Kristalna rešetka je posebna struktura čvrste tvari u kojoj čestice stoje u geometrijski strogom redu u prostoru. U njemu možete pronaći čvorove - mjesta gdje se nalaze elementi: atomi, joni i molekuli i internodalni prostor.

Čvrste materije, ovisno o rasponu visokih i niskih temperatura, su kristalni ili amorfni - karakterizira ih odsustvo određene točke topljenja. Kada su izloženi povišenim temperaturama, omekšaju i postepeno prelaze u tečni oblik. Ove vrste tvari uključuju: smolu, plastelin.

S tim u vezi, može se podijeliti u nekoliko tipova:

• atomski;
• jonski;
• molekularni;
• metal.

Ali na različitim temperaturama, jedna tvar može imati različite oblike i pokazati različita svojstva. Ovaj fenomen se naziva alotropska modifikacija.

Atomski tip

Kod ovog tipa čvorovi sadrže atome određene tvari koji su povezani kovalentnim vezama. Ovu vrstu veze formira par elektrona iz dva susjedna atoma. Zahvaljujući tome, povezani su ravnomjerno i po strogom redoslijedu.

Supstance sa atomskom kristalnom rešetkom karakterišu sledeća svojstva: čvrstoća i visoka tačka topljenja. Ova vrsta veze prisutna je u dijamantu, silicijumu i boru..

Jonski tip

Suprotno nabijeni ioni nalaze se na čvorovima koji stvaraju elektromagnetno polje koje karakterizira fizička svojstva tvari. To će uključivati: električnu provodljivost, vatrostalnost, gustinu i tvrdoću. Kuhinjska so i kalijum nitrat karakteriše prisustvo jonske kristalne rešetke.

Ne propustite: mehanizam edukacije, konkretni primjeri.

Molekularni tip

U čvorovima ovog tipa nalaze se joni međusobno povezani van der Waalsovim silama. Zbog slabih međumolekularnih veza, tvari poput leda, ugljičnog dioksida i parafina karakteriziraju plastičnost, električna i toplinska provodljivost.

Metalni tip

Njegova struktura podsjeća na molekularnu, ali ipak ima jače veze. Razlika između ovog tipa je u tome što njegovi čvorovi sadrže pozitivno nabijene katione. Elektroni koji se nalaze u međuprostoru prostora, učestvuju u formiranju električnog polja. Nazivaju se i električnim gasom.

Jednostavne metale i legure karakterizira tip metalne rešetke. Karakterizira ih prisustvo metalnog sjaja, plastičnost, toplinska i električna provodljivost. Mogu se topiti na različitim temperaturama.

Čvrste tvari obično imaju kristalnu strukturu. Odlikuje se pravilnim rasporedom čestica na strogo određenim tačkama u prostoru. Kada se ove tačke mentalno povežu pravim linijama koje se seku, formira se prostorni okvir koji se naziva kristalna rešetka.

Tačke na kojima se nalaze čestice nazivaju se čvorovi kristalne rešetke. Čvorovi zamišljene rešetke mogu sadržavati ione, atome ili molekule. Oni prave oscilatorne pokrete. Sa povećanjem temperature povećava se amplituda oscilacija, što se očituje u toplinskom širenju tijela.

Ovisno o vrsti čestica i prirodi veze između njih, razlikuju se četiri tipa kristalnih rešetki: ionske, atomske, molekularne i metalne.

Kristalne rešetke koje se sastoje od jona nazivaju se jonskim. Nastaju od tvari s ionskim vezama. Primjer je kristal natrijum hlorida, u kojem je, kao što je već navedeno, svaki natrijev ion okružen sa šest hloridnih jona, a svaki hloridni ion sa šest natrijevih jona. Ovaj raspored odgovara najgušćem pakovanju ako su ioni predstavljeni kao sfere koje se nalaze u kristalu. Vrlo često su kristalne rešetke prikazane kao što je prikazano na slici, gdje su naznačeni samo relativni položaji čestica, ali ne i njihove veličine.

Broj najbližih susjednih čestica u neposrednoj blizini date čestice u kristalu ili u pojedinačnoj molekuli naziva se koordinacijski broj.

U rešetki natrijum hlorida koordinacioni brojevi oba jona su 6. Dakle, u kristalu natrijum hlorida nemoguće je izolovati pojedinačne molekule soli. Ne postoji nijedan od njih. Cijeli kristal treba posmatrati kao džinovsku makromolekulu koja se sastoji od jednakog broja Na + i Cl - jona, Na n Cl n, gdje je n veliki broj. Veze između jona u takvom kristalu su vrlo jake. Stoga tvari s jonskom rešetkom imaju relativno visoku tvrdoću. Vatrostalni su i nisko leteći.

Topljenje ionskih kristala dovodi do narušavanja geometrijski ispravne orijentacije jona jedan u odnosu na druge i smanjenja jačine veze između njih. Stoga njihove taline provode električnu struju. Jonska jedinjenja se općenito lako otapaju u tekućinama koje se sastoje od polarnih molekula, kao što je voda.

Kristalne rešetke, u čijim čvorovima se nalaze pojedinačni atomi, nazivaju se atomske. Atomi u takvim rešetkama su međusobno povezani jakim kovalentnim vezama. Primjer je dijamant, jedna od modifikacija ugljika. Dijamant se sastoji od atoma ugljika, od kojih je svaki vezan za četiri susjedna atoma. Koordinacioni broj ugljenika u dijamantu je 4 . U dijamantskoj rešetki, kao iu rešetki natrijum hlorida, nema molekula. Cijeli kristal treba posmatrati kao džinovski molekul. Atomska kristalna rešetka je karakteristična za čvrsti bor, silicijum, germanijum i spojeve nekih elemenata sa ugljenikom i silicijumom.

Kristalne rešetke koje se sastoje od molekula (polarnih i nepolarnih) nazivaju se molekularnim.

Molekule u takvim rešetkama su međusobno povezane relativno slabim intermolekularnim silama. Stoga tvari s molekularnom rešetkom imaju nisku tvrdoću i niske točke topljenja, nerastvorljive su ili slabo topljive u vodi, a njihove otopine gotovo ne provode električnu struju. Broj neorganskih supstanci s molekularnom rešetkom je mali.

Primjeri za njih su led, čvrsti ugljični monoksid (IV) („suhi led“), čvrsti vodonik halogenidi, čvrste proste supstance formirane od jednog- (plemeniti gasovi), dva- (F 2, Cl 2, Br 2, I 2, H 2 , O 2 , N 2), tri- (O 3), četiri- (P 4), osam- (S 8) atomskih molekula. Molekularna kristalna rešetka joda prikazana je na Sl. . Većina kristalnih organskih spojeva ima molekularnu rešetku.

Većinu supstanci karakteriše sposobnost, u zavisnosti od uslova, da budu u jednom od tri agregatna stanja: čvrstom, tečnom ili gasovitom.

Na primjer, voda pri normalnom pritisku u temperaturnom opsegu 0-100 o C je tečnost, na temperaturama iznad 100 o C može postojati samo u gasovitom stanju, a na temperaturama ispod 0 o C je čvrsta.
Supstance u čvrstom stanju dijele se na amorfne i kristalne.

Karakteristična karakteristika amorfnih supstanci je odsustvo jasne tačke topljenja: njihova fluidnost se postepeno povećava sa povećanjem temperature. Amorfne supstance uključuju spojeve kao što su vosak, parafin, većina plastike, staklo itd.

Ipak, kristalne supstance imaju specifičnu tačku topljenja, tj. tvar s kristalnom strukturom prelazi iz čvrstog u tekuće stanje ne postepeno, već naglo, nakon postizanja određene temperature. Primjeri kristalnih supstanci uključuju kuhinjsku so, šećer i led.

Razlika u fizičkim svojstvima amorfnih i kristalnih čvrstih materija prvenstveno je posledica strukturnih karakteristika takvih supstanci. Koja je razlika između tvari u amorfnom i kristalnom stanju najlakše je razumjeti iz sljedeće ilustracije:

Kao što vidite, u amorfnoj tvari, za razliku od kristalne, nema reda u rasporedu čestica. Ako u kristalnoj supstanci mentalno povežete dva atoma blizu jedan drugom ravnom linijom, možete otkriti da će iste čestice ležati na ovoj liniji u strogo određenim intervalima:

Dakle, u slučaju kristalnih supstanci, možemo govoriti o takvom konceptu kao što je kristalna rešetka.

Kristalna rešetka naziva se prostorni okvir koji povezuje tačke u prostoru u kojima se nalaze čestice koje formiraju kristal.

Tačke u prostoru na kojima se nalaze čestice koje formiraju kristal nazivaju se čvorovi kristalne rešetke .

Ovisno o tome koje se čestice nalaze na čvorovima kristalne rešetke, razlikuju se: molekularni, atomski, jonski I metalne kristalne rešetke .

U čvorovima molekularne kristalne rešetke

Postoje molekuli unutar kojih su atomi povezani jakim kovalentnim vezama, ali se sami molekuli drže jedan blizu drugog slabim intermolekularnim silama. Zbog tako slabih međumolekularnih interakcija, kristali s molekularnom rešetkom su krhki. Takve supstance se razlikuju od supstanci sa drugim tipovima strukture po znatno nižim tačkama topljenja i ključanja, ne provode električnu struju i mogu se, ali ne moraju, rastvoriti u različitim otapalima. Otopine takvih jedinjenja mogu ili ne moraju provoditi električnu struju, ovisno o klasi jedinjenja. Jedinjenja s molekularnom kristalnom rešetkom uključuju mnoge jednostavne tvari - nemetale (očvrsli H 2, O 2, Cl 2, ortorombni sumpor S 8, bijeli fosfor P 4), kao i mnoge složene tvari - vodikova jedinjenja nemetala, kiseline, oksidi nemetala, većina organskih tvari. Treba napomenuti da ako je tvar u plinovitom ili tekućem stanju, neprikladno je govoriti o molekularnoj kristalnoj rešetki: ispravnije je koristiti termin molekularni tip strukture.

U čvorovima atomska kristalna rešetka

postoje atomi. Štaviše, svi čvorovi takve kristalne rešetke su "povezani" zajedno jakim kovalentnim vezama u jedan kristal. U stvari, takav kristal je jedan divovski molekul. Zbog svojih strukturnih karakteristika, sve supstance sa atomskom kristalnom rešetkom su čvrste, imaju visoke tačke topljenja, hemijski su neaktivne, nerastvorljive ni u vodi ni u organskim rastvaračima, a njihove taline ne provode električnu struju. Treba imati na umu da tvari s atomskom strukturom uključuju bor B, ugljik C (dijamant i grafit), silicijum Si iz jednostavnih supstanci i silicijum dioksid SiO 2 (kvarc), silicijum karbid SiC, bor nitrid BN iz složenih supstanci.

Za supstance sa jonska kristalna rešetka

mjesta rešetke sadrže ione povezane jedni s drugima preko jonskih veza.
Budući da su jonske veze prilično jake, tvari s ionskom rešetkom imaju relativno visoku tvrdoću i vatrostalnost. Najčešće su topljivi u vodi, a njihove otopine, poput taline, provode električnu struju.
Supstance s ionskom kristalnom rešetkom uključuju soli metala i amonijuma (NH 4 +), baze i metalne okside. Siguran znak ionske strukture supstance je prisustvo u njenom sastavu i atoma tipičnog metala i nemetala.

uočeno u kristalima slobodnih metala, na primjer, natrijum Na, gvožđe Fe, magnezijum Mg, itd. U slučaju metalne kristalne rešetke, njeni čvorovi sadrže katione i atome metala, između kojih se kreću elektroni. U ovom slučaju, pokretni elektroni se periodično vežu za katione, neutrališući na taj način njihov naboj, a pojedinačni neutralni atomi metala zauzvrat „oslobađaju“ neke od svojih elektrona, pretvarajući se, zauzvrat, u katione. Zapravo, "slobodni" elektroni ne pripadaju pojedinačnim atomima, već cijelom kristalu.

Takve strukturne karakteristike dovode do činjenice da metali dobro provode toplinu i električnu struju i često imaju visoku duktilnost (savitljivost).
Rasprostranjenost temperatura topljenja metala je veoma velika. Na primjer, tačka topljenja žive je približno minus 39 ° C (tečnost u normalnim uvjetima), a volframa je 3422 ° C. Treba napomenuti da su u normalnim uslovima svi metali osim žive čvrste materije.

Većina čvrstih materija ima kristalna struktura, u kojem su čestice od kojih je „sagrađena“ u određenom redoslijedu, stvarajući tako kristalna rešetka. Građena je od ponavljajućih identičnih strukturnih jedinica - jedinične ćelije, koji komunicira sa susjednim ćelijama, formirajući dodatne čvorove. Kao rezultat, postoji 14 različitih kristalnih rešetki.

Vrste kristalnih rešetki.

Ovisno o česticama koje stoje na čvorovima rešetke, razlikuju se:

• metalna kristalna rešetka;
• ionska kristalna rešetka;
• molekularna kristalna rešetka;
• makromolekularna (atomska) kristalna rešetka.

Metalna veza u kristalnim rešetkama.

Jonski kristali imaju povećanu krhkost, jer pomak u kristalnoj rešetki (čak i neznatan) dovodi do činjenice da se slično nabijeni ioni počinju međusobno odbijati, a veze pucaju, pucaju i cijepaju se.

Molekularno vezivanje kristalnih rešetki.

Glavna karakteristika intermolekularne veze je njena "slabost" (van der Waals, vodonik).

Ovo je struktura leda. Svaki molekul vode povezan je vodoničnim vezama sa 4 molekula koji ga okružuju, što rezultira tetraedarskom strukturom.

Vodikova veza objašnjava visoku tačku ključanja, tačku topljenja i nisku gustinu;

Makromolekularna veza kristalnih rešetki.

Na čvorovima kristalne rešetke nalaze se atomi. Ovi kristali se dijele na 3 vrste:

• okvir;
• lanac;
• slojevitih struktura.

Struktura okvira dijamant je jedna od najtvrđih supstanci u prirodi. Atom ugljika formira 4 identične kovalentne veze, što ukazuje na oblik pravilnog tetraedra ( sp 3 - hibridizacija). Svaki atom ima usamljeni par elektrona, koji se takođe može povezati sa susjednim atomima. Kao rezultat toga, formira se trodimenzionalna rešetka u čijim se čvorovima nalaze samo atomi ugljika.

Za uništavanje takve strukture potrebno je mnogo energije; tačka topljenja takvih jedinjenja je visoka (za dijamant je 3500°C).

Slojevite strukture govore o prisutnosti kovalentnih veza unutar svakog sloja i slabih van der Waalsovih veza između slojeva.

Pogledajmo primjer: grafit. Svaki atom ugljika je unutra sp 2 - hibridizacija. Četvrti nespareni elektron formira van der Waalsovu vezu između slojeva. Stoga je 4. sloj vrlo mobilan:

Veze su slabe, pa se lako raskidaju, što se može uočiti u olovci - “svojstvo pisanja” – 4. sloj ostaje na papiru.

Grafit je odličan provodnik električne struje (elektroni se mogu kretati duž ravnine sloja).

Lančane strukture imaju okside (npr. SO 3 ), koji se kristalizira u obliku sjajnih iglica, polimera, nekih amorfnih tvari, silikata (azbest).

Instrukcije

Kao što možete lako pretpostaviti iz samog imena, metalni tip rešetke nalazi se u metalima. Ove supstance se obično odlikuju visokom tačkom topljenja, metalnim sjajem, tvrdoćom i dobri su provodnici električne struje. Zapamtite da mjesta rešetke ovog tipa sadrže ili neutralne atome ili pozitivno nabijene ione. U prostorima između čvorova nalaze se elektroni, čija migracija osigurava visoku električnu provodljivost takvih tvari.

Jonski tip kristalne rešetke. Treba imati na umu da je također svojstven solima. Karakteristika - kristali poznate kuhinjske soli, natrijum hlorida. Pozitivno i negativno nabijeni ioni naizmjenično se izmjenjuju na mjestima takvih rešetki. Takve tvari su obično vatrostalne i imaju nisku isparljivost. Kao što možete pretpostaviti, oni su jonskog tipa.

Atomski tip kristalne rešetke svojstven je jednostavnim supstancama - nemetalima, koji su u normalnim uvjetima čvrste tvari. Na primjer, sumpor, fosfor,... Na mjestima takvih rešetki nalaze se neutralni atomi međusobno povezani kovalentnim kemijskim vezama. Takve tvari karakteriziraju vatrostalnost i nerastvorljivost u vodi. Neki (na primjer, ugljenik u obliku) imaju izuzetno visoku tvrdoću.

Konačno, posljednja vrsta rešetke je molekularna. Nalazi se u supstancama koje su u normalnim uslovima u tečnom ili gasovitom obliku. Kao što se opet može lako razumjeti iz, u čvorovima takvih rešetki postoje molekuli. Mogu biti ili nepolarni (za jednostavne plinove kao što su Cl2, O2) ili polarni (najpoznatiji primjer je voda H2O). Supstance sa ovom vrstom rešetke ne provode struju, isparljive su i imaju niske tačke topljenja.

Izvori:

• vrsta rešetke

Temperatura topljenječvrste supstance se meri da bi se utvrdila njena čistoća. Nečistoće u čistoj tvari obično snižavaju temperaturu topljenje ili povećati interval tokom kojeg se jedinjenje topi. Kapilarna metoda je klasična metoda za kontrolu nečistoća.

Trebaće ti

• - ispitivana supstanca;
• - staklena kapilara, zatvorena na jednom kraju (prečnik 1 mm);
• - staklena cijev prečnika 6-8 mm i dužine najmanje 50 cm;
• - grijani blok.

Instrukcije

Prethodno osušenu ispitivanu tvar samljeti u malteru dok ne bude fina. Pažljivo uzmite kapilaru i uronite otvoreni kraj u supstancu, a dio bi trebao pasti u kapilaru.

Stavite staklenu epruvetu okomito na tvrdu površinu i nekoliko puta upustite kapilaru kroz nju, zatvorenim krajem nadole. To pomaže kompaktiranju tvari. Da bi se odredila temperatura, stupac tvari u kapilari trebao bi biti oko 2-5 mm.

Stavite kapilarni termometar u zagrijani blok i promatrajte promjene u ispitivanoj tvari kako temperatura raste. Prije i za vrijeme grijanja, termometar ne smije dodirivati ​​zidove bloka ili druge vrlo vruće površine, inače može puknuti.

Obratite pažnju na temperaturu na kojoj se pojavljuju prve kapi u kapilari (početak topljenje), i temperaturu na kojoj nestaju posljednje tvari (kraj topljenje). U tom intervalu tvar počinje opadati sve dok se potpuno ne pretvori u tekuće stanje. Prilikom obavljanja analize, također potražite promjene ili raspadanje tvari.

Ponovite mjerenja još 1-2 puta. Rezultate svakog mjerenja predstaviti u obliku odgovarajućeg temperaturnog intervala tokom kojeg supstanca prelazi iz čvrstog u tečnost. Na kraju analize donijeti zaključak o čistoći ispitivane tvari.

Video na temu

U kristalima su hemijske čestice (molekule, atomi i ioni) raspoređene u određenom redosledu; pod određenim uslovima formiraju pravilne simetrične poliedre. Postoje četiri vrste kristalnih rešetki - jonske, atomske, molekularne i metalne.

Kristali

Kristalno stanje karakterizira prisustvo dalekosežnog reda u rasporedu čestica, kao i simetrija kristalne rešetke. Čvrsti kristali su trodimenzionalne formacije u kojima se isti strukturni element ponavlja u svim smjerovima.

Ispravan oblik kristala je određen njihovom unutrašnjom strukturom. Ako molekule, atome i ione u njima zamijenite tačkama umjesto težišta ovih čestica, dobićete trodimenzionalnu pravilnu raspodjelu - . Ponavljajući elementi njegove strukture nazivaju se elementarne ćelije, a tačke se nazivaju čvorovi kristalne rešetke. Postoji nekoliko vrsta kristala u zavisnosti od čestica koje ih formiraju, kao i od prirode hemijske veze između njih.

Jonske kristalne rešetke

Jonski kristali formiraju anione i katione, između kojih se nalaze. Ova vrsta kristala uključuje soli većine metala. Svaki kation privlači anion i odbija ga drugi kationi, tako da je nemoguće izolovati pojedinačne molekule u ionskom kristalu. Kristal se može smatrati jednim ogromnim, a njegova veličina nije ograničena, sposoban je da veže nove ione.

Atomske kristalne rešetke

U atomskim kristalima pojedinačni atomi su ujedinjeni kovalentnim vezama. Poput jonskih kristala, oni se također mogu smatrati ogromnim molekulima. U isto vrijeme, atomski kristali su vrlo tvrdi i izdržljivi, te slabo provode električnu energiju i toplinu. Praktično su nerastvorljivi i karakteriše ih niska reaktivnost. Supstance sa atomskim rešetkama tope se na veoma visokim temperaturama.

Molekularni kristali

Molekularne kristalne rešetke formiraju se od molekula čiji su atomi ujedinjeni kovalentnim vezama. Zbog toga slabe molekularne sile djeluju između molekula. Takve kristale karakteriše niska tvrdoća, niska tačka topljenja i visoka fluidnost. Tvari koje tvore, kao i njihove taline i otopine, ne provode dobro električnu struju.

Metalne kristalne rešetke

U metalnim kristalnim rešetkama atomi su raspoređeni sa maksimalnom gustinom, njihove veze su delokalizovane i prostiru se kroz ceo kristal. Takvi kristali su neprozirni, imaju metalni sjaj, lako se deformišu i dobri su provodnici struje i toplote.

Ova klasifikacija opisuje samo granične slučajeve; većina kristala anorganskih supstanci pripada međutipovima - molekularno-kovalentni, kovalentni itd. Primjer je kristal grafita, unutar svakog sloja ima kovalentno-metalne veze, a između slojeva postoje molekularne .

Izvori:

• alhimik.ru, Solids

Dijamant je mineral koji pripada jednoj od alotropskih modifikacija ugljika. Posebnost mu je visoka tvrdoća, što mu s pravom donosi titulu najtvrđe supstance. Dijamant je prilično rijedak mineral, ali je istovremeno i najrašireniji. Njegova izuzetna tvrdoća nalazi svoju primenu u mašinstvu i industriji.

Instrukcije

Dijamant ima atomsku kristalnu rešetku. Atomi ugljika koji čine osnovu molekule raspoređeni su u obliku tetraedra, zbog čega dijamant ima tako veliku čvrstoću. Svi atomi su povezani jakim kovalentnim vezama, koje se formiraju na osnovu elektronske strukture molekula.

Atom ugljenika ima sp3 hibridizovane orbitale koje su pod uglom od 109 stepeni i 28 minuta. Preklapanje hibridnih orbitala se dešava u pravoj liniji u horizontalnoj ravni.

Dakle, kada se orbitale preklapaju pod takvim uglom, centrira se