Chemie ist eine erstaunliche Wissenschaft. So viele unglaubliche Dinge können in scheinbar gewöhnlichen Dingen gefunden werden.

Alles Materielle, was uns überall umgibt, existiert in mehreren Aggregatzuständen: Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe. Wissenschaftler haben auch das 4. Plasma identifiziert. Bei einer bestimmten Temperatur kann ein Stoff von einem Zustand in einen anderen übergehen. Zum Beispiel Wasser: Wenn es über 100 °C erhitzt wird, verwandelt es sich von der flüssigen Form in Dampf. Bei Temperaturen unter 0°C wandelt es sich in die nächste Aggregatstruktur um – Eis.

Die gesamte materielle Welt enthält eine Masse identischer Teilchen, die miteinander verbunden sind. Diese kleinsten Elemente sind streng im Raum aufgereiht und bilden den sogenannten Raumrahmen.

Definition

Ein Kristallgitter ist eine spezielle Struktur eines Festkörpers, in der die Teilchen in einer geometrisch strengen Ordnung im Raum stehen. Darin finden Sie Knoten – Orte, an denen sich Elemente befinden: Atome, Ionen und Moleküle sowie der Internodenraum.

Feststoffe Je nach Bereich der hohen und niedrigen Temperaturen sind sie kristallin oder amorph – sie zeichnen sich durch das Fehlen eines bestimmten Schmelzpunkts aus. Bei erhöhter Temperatur werden sie weicher und gehen nach und nach in eine flüssige Form über. Zu diesen Substanzen gehören: Harz, Plastilin.

In dieser Hinsicht kann es in mehrere Typen unterteilt werden:

• atomar;
• ionisch;
• molekular;
• Metall.

Bei unterschiedlichen Temperaturen kann ein Stoff jedoch unterschiedliche Formen annehmen und unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Dieses Phänomen wird als allotrope Modifikation bezeichnet.

Atomtyp

Bei diesem Typ enthalten die Knoten Atome einer bestimmten Substanz, die durch kovalente Bindungen verbunden sind. Diese Art von Bindung wird durch ein Elektronenpaar zweier benachbarter Atome gebildet. Dadurch werden sie gleichmäßig und in einer strengen Reihenfolge verbunden.

Stoffe mit einem atomaren Kristallgitter zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus: Festigkeit und hoher Schmelzpunkt. Diese Bindungsart kommt in Diamant, Silizium und Bor vor..

Ionischer Typ

An Knotenpunkten befinden sich entgegengesetzt geladene Ionen, die ein elektromagnetisches Feld erzeugen, das die physikalischen Eigenschaften eines Stoffes charakterisiert. Dazu gehören: elektrische Leitfähigkeit, Feuerfestigkeit, Dichte und Härte. Kochsalz und Kaliumnitrat zeichnen sich durch das Vorhandensein eines ionischen Kristallgitters aus.

Nicht verpassen: Bildungsmechanismen, konkrete Beispiele.

Molekularer Typ

In Knoten dieses Typs sind Ionen durch Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden. Aufgrund schwacher intermolekularer Bindungen zeichnen sich Stoffe wie Eis, Kohlendioxid und Paraffin durch Plastizität, elektrische und thermische Leitfähigkeit aus.

Metalltyp

Seine Struktur ähnelt einer molekularen, weist aber dennoch stärkere Bindungen auf. Der Unterschied zwischen diesem Typ besteht darin, dass seine Knoten positiv geladene Kationen enthalten. Elektronen, die sich im Zwischenraum befinden Raum, nehmen an der Bildung des elektrischen Feldes teil. Sie werden auch Elektrogas genannt.

Einfache Metalle und Legierungen zeichnen sich durch einen Metallgittertyp aus. Sie zeichnen sich durch metallischen Glanz, Plastizität sowie thermische und elektrische Leitfähigkeit aus. Sie können bei unterschiedlichen Temperaturen schmelzen.

Wie wir bereits wissen, kann ein Stoff in drei Aggregatzuständen existieren: gasförmig, hart Und flüssig. Sauerstoff, der unter normalen Bedingungen im gasförmigen Zustand vorliegt, verwandelt sich bei einer Temperatur von -194 °C in eine bläuliche Flüssigkeit und bei einer Temperatur von -218,8 °C in eine schneeartige Masse mit blauen Kristallen.

Der Temperaturbereich für die Existenz eines Stoffes im festen Zustand wird durch den Siede- und Schmelzpunkt bestimmt. Feststoffe sind kristallin Und amorph.

U amorphe Substanzen Es gibt keinen festen Schmelzpunkt – beim Erhitzen erweichen sie allmählich und gehen in einen flüssigen Zustand über. In diesem Zustand finden sich beispielsweise verschiedene Harze und Plastilin.

Kristalline Substanzen Sie zeichnen sich durch die regelmäßige Anordnung der Teilchen, aus denen sie bestehen: Atome, Moleküle und Ionen, an genau definierten Punkten im Raum aus. Wenn diese Punkte durch gerade Linien verbunden werden, entsteht ein räumliches Gerüst, man spricht von einem Kristallgitter. Die Punkte, an denen sich Kristallpartikel befinden, werden genannt Gitterknoten.

Die Knoten des Gitters, die wir uns vorstellen, können Ionen, Atome und Moleküle enthalten. Diese Teilchen führen oszillierende Bewegungen aus. Mit zunehmender Temperatur vergrößert sich auch die Reichweite dieser Schwingungen, was zu einer thermischen Ausdehnung von Körpern führt.

Abhängig von der Art der Partikel, die sich an den Knoten des Kristallgitters befinden, und der Art der Verbindung zwischen ihnen werden vier Arten von Kristallgittern unterschieden: ionisch, atomar, molekular Und Metall.

Ionisch Man nennt sie Kristallgitter, in deren Knotenpunkten sich Ionen befinden. Sie werden durch Stoffe mit ionischen Bindungen gebildet, die sowohl einfache Ionen Na+, Cl- als auch komplexe SO24-, OH- binden können. So enthalten ionische Kristallgitter Salze, einige Oxide und Hydroxyle von Metallen, d.h. solche Stoffe, in denen eine ionische chemische Bindung besteht. Stellen Sie sich einen Natriumchloridkristall vor; er besteht aus positiv alternierenden Na+- und negativen CL--Ionen, die zusammen ein würfelförmiges Gitter bilden. Die Bindungen zwischen den Ionen in einem solchen Kristall sind äußerst stabil. Aus diesem Grund weisen Stoffe mit Ionengitter eine relativ hohe Festigkeit und Härte auf; sie sind feuerfest und nichtflüchtig.

Atomar Kristallgitter sind solche Kristallgitter, deren Knoten einzelne Atome enthalten. In solchen Gittern sind Atome durch sehr starke kovalente Bindungen miteinander verbunden. Diamant ist beispielsweise eine der allotropen Modifikationen von Kohlenstoff.

Stoffe mit einem atomaren Kristallgitter kommen in der Natur nicht sehr häufig vor. Dazu gehören kristallines Bor, Silizium und Germanium sowie komplexe Stoffe, beispielsweise solche, die Silizium(IV)-oxid – SiO 2 – enthalten: Kieselsäure, Quarz, Sand, Bergkristall.

Die allermeisten Stoffe mit einem atomaren Kristallgitter haben sehr hohe Schmelzpunkte (bei Diamant über 3500 °C), solche Stoffe sind fest und hart, praktisch unlöslich.

Molekular Man nennt sie Kristallgitter, in deren Knotenpunkten sich Moleküle befinden. Chemische Bindungen in diesen Molekülen können auch polar (HCl, H 2 0) oder unpolar (N 2, O 3) sein. Und obwohl die Atome innerhalb der Moleküle durch sehr starke kovalente Bindungen verbunden sind, wirken zwischen den Molekülen selbst schwache intermolekulare Anziehungskräfte. Deshalb zeichnen sich Stoffe mit molekularen Kristallgittern durch geringe Härte, niedrigen Schmelzpunkt und Flüchtigkeit aus.

Beispiele für solche Stoffe sind festes Wasser – Eis, festes Kohlenmonoxid (IV) – „Trockeneis“, fester Chlorwasserstoff und Schwefelwasserstoff, feste einfache Stoffe, die aus einem – (Edelgase), zwei – (H 2, O 2, CL 2 , N 2 , I 2), drei - (O 3), vier - (P 4), achtatomige (S 8) Moleküle. Die überwiegende Mehrheit der festen organischen Verbindungen weist molekulare Kristallgitter auf (Naphthalin, Glucose, Zucker).

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Reden wir über Feststoffe. Feststoffe lassen sich in zwei große Gruppen einteilen: amorph Und kristallin. Wir werden sie nach dem Prinzip trennen, ob Ordnung herrscht oder nicht.

IN amorphe Substanzen Die Moleküle sind zufällig angeordnet. In ihrer räumlichen Anordnung gibt es keine Muster. Im Wesentlichen handelt es sich bei amorphen Stoffen um sehr viskose Flüssigkeiten, die so zähflüssig sind, dass sie fest sind.

Daher der Name: „a-“ – negatives Teilchen, „morphe“ – Form. Zu den amorphen Stoffen zählen: Glas, Harze, Wachs, Paraffin, Seife.

Die Unordnung in der Anordnung der Teilchen bestimmt die physikalischen Eigenschaften amorpher Körper: sie haben keine festen Schmelzpunkte. Beim Erhitzen nimmt ihre Viskosität allmählich ab und sie gehen auch allmählich in einen flüssigen Zustand über.

Im Gegensatz zu amorphen Stoffen gibt es kristalline Stoffe. Die Teilchen einer kristallinen Substanz sind räumlich geordnet. Diese korrekte Struktur nennt man die räumliche Anordnung der Teilchen in einer kristallinen Substanz Kristallgitter.

Im Gegensatz zu amorphen Körpern kristalline Substanzen haben feste Schmelzpunkte.

Je nachdem, welche Partikel enthalten sind Gitterknoten, und welche Verbindungen sie zusammenhalten, unterscheiden sie: molekular, atomar, ionisch Und Metall Gitter.

Warum ist es grundsätzlich wichtig zu wissen, welches Kristallgitter ein Stoff hat? Was definiert es? Alle. Die Struktur bestimmt wie chemische und physikalische Eigenschaften eines Stoffes.

Das einfachste Beispiel: DNA. In allen Organismen auf der Erde besteht es aus den gleichen Strukturkomponenten: vier Arten von Nukleotiden. Und was für eine Vielfalt des Lebens. Dies alles wird durch die Struktur bestimmt: die Reihenfolge, in der diese Nukleotide angeordnet sind.

Molekulares Kristallgitter.

Ein typisches Beispiel ist Wasser in festem Zustand (Eis). Ganze Moleküle befinden sich auf Gitterplätzen. Und halte sie zusammen intermolekulare Wechselwirkungen: Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Kräfte.

Diese Bindungen sind schwach, ebenso wie das Molekülgitter am zerbrechlichsten, der Schmelzpunkt solcher Stoffe ist niedrig.

Ein gutes diagnostisches Zeichen: Wenn ein Stoff unter normalen Bedingungen einen flüssigen oder gasförmigen Zustand hat und/oder einen Geruch hat, dann hat dieser Stoff höchstwahrscheinlich ein molekulares Kristallgitter. Schließlich sind die flüssigen und gasförmigen Zustände eine Folge der Tatsache, dass die Moleküle auf der Oberfläche des Kristalls nicht gut haften (die Bindungen sind schwach). Und sie sind „umgehauen“. Diese Eigenschaft wird Volatilität genannt. Und die entleerten Moleküle gelangen in der Luft diffundierend zu unseren Riechorganen, die wir subjektiv als Geruch wahrnehmen.

Sie haben ein molekulares Kristallgitter:

1. Einige einfache Substanzen der Nichtmetalle: I 2, P, S (also alle Nichtmetalle, die kein Atomgitter haben).
2. Fast alle organischen Substanzen ( außer Salze).
3. Und wie bereits erwähnt, sind Stoffe unter normalen Bedingungen flüssig oder gasförmig (eingefroren) und/oder geruchlos (NH 3, O 2, H 2 O, Säuren, CO 2).

Atomares Kristallgitter.

In den Knoten des atomaren Kristallgitters befinden sich im Gegensatz zum molekularen Gitter einzelne Atome. Es stellt sich heraus, dass das Gitter durch kovalente Bindungen zusammengehalten wird (schließlich sind sie diejenigen, die neutrale Atome binden).

Ein klassisches Beispiel ist der Standard für Festigkeit und Härte – Diamant (aufgrund seiner chemischen Natur ist er eine einfache Substanz – Kohlenstoff). Kontakte: kovalent unpolar, da das Gitter nur aus Kohlenstoffatomen besteht.

Aber zum Beispiel gibt es in einem Quarzkristall (dessen chemische Formel SiO 2 ist) Si- und O-Atome. Daher die Bindungen kovalent polar.

Physikalische Eigenschaften von Stoffen mit einem atomaren Kristallgitter:

1. Stärke, Härte
2. hohe Schmelzpunkte (Feuerfestigkeit)
3. nichtflüchtige Stoffe
4. unlöslich (weder in Wasser noch in anderen Lösungsmitteln)

Alle diese Eigenschaften sind auf die Stärke kovalenter Bindungen zurückzuführen.

In einem atomaren Kristallgitter gibt es nur wenige Substanzen. Es gibt kein bestimmtes Muster, Sie müssen sich diese also nur merken:

1. Allotrope Modifikationen von Kohlenstoff (C): Diamant, Graphit.
2. Bor (B), Silizium (Si), Germanium (Ge).
3. Nur zwei allotrope Modifikationen von Phosphor haben ein atomares Kristallgitter: roter Phosphor und schwarzer Phosphor. (Weißer Phosphor hat ein molekulares Kristallgitter).
4. SiC – Carborundum (Siliziumkarbid).
5. BN – Bornitrid.
6. Kieselsäure, Bergkristall, Quarz, Flusssand – alle diese Stoffe haben die Zusammensetzung SiO 2.
7. Korund, Rubin, Saphir – diese Stoffe haben die Zusammensetzung Al 2 O 3.

Sicherlich stellt sich die Frage: C ist sowohl Diamant als auch Graphit. Aber sie sind völlig unterschiedlich: Graphit ist undurchsichtig, färbt ab und leitet Strom, während Diamant transparent ist, keine Flecken hinterlässt und keinen Strom leitet. Sie unterscheiden sich im Aufbau.

Beide sind Atomgitter, aber unterschiedlich. Daher sind die Eigenschaften unterschiedlich.

Ionenkristallgitter.

Klassisches Beispiel: Speisesalz: NaCl. An den Gitterknoten gibt es einzelne Ionen: Na + und Cl – . Das Gitter wird durch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den Ionen („Plus“ wird von „Minus“ angezogen), d.h. an Ort und Stelle gehalten Ionenverbindung.

Ionenkristallgitter sind ziemlich stark, aber zerbrechlich; die Schmelztemperaturen solcher Substanzen sind ziemlich hoch (höher als die von Metallgittern, aber niedriger als die von Substanzen mit einem Atomgitter). Viele sind wasserlöslich.

Bei der Bestimmung des Ionenkristallgitters gibt es in der Regel keine Probleme: Wo eine Ionenbindung ist, ist auch ein Ionenkristallgitter. Das: alle Salze, Metalloxide, Alkalien(und andere basische Hydroxide).

Metallkristallgitter.

Das Metallgitter wird verkauft einfache Stoffe Metalle. Vorhin haben wir gesagt, dass die ganze Pracht der metallischen Bindung nur im Zusammenhang mit dem metallischen Kristallgitter zu verstehen ist. Die Stunde ist gekommen.

Die Haupteigenschaft von Metallen: Elektronen externes Energieniveau Sie haben einen schlechten Halt und können daher leicht verschenkt werden. Durch den Verlust eines Elektrons verwandelt sich das Metall in ein positiv geladenes Ion – ein Kation:

Na 0 – 1e → Na +

In einem Metallkristallgitter finden ständig Prozesse der Elektronenabgabe und -gewinnung statt: An einer Gitterstelle wird einem Metallatom ein Elektron entrissen. Es entsteht ein Kation. Das abgetrennte Elektron wird von einem anderen Kation (oder demselben) angezogen: Es entsteht wieder ein neutrales Atom.

Die Knoten eines Metallkristallgitters enthalten sowohl neutrale Atome als auch Metallkationen. Und freie Elektronen wandern zwischen den Knoten:

Diese freien Elektronen werden Elektronengas genannt. Sie bestimmen die physikalischen Eigenschaften einfacher Metallsubstanzen:

1. thermische und elektrische Leitfähigkeit
2. metallischer Glanz
3. Formbarkeit, Duktilität

Dabei handelt es sich um eine metallische Bindung: Metallkationen werden von neutralen Atomen angezogen und freie Elektronen „kleben“ alles zusammen.

So bestimmen Sie die Art des Kristallgitters.

P.S. Es gibt etwas im Lehrplan der Schule und im Programm zur Einheitlichen Staatsprüfung zu diesem Thema, mit dem wir nicht ganz einverstanden sind. Nämlich: die Verallgemeinerung, dass jede Metall-Nichtmetall-Bindung eine Ionenbindung ist. Diese Annahme wurde bewusst getroffen, offenbar um das Programm zu vereinfachen. Dies führt jedoch zu Verzerrungen. Die Grenze zwischen ionischen und kovalenten Bindungen ist willkürlich. Jede Bindung hat ihren eigenen Prozentsatz an „Ionizität“ und „Kovalenz“. Die Bindung mit einem niedrigaktiven Metall weist einen geringen Prozentsatz an „Ionizität“ auf; sie ähnelt eher einer kovalenten Bindung. Aber laut dem Unified State Exam-Programm ist es in Richtung des Ionischen „abgerundet“. Dabei entstehen teilweise absurde Dinge. Al 2 O 3 ist beispielsweise ein Stoff mit einem atomaren Kristallgitter. Von welcher Ionizität reden wir hier? Nur eine kovalente Bindung kann Atome auf diese Weise zusammenhalten. Aber gemäß dem Metall-Nichtmetall-Standard klassifizieren wir diese Bindung als ionisch. Und wir bekommen einen Widerspruch: Das Gitter ist atomar, aber die Bindung ist ionisch. Dazu führt eine übermäßige Vereinfachung.

Die meisten Feststoffe haben eine kristalline Struktur. Kristallzelle aufgebaut aus sich wiederholenden identischen Struktureinheiten, die für jeden Kristall individuell sind. Diese Struktureinheit wird „Elementarzelle“ genannt. Mit anderen Worten: Das Kristallgitter dient als Spiegelbild der räumlichen Struktur eines Festkörpers.

Kristallgitter können auf unterschiedliche Weise klassifiziert werden.

ICH. Entsprechend der Symmetrie der Kristalle Gitter werden in kubische, tetragonale, rhombische und hexagonale Gitter eingeteilt.

Diese Klassifizierung eignet sich zur Beurteilung der optischen Eigenschaften von Kristallen sowie ihrer katalytischen Aktivität.

II. Aufgrund der Beschaffenheit der Partikel, an Gitterknoten gelegen und nach Art der chemischen Bindung es gibt einen Unterschied zwischen ihnen Atom-, Molekül-, Ionen- und Metallkristallgitter. Die Art der Bindung in einem Kristall bestimmt den Unterschied in der Härte, der Löslichkeit in Wasser, der Lösungs- und Schmelzwärme sowie der elektrischen Leitfähigkeit.

Ein wichtiges Merkmal eines Kristalls ist Kristallgitterenergie, kJ/mol – die Energie, die aufgewendet werden muss, um einen bestimmten Kristall zu zerstören.

Molekulares Gitter

Molekulare Kristalle bestehen aus Molekülen, die durch schwache intermolekulare Bindungen (Van-der-Waals-Kräfte) oder Wasserstoffbrückenbindungen an bestimmten Positionen des Kristallgitters gehalten werden. Diese Gitter sind charakteristisch für Stoffe mit kovalenten Bindungen.

Es gibt viele Stoffe mit einem Molekülgitter. Dabei handelt es sich um eine Vielzahl organischer Verbindungen (Zucker, Naphthalin etc.), kristallines Wasser (Eis), festes Kohlendioxid („Trockeneis“), feste Halogenwasserstoffe, Jod, feste Gase, auch Edelgase,

Bei Stoffen mit unpolaren und niedrigpolaren Molekülen (CH 4, CO 2 etc.) ist die Energie des Kristallgitters minimal.

Gitter, die aus polareren Molekülen bestehen, haben auch eine höhere Kristallgitterenergie. Die Gitter mit Stoffen, die Wasserstoffbrückenbindungen bilden (H 2 O, NH 3), haben die höchste Energie.

Aufgrund der schwachen Wechselwirkung zwischen Molekülen sind diese Stoffe flüchtig, schmelzbar, haben eine geringe Härte, leiten keinen elektrischen Strom (Dielektrika) und haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit.

Atomgitter

In Knoten Atomkristallgitter Es gibt Atome eines oder verschiedener Elemente, die entlang aller drei Achsen durch kovalente Bindungen miteinander verbunden sind. Solch Kristalle die auch genannt werden kovalent sind relativ wenige.

Beispiele für Kristalle dieser Art sind Diamant, Silizium, Germanium, Zinn sowie Kristalle komplexer Stoffe wie Bornitrid, Aluminiumnitrid, Quarz und Siliziumkarbid. Alle diese Stoffe haben ein diamantartiges Gitter.

Die Energie des Kristallgitters in solchen Stoffen stimmt praktisch mit der Energie der chemischen Bindung überein (200 – 500 kJ/mol). Dies bestimmt ihre physikalischen Eigenschaften: hohe Härte, Schmelzpunkt und Siedepunkt.

Die elektrisch leitenden Eigenschaften dieser Kristalle sind vielfältig: Diamant, Quarz, Bornitrid sind Dielektrika; Silizium, Germanium – Halbleiter; Metallisch graues Zinn leitet Elektrizität gut.

Bei Kristallen mit einem atomaren Kristallgitter ist es unmöglich, eine separate Struktureinheit zu unterscheiden. Der gesamte Einkristall ist ein riesiges Molekül.

Ionengitter

In Knoten Ionengitter positive und negative Ionen wechseln sich ab, zwischen denen elektrostatische Kräfte wirken. Ionische Kristalle bilden Verbindungen mit ionischen Bindungen, beispielsweise Natriumchlorid NaCl, Kaliumfluorid und KF usw. Zu den ionischen Verbindungen können auch komplexe Ionen gehören, beispielsweise NO 3 -, SO 4 2 -.

Auch Ionenkristalle sind Riesenmoleküle, bei denen jedes Ion maßgeblich von allen anderen Ionen beeinflusst wird.

Die Energie des Ionenkristallgitters kann erhebliche Werte erreichen. Also, E (NaCl) = 770 kJ/mol und E (BeO) = 4530 kJ/mol.

Ionenkristalle haben hohe Schmelz- und Siedepunkte und eine hohe Festigkeit, sind aber spröde. Viele von ihnen leiten den Strom bei Raumtemperatur schlecht (etwa zwanzig Größenordnungen weniger als Metalle), aber mit steigender Temperatur ist ein Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit zu beobachten.

Metallgitter

Metallkristalle Geben Sie Beispiele für die einfachsten Kristallstrukturen.

Metallionen im Gitter eines Metallkristalls können näherungsweise in Form von Kugeln betrachtet werden. In festen Metallen sind diese Kugeln mit maximaler Dichte gepackt, wie die signifikante Dichte der meisten Metalle zeigt (von 0,97 g/cm 3 für Natrium, 8,92 g/cm 3 für Kupfer bis 19,30 g/cm 3 für Wolfram und Gold). Die dichteste Kugelpackung in einer Schicht ist eine hexagonale Packung, bei der jede Kugel von sechs anderen Kugeln (in derselben Ebene) umgeben ist. Die Mittelpunkte dreier benachbarter Kugeln bilden ein gleichseitiges Dreieck.

Eigenschaften von Metallen wie hohe Duktilität und Formbarkeit weisen auf einen Mangel an Steifigkeit bei Metallgittern hin: Ihre Ebenen bewegen sich recht leicht relativ zueinander.

Valenzelektronen sind an der Bildung von Bindungen mit allen Atomen beteiligt und bewegen sich frei im gesamten Volumen eines Metallstücks. Dies wird durch hohe Werte der elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit angezeigt.

Bezüglich der Kristallgitterenergie nehmen Metalle eine Zwischenstellung zwischen molekularen und kovalenten Kristallen ein. Die Energie des Kristallgitters beträgt:

Somit hängen die physikalischen Eigenschaften von Festkörpern maßgeblich von der Art der chemischen Bindung und Struktur ab.

Struktur und Eigenschaften von Festkörpern

(Alle Definitionen, Formeln, Diagramme und Reaktionsgleichungen werden protokolliert.)

Man kann sich feste Kristalle als dreidimensionale Strukturen vorstellen, in denen sich die gleiche Struktur in alle Richtungen deutlich wiederholt. Die geometrisch korrekte Form von Kristallen beruht auf ihrer streng regelmäßigen inneren Struktur. Stellt man die Anziehungszentren von Ionen oder Molekülen in einem Kristall als Punkte dar, so erhält man eine dreidimensionale regelmäßige Verteilung solcher Punkte, die man Kristallgitter nennt, und die Punkte selbst sind Knotenpunkte des Kristallgitters. Die spezifische äußere Form von Kristallen ergibt sich aus ihrer inneren Struktur, die speziell mit dem Kristallgitter zusammenhängt.

Ein Kristallgitter ist ein imaginäres geometrisches Bild zur Analyse der Struktur von Kristallen, bei dem es sich um eine volumetrisch-räumliche Netzwerkstruktur handelt, in deren Knoten sich Atome, Ionen oder Moleküle eines Stoffes befinden.

Zur Charakterisierung des Kristallgitters werden folgende Parameter verwendet:

1. Kristallgitter E cr [KJ/mol] ist die Energie, die bei der Bildung von 1 Mol eines Kristalls aus Mikropartikeln (Atome, Moleküle, Ionen) freigesetzt wird, die sich in einem gasförmigen Zustand befinden und so weit voneinander entfernt sind, dass die Möglichkeit ihrer Bildung besteht Interaktion ist ausgeschlossen.
2. Gitterkonstante d ist der kleinste Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier Teilchen an benachbarten Stellen des Kristallgitters, die durch verbunden sind.
3. Koordinationsnummer- die Anzahl benachbarter Teilchen, die das zentrale Teilchen im Raum umgeben und sich mit ihm durch eine chemische Bindung verbinden.

Die Basis des Kristallgitters ist die Elementarzelle, die sich im Kristall unendlich oft wiederholt.

Die Elementarzelle ist die kleinste Struktureinheit eines Kristallgitters, die alle Eigenschaften ihrer Symmetrie aufweist.

Einfach ausgedrückt kann eine Elementarzelle als ein kleiner Teil eines Kristallgitters definiert werden, der noch die charakteristischen Merkmale seiner Kristalle offenbart. Die Eigenschaften einer Elementarzelle werden mithilfe von drei Brevet-Regeln beschrieben:

• die Symmetrie der Elementarzelle muss der Symmetrie des Kristallgitters entsprechen;
• Eine Elementarzelle muss die maximale Anzahl identischer Kanten haben A,B, Mit und gleiche Winkel zwischen ihnen A, B, G. ;
• Vorausgesetzt, dass die ersten beiden Regeln erfüllt sind, muss die Elementarzelle ein Mindestvolumen einnehmen.

Um die Form von Kristallen zu beschreiben, wird ein System aus drei kristallographischen Achsen verwendet a, b, c, die sich von gewöhnlichen Koordinatenachsen dadurch unterscheiden, dass es sich um Segmente einer bestimmten Länge handelt, deren Winkel a, b, g entweder gerade oder indirekt sein können.

Kristallstrukturmodell: a) Kristallgitter mit hervorgehobener Elementarzelle; b) Elementarzelle mit Bezeichnungen der Facettenwinkel

Die Form eines Kristalls wird von der Wissenschaft der geometrischen Kristallographie untersucht, deren Hauptbestimmung das Gesetz der Konstanz der Facettenwinkel ist: Für alle Kristalle einer bestimmten Substanz bleiben die Winkel zwischen den entsprechenden Flächen immer gleich.

Nimmt man eine große Anzahl von Elementarzellen und füllt damit ein bestimmtes Volumen eng aneinander und behält dabei die Parallelität der Flächen und Kanten bei, so entsteht ein Einkristall mit idealer Struktur. In der Praxis kommt es jedoch am häufigsten zu Polykristallen, in denen innerhalb bestimmter Grenzen regelmäßige Strukturen existieren, entlang derer sich die Ausrichtung der Regelmäßigkeit stark ändert.

Abhängig vom Verhältnis der Längen der Kanten a, b, c und der Winkel a, b, g zwischen den Flächen der Elementarzelle werden sieben Systeme unterschieden – die sogenannten Kristallsyngonien. Eine Elementarzelle kann jedoch auch so aufgebaut sein, dass sie zusätzliche Knoten aufweist, die sich innerhalb ihres Volumens oder auf allen ihren Flächen befinden – solche Gitter werden körperzentriert bzw. flächenzentriert genannt. Befinden sich die zusätzlichen Knoten nur auf zwei gegenüberliegenden Flächen (oben und unten), handelt es sich um ein basiszentriertes Gitter. Unter Berücksichtigung der Möglichkeit zusätzlicher Knoten gibt es insgesamt 14 Arten von Kristallgittern.

Die äußere Form und die Merkmale der inneren Struktur von Kristallen werden durch das Prinzip der dichten „Packung“ bestimmt: Die stabilste und daher wahrscheinlichste Struktur ist diejenige, die der dichtesten Anordnung der Partikel im Kristall und in ihnen entspricht der kleinste freie Platz verbleibt.

Arten von Kristallgittern

Abhängig von der Art der in den Knoten des Kristallgitters enthaltenen Partikel sowie der Art der chemischen Bindungen zwischen ihnen gibt es vier Haupttypen von Kristallgittern.

Ionengitter

Ionengitter bestehen aus ungleichen Ionen, die sich an Gitterplätzen befinden und durch elektrostatische Anziehungskräfte verbunden sind. Daher sollte die Struktur des Ionenkristallgitters dessen elektrische Neutralität gewährleisten. Ionen können einfach (Na +, Cl -) oder komplex (NH 4 +, NO 3 -) sein. Aufgrund der Ungesättigtheit und Ungerichtetheit der Ionenbindungen zeichnen sich Ionenkristalle durch große Koordinationszahlen aus. So betragen in NaCl-Kristallen die Koordinationszahlen der Na+- und Cl--Ionen 6 und die Cs+- und Cl--Ionen in einem CsCl-Kristall 8, da ein Cs+-Ion von acht Cl-Ionen umgeben ist und jedes Cl- Das Ion ist jeweils von acht Cs-Ionen umgeben. + . Ionenkristallgitter werden aus einer Vielzahl von Salzen, Oxiden und Basen gebildet.

Stoffe mit ionischen Kristallgittern haben eine relativ hohe Härte, sie sind recht feuerfest und nichtflüchtig. Im Gegensatz dazu sind ionische Verbindungen sehr zerbrechlich, sodass bereits eine kleine Verschiebung des Kristallgitters gleich geladene Ionen einander näher bringt, wobei die Abstoßung zwischen ihnen zum Aufbrechen von Ionenbindungen und in der Folge zum Auftreten von Rissen führt im Kristall oder zu dessen Zerstörung. Im festen Zustand sind Stoffe mit einem ionischen Kristallgitter Dielektrika und leiten keinen elektrischen Strom. Beim Schmelzen oder Lösen in polaren Lösungsmitteln wird jedoch die geometrisch korrekte Ausrichtung der Ionen zueinander gestört, chemische Bindungen werden zunächst geschwächt und dann zerstört und somit verändern sich auch die Eigenschaften. Dies hat zur Folge, dass sowohl Schmelzen von Ionenkristallen als auch deren Lösungen beginnen, elektrischen Strom zu leiten.

Atomgitter

Diese Gitter bestehen aus miteinander verbundenen Atomen. Sie werden wiederum in drei Typen unterteilt: Rahmen-, Schicht- und Kettenstrukturen.

Rahmenstruktur hat zum Beispiel Diamant – einen der härtesten Stoffe. Dank der sp 3 -Hybridisierung des Kohlenstoffatoms entsteht ein dreidimensionales Gitter, das ausschließlich aus durch kovalente unpolare Bindungen verbundenen Kohlenstoffatomen besteht, deren Achsen im gleichen Bindungswinkel (109,5 °) liegen.

Schichtstrukturen können als riesige zweidimensionale Moleküle betrachtet werden. Schichtstrukturen zeichnen sich durch kovalente Bindungen innerhalb jeder Schicht und schwache Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen benachbarten Schichten aus.

Ein klassisches Beispiel für einen Stoff mit Schichtstruktur ist Graphit, bei dem sich jedes Kohlenstoffatom im Zustand der sp 2 -Hybridisierung befindet und drei kovalente s-Bindungen mit drei anderen C-Atomen in einer Ebene bildet. Die vierten Valenzelektronen jedes Kohlenstoffatoms sind unhybridisiert, wodurch sehr schwache Van-der-Waals-Bindungen zwischen den Schichten entstehen. Daher beginnen die einzelnen Schichten bereits bei geringer Krafteinwirkung leicht aneinander entlang zu gleiten. Dies erklärt beispielsweise die Schreibfähigkeit von Graphit. Im Gegensatz zu Diamant leitet Graphit Elektrizität gut: Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes können sich nicht lokalisierte Elektronen entlang der Schichtebene bewegen, und umgekehrt leitet Graphit fast keinen elektrischen Strom in senkrechter Richtung.

Kettenstrukturen charakteristisch zum Beispiel für Schwefeloxid (SO 3) n, Zinnober HgS, Berylliumchlorid BeCl 2 sowie viele amorphe Polymere und einige Silikatmaterialien wie Asbest.

Es gibt relativ wenige Stoffe mit der atomaren Struktur von Kristallgittern. Dabei handelt es sich in der Regel um einfache Stoffe, die aus Elementen der Untergruppen IIIA und IVA (Si, Ge, B, C) bestehen. Verbindungen zweier verschiedener Nichtmetalle weisen häufig Atomgitter auf, beispielsweise einige Polymorphe von Quarz (Siliziumoxid SiO 2) und Karborund (Siliziumcarbid SiC).

Alle Atomkristalle zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Härte, Feuerfestigkeit und Unlöslichkeit in nahezu jedem Lösungsmittel aus. Diese Eigenschaften sind auf die Stärke der kovalenten Bindung zurückzuführen. Stoffe mit einem atomaren Kristallgitter weisen ein breites Spektrum elektrischer Leitfähigkeit auf, von Isolatoren und Halbleitern bis hin zu elektronischen Leitern.

Metallgitter

Diese Kristallgitter enthalten an ihren Knotenpunkten Metallatome und -ionen, zwischen denen sich allen gemeinsame Elektronen (Elektronengas) frei bewegen und eine metallische Bindung eingehen. Eine Besonderheit von Metallkristallgittern sind ihre großen Koordinationszahlen (8-12), die auf eine erhebliche Packungsdichte der Metallatome hinweisen. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die „Kerne“ der Atome ohne äußere Elektronen im Raum wie Kugeln mit demselben Radius angeordnet sind. Bei Metallen findet man am häufigsten drei Arten von Kristallgittern: kubisch flächenzentriert mit einer Koordinationszahl von 12, kubisch raumzentriert mit einer Koordinationszahl von 8 und hexagonal, dicht gepackt mit einer Koordinationszahl von 12.

Die besonderen Eigenschaften von Metallbindungen und Metallgittern bestimmen so wichtige Eigenschaften von Metallen wie hohe Schmelzpunkte, elektrische und thermische Leitfähigkeit, Formbarkeit, Duktilität und Härte.

Molekulare Gitter

Molekulare Kristallgitter enthalten an ihren Knoten Moleküle, die durch schwache intermolekulare Kräfte – Van-der-Waals- oder Wasserstoffbrückenbindungen – miteinander verbunden sind. Eis besteht beispielsweise aus Wassermolekülen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen in einem Kristallgitter gehalten werden. Zum gleichen Typ gehören Kristallgitter vieler in den festen Zustand überführter Stoffe, zum Beispiel: einfache Stoffe H 2, O 2, N 2, O 3, P 4, S 8, Halogene (F 2, Cl 2, Br 2, I 2), „Trockeneis“ CO 2, alle Edelgase und die meisten organischen Verbindungen.

Da die Kräfte intermolekularer Wechselwirkungen schwächer sind als die Kräfte kovalenter oder metallischer Bindungen, weisen Molekülkristalle eine geringe Härte auf; Sie sind schmelzbar und flüchtig, unlöslich und weisen keine elektrische Leitfähigkeit auf.