Химичните съединения с йонни кристални решетки са различни. Структура на материята

Материята, както знаете, може да съществува в три агрегатни състояния: газообразно, течно и твърдо (фиг. 70). Например кислородът, който при нормални условия е газ, при температура от -194 ° C се превръща в синя течност, а при температура от -218,8 ° C се втвърдява в снежна маса, състояща се от сини кристали.

Ориз. 70.
Агрегатни състояния на водата

Твърдите вещества се делят на кристални и аморфни.

Аморфните вещества нямат ясна точка на топене - при нагряване те постепенно омекват и преминават в течно състояние. Аморфните вещества включват повечето пластмаси (например полиетилен), восък, шоколад, пластилин, различни смоли и дъвки (фиг. 71).

Ориз. 71.
Аморфни вещества и материали

Кристалните вещества се характеризират с правилното разположение на съставните им частици в строго определени точки в пространството. Когато тези точки са свързани с прави линии, се образува пространствена рамка, наречена кристална решетка. Точките, в които са разположени кристалните частици, се наричат ​​възли на решетката.

Възлите на въображаема кристална решетка могат да съдържат едноатомни йони, атоми и молекули. Тези частици извършват колебателни движения. С повишаване на температурата обхватът на тези трептения се увеличава, което по правило води до топлинно разширение на телата.

В зависимост от вида на частиците, разположени във възлите на кристалната решетка и естеството на връзката между тях, се разграничават четири вида кристални решетки: йонни, атомни, молекулярни и метални (таблица 6).

Таблица 6
Позиция на елементите в периодичната таблица на Д. И. Менделеев и видове кристални решетки на техните прости вещества

Простите вещества, образувани от елементи, които не са показани в таблицата, имат метална решетка.

Йонните решетки се наричат ​​кристални решетки, чиито възли съдържат йони. Те се образуват от вещества с йонни връзки, които могат да свързват както прости йони Na ​​+, Cl -, така и сложни йони, OH -. Следователно йонните кристални решетки имат соли, основи (алкали) и някои оксиди. Например, кристал на натриев хлорид е изграден от редуващи се положителни Na ​​+ и отрицателни Cl - йони, образуващи решетка с форма на куб (фиг. 72). Връзките между йони в такъв кристал са много силни. Следователно веществата с йонна решетка имат относително висока твърдост и якост, те са огнеупорни и нелетливи.

Ориз. 72.
Йонна кристална решетка (натриев хлорид)

Атомните решетки се наричат ​​кристални решетки, чиито възли съдържат отделни атоми. В такива решетки атомите са свързани един с друг чрез много силни ковалентни връзки.

Ориз. 73.
Атомна кристална решетка (диамант)

Диамантът има този тип кристална решетка (фиг. 73) - една от алотропните модификации на въглерода. Диамантите, които са шлифовани и полирани, се наричат ​​брилянти. Те се използват широко в бижутерията (фиг. 74).

Ориз. 74.
Две императорски корони с диаманти:
а - короната на Британската империя; б - Великата императорска корона на Руската империя

Веществата с атомна кристална решетка включват кристален бор, силиций и германий, както и сложни вещества, например силициев диоксид, кварц, пясък, скален кристал, които включват силициев (IV) оксид SiO 2 (фиг. 75).

Ориз. 75.
Атомна кристална решетка (силициев (IV) оксид)

Повечето вещества с атомна кристална решетка имат много високи точки на топене (например за диаманта тя е над 3500 °C, за силиция - 1415 °C, за силициевия диоксид - 1728 °C), те са здрави и твърди, практически неразтворими.

Молекулярните са кристални решетки, в които молекулите са разположени във възлите. Химичните връзки в тези молекули могат да бъдат както ковалентни полярни (хлороводород HCl, вода H20), така и ковалентни неполярни (азот N2, озон 03). Въпреки факта, че атомите вътре в молекулите са свързани чрез много силни ковалентни връзки, между самите молекули действат слаби междумолекулни сили на привличане. Следователно веществата с молекулярни кристални решетки имат ниска твърдост, ниски точки на топене и са летливи.

Примери за вещества с молекулни кристални решетки са твърда вода - лед, твърд въглероден оксид (IV) C) 2 - „сух лед“ (фиг. 76), твърд водороден хлорид HCl и сероводород H 2 S, твърди прости вещества, образувани от моно - (благородни газове: хелий, неон, аргон, криптон), дву- (водород H 2, кислород O 2, хлор Cl 2, азот N 2, йод 1 2), три- (озон O 3), четири- (бял фосфор P 4 ), осем-атомни (сяра S 7) молекули. Повечето твърди органични съединения имат молекулни кристални решетки (нафталин, глюкоза, захар).

Ориз. 76.
Молекулярна кристална решетка (въглероден диоксид)

Веществата с метална връзка имат метални кристални решетки (фиг. 77). На местата на такива решетки има атоми и йони (или атоми, или йони, в които металните атоми лесно се превръщат, предавайки външните си електрони за обща употреба). Тази вътрешна структура на металите определя техните характерни физични свойства: ковкост, пластичност, електрическа и топлопроводимост, метален блясък.

Ориз. 77.
Метална кристална решетка (желязо)

Лабораторен опит No13
Запознаване с колекция от вещества с различни типове кристална решетка. Изработване на модели на кристални решетки

Прегледайте предоставената ви колекция от проби от вещества. Запишете техните формули, характеризирайте физичните свойства и въз основа на тях определете вида на кристалната решетка.

Изградете модел на една от кристалните решетки.

За веществата с молекулен строеж е валиден законът за постоянството на състава, открит от френския химик Ж. Л. Пруст (1799-1803). В момента този закон е формулиран, както следва:

Законът на Пруст е един от основните закони на химията. Въпреки това, за вещества с немолекулна структура, като йонни, този закон не винаги е верен.

Ключови думи и фрази

1. Твърдо, течно и газообразно състояние на материята.
2. Твърди вещества: аморфни и кристални.
3. Кристални решетки: йонна, атомна, молекулярна и метална.
4. Физични свойства на вещества с различни видове кристални решетки.
5. Закон за постоянството на състава.

Работа с компютър

1. Вижте електронното приложение. Проучете материала на урока и изпълнете поставените задачи.
2. Намерете имейл адреси в интернет, които могат да служат като допълнителни източници, които разкриват съдържанието на ключови думи и фрази в параграфа. Предложете помощта си на учителя при подготовката на нов урок - направете доклад за ключовите думи и фрази от следващия параграф.

Въпроси и задачи

1. В какво агрегатно състояние ще бъде кислородът при -205 °C?
2. Спомнете си работата на А. Беляев „Продавачът на въздух“ и характеризирайте свойствата на твърдия кислород, като използвате описанието му, дадено в книгата.
3. Какъв тип вещества (кристални или аморфни) са пластмасите? Какви свойства на пластмасите са в основата на техните индустриални приложения?
4. Какъв тип диамантена кристална решетка е това? Избройте физическите свойства, характерни за диаманта.
5. Какъв тип йодна кристална решетка е това? Избройте физическите свойства, характерни за йода.
6. Защо точката на топене на металите варира в много широк диапазон? За да подготвите отговор на този въпрос, използвайте допълнителна литература.
7. Защо силициевият продукт се разпада на парчета при удар, докато оловният продукт само се сплесква? В кой от тези случаи химичната връзка се разпада и в кой не? Защо?

Повечето твърди вещества имат кристаленструктура, която се характеризира строго определено разположение на частиците. Ако свържете частиците с конвенционални линии, ще получите пространствена рамка, наречена кристална решетка. Точките, в които са разположени кристалните частици, се наричат ​​възли на решетката. Възлите на една въображаема решетка могат да съдържат атоми, йони или молекули.

В зависимост от естеството на частиците, разположени във възлите, и естеството на връзката между тях се разграничават четири вида кристални решетки: йонни, метални, атомни и молекулярни.

Йонни се наричат ​​решетки, в чиито възли има йони.

Те се образуват от вещества с йонни връзки. Във възлите на такава решетка има положителни и отрицателни йони, свързани помежду си чрез електростатично взаимодействие.

Йонните кристални решетки съдържат соли, основи, активни метални оксиди. Йоните могат да бъдат прости или сложни. Например, в местата на решетката на натриевия хлорид има прости натриеви йони Na ​​и хлор Cl −, а в местата на решетката на калиев сулфат се редуват прости калиеви йони K и сложни сулфатни йони S O 4 2 −.

Връзките между йони в такива кристали са силни. Следователно йонните вещества са твърди, огнеупорни, нелетливи. Такива вещества са добри разтворете във вода.

Кристална решетка на натриев хлорид

Натриев хлорид кристал

Метал наречени решетки, които се състоят от положителни йони и метални атоми и свободни електрони.

Те се образуват от вещества с метални връзки. Във възлите на металната решетка има атоми и йони (или атоми, или йони, в които атомите лесно се превръщат, предавайки своите външни електрони за обща употреба).

Такива кристални решетки са характерни за прости вещества от метали и сплави.

Точките на топене на металите могат да бъдат различни (от \(–37\) °C за живак до две до три хиляди градуса). Но всички метали имат характеристики метален блясък, ковкост, пластичност, провежда добре електричествотои топлина.

Метална кристална решетка

Хардуер

Атомните решетки се наричат ​​кристални решетки, в чиито възли има отделни атоми, свързани с ковалентни връзки.

Диамантът има този тип решетка - една от алотропните модификации на въглерода. Веществата с атомна кристална решетка включват графит, силиций, бор и германий, както и сложни вещества, например карборунд SiC и силициев диоксид, кварц, планински кристал, пясък, които включват силициев оксид (\(IV\)) Si O 2.

Такива вещества се характеризират висока якости твърдост. Следователно диамантът е най-твърдото природно вещество. Веществата с атомна кристална решетка имат много високи точки на топенеи кипене.Например точката на топене на силициев диоксид е \(1728\) °C, докато за графита е по-висока - \(4000\) °C. Атомните кристали са практически неразтворими.

Диамантена кристална решетка

Диамант

Молекулярна се наричат ​​решетки, във възлите на които има молекули, свързани чрез слаби междумолекулни взаимодействия.

Въпреки факта, че атомите вътре в молекулите са свързани чрез много силни ковалентни връзки, между самите молекули действат слаби сили на междумолекулно привличане. Следователно молекулярните кристали имат ниска якости твърдост, ниски точки на топенеи кипене. Много молекулни вещества са течности и газове при стайна температура. Такива вещества са летливи. Например, кристалният йод и твърдият въглероден оксид (\(IV\)) („сух лед“) се изпаряват, без да преминават в течно състояние. Някои молекулни вещества имат миризма .

Този тип решетка има прости вещества в твърдо агрегирано състояние: благородни газове с едноатомни молекули (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn ), както и неметали с дву- и многоатомни молекули (H 2, O 2, N 2, Cl 2, I 2, O 3, P 4, S 8).

Те имат молекулярна кристална решеткасъщо вещества с ковалентни полярни връзки: вода - лед, твърд амоняк, киселини, неметални оксиди. Мнозинство органични съединенияса и молекулни кристали (нафталин, захар, глюкоза).

Както знаем, всички материални вещества могат да съществуват в три основни състояния: течно, твърдо и газообразно. Вярно е, че има и състояние на плазмата, което учените смятат за не по-малко от четвъртото състояние на материята, но нашата статия не е за плазмата. Следователно твърдото състояние на дадено вещество е твърдо, защото има специална кристална структура, чиито частици са в определен и ясно определен ред, като по този начин създават кристална решетка. Структурата на кристалната решетка се състои от повтарящи се идентични елементарни клетки: атоми, молекули, йони и други елементарни частици, свързани с различни възли.

Видове кристални решетки

В зависимост от частиците на кристалната решетка има четиринадесет вида, ето най-популярните от тях:

• Йонна кристална решетка.
• Атомна кристална решетка.
• Молекулярна кристална решетка.
• кристална клетка.

Йонна кристална решетка

Основната характеристика на структурата на кристалната решетка на йони са противоположните електрически заряди на самите йони, в резултат на което се образува електромагнитно поле, което определя свойствата на веществата с йонна кристална решетка. А това са огнеупорност, твърдост, плътност и способност за провеждане на електрически ток. Типичен пример за йонна кристална решетка е готварската сол.

Атомна кристална решетка

Веществата с атомна кристална решетка, като правило, имат силни атоми в своите възли. Ковалентна връзка възниква, когато два идентични атома споделят братски електрони един с друг, като по този начин образуват обща двойка електрони за съседни атоми. Поради това ковалентните връзки свързват атомите плътно и равномерно в строг ред - може би това е най-характерната черта на структурата на атомната кристална решетка. Химическите елементи с подобни връзки могат да се похвалят със своята твърдост и висока точка на топене. Химически елементи като диамант, силиций, германий и бор имат атомна кристална решетка.

Молекулярна кристална решетка

Молекулният тип кристална решетка се характеризира с наличието на стабилни и плътно опаковани молекули. Те са разположени във възлите на кристалната решетка. В тези възли те се държат от сили на Ван дер Валц, които са десет пъти по-слаби от силите на йонното взаимодействие. Ярък пример за молекулярна кристална решетка е ледът - твърдо вещество, което обаче има свойството да се превръща в течност - връзките между молекулите на кристалната решетка са много слаби.

Метална кристална решетка

Видът на връзката на металната кристална решетка е по-гъвкав и пластичен от йонната, въпреки че на външен вид те са много сходни. Неговата отличителна черта е наличието на положително заредени катиони (метални йони) в местата на решетката. Между възлите живеят електрони, които участват в създаването на електрическото поле; тези електрони се наричат ​​още електрически газ. Наличието на такава структура на метална кристална решетка обяснява нейните свойства: механична якост, топло- и електропроводимост, плавимост.

Кристални решетки, видео

И накрая, подробно видео обяснение за свойствата на кристалните решетки.

Страница 1

Молекулните кристални решетки и съответните молекулни връзки се образуват предимно в кристалите на тези вещества, в чиито молекули връзките са ковалентни. При нагряване връзките между молекулите лесно се разрушават, поради което веществата с молекулни решетки имат ниски точки на топене.

Молекулярните кристални решетки се образуват от полярни молекули, между които възникват сили на взаимодействие, така наречените сили на Ван дер Ваалс, които са електрически по природа. В молекулярната решетка те образуват доста слаба връзка. Ледът, естествената сяра и много органични съединения имат молекулярна кристална решетка.

Молекулярната кристална решетка на йода е показана на фиг. 3.17. Повечето кристални органични съединения имат молекулна решетка.

Възлите на молекулярната кристална решетка се образуват от молекули. Например кристалите на водород, кислород, азот, благородни газове, въглероден диоксид и органични вещества имат молекулярна решетка.

Наличието на молекулярна кристална решетка на твърдата фаза е причина за незначителната адсорбция на йони от матерния разтвор и следователно за много по-високата чистота на утайките в сравнение с утайките, характеризиращи се с йонен кристал. Тъй като в този случай утаяването се случва в областта на оптималната киселинност, която е различна за йоните, утаени от този реагент, зависи от стойността на съответните константи на стабилност на комплексите. Този факт позволява чрез регулиране на киселинността на разтвора да се постигне селективно и понякога дори специфично утаяване на определени йони. Подобни резултати често могат да бъдат получени чрез подходяща модификация на донорните групи в органични реагенти, като се вземат предвид характеристиките на комплексообразуващите катиони, които се утаяват.

В молекулярните кристални решетки се наблюдава локална анизотропия на връзките, а именно: вътремолекулните сили са много големи в сравнение с междумолекулните.

В молекулярните кристални решетки молекулите са разположени в местата на решетката. Повечето вещества с ковалентни връзки образуват кристали от този тип. Молекулните решетки образуват твърд водород, хлор, въглероден диоксид и други вещества, които са газообразни при обикновени температури. Към този тип принадлежат и кристалите на повечето органични вещества. По този начин са известни много вещества с молекулярна кристална решетка.

В молекулярните кристални решетки съставните молекули са свързани една с друга с помощта на относително слаби сили на Ван дер Ваалс, докато атомите в молекулата са свързани чрез много по-силни ковалентни връзки. Следователно в такива решетки молекулите запазват своята индивидуалност и заемат едно място от кристалната решетка. Заместването тук е възможно, ако молекулите са подобни по форма и размер. Тъй като силите, свързващи молекулите, са относително слаби, границите на заместването тук са много по-широки. Както показа Никитин, атомите на благородните газове могат изоморфно да заменят молекулите на CO2, SO2, CH3COCH3 и други в решетките на тези вещества. Сходството на химичната формула тук не е необходимо.

В молекулярните кристални решетки молекулите са разположени в местата на решетката. Повечето вещества с ковалентни връзки образуват кристали от този тип. Молекулните решетки образуват твърд водород, хлор, въглероден диоксид и други вещества, които са газообразни при обикновени температури. Към този тип принадлежат и кристалите на повечето органични вещества. По този начин са известни много вещества с молекулярна кристална решетка. Молекулите, разположени в местата на решетката, са свързани една с друга чрез междумолекулни сили (естеството на тези сили беше обсъдено по-горе; вижте страницата. Тъй като междумолекулните сили са много по-слаби от силите на химично свързване, молекулярните кристали са с ниска топимост, характеризиращи се със значителна летливост и тяхната твърдост е ниска.Особено ниски са точките на топене и кипене на тези вещества, чиито молекули са неполярни.Например парафиновите кристали са много меки, въпреки че C-C ковалентните връзки във въглеводородните молекули, от които са съставени тези кристали, са толкова силни, колкото връзките в диаманта Кристалите, образувани от благородни минерални газове, също трябва да бъдат класифицирани като молекулни, състоящи се от едноатомни молекули, тъй като валентните сили не играят роля при образуването на тези кристали и връзките между частиците тук са от едно и също естество както и в други молекулни кристали; това определя относително големите междуатомни разстояния в тези кристали.

Във възлите на молекулярните кристални решетки има молекули, които са свързани една с друга чрез слаби междумолекулни сили. Такива кристали образуват вещества с ковалентни връзки в молекулите. Известни са много вещества с молекулярна кристална решетка. Молекулярните решетки съдържат твърд водород, хлор, въглероден диоксид и други вещества, които са газообразни при обикновени температури. Към този тип принадлежат и кристалите на повечето органични вещества.