Los compuestos químicos con redes cristalinas iónicas son diferentes. La estructura de la materia

Una sustancia, como saben, puede existir en tres estados de agregación: gaseoso, líquido y sólido (Fig. 70). Por ejemplo, el oxígeno, que en condiciones normales es un gas, a una temperatura de -194 °C se convierte en un líquido azul, ya una temperatura de -218,8 °C se solidifica en una masa similar a la nieve formada por cristales azules.

Arroz. 70.
Estados agregados del agua

Los sólidos se dividen en cristalinos y amorfos.

Las sustancias amorfas no tienen un punto de fusión claro: cuando se calientan, se ablandan gradualmente y se vuelven fluidas. Las sustancias amorfas incluyen la mayoría de los plásticos (por ejemplo, polietileno), cera, chocolate, plastilina, varias resinas y gomas de mascar (Fig. 71).

Arroz. 71.
Sustancias y materiales amorfos.

Las sustancias cristalinas se caracterizan por la correcta disposición de sus partículas constituyentes en puntos del espacio estrictamente definidos. Cuando estos puntos están conectados por líneas rectas, se forma un marco espacial, llamado red cristalina. Los puntos en los que se encuentran las partículas de cristal se denominan nodos de red.

En los nodos de una red cristalina imaginaria puede haber iones monoatómicos, átomos, moléculas. Estas partículas oscilan. Con un aumento de la temperatura, aumenta el rango de estas oscilaciones, lo que, por regla general, conduce a la expansión térmica de los cuerpos.

Según el tipo de partículas ubicadas en los nodos de la red cristalina y la naturaleza de la conexión entre ellas, se distinguen cuatro tipos de redes cristalinas: iónicas, atómicas, moleculares y metálicas (Tabla 6).

Tabla 6
La posición de los elementos en el sistema Periódico de D. I. Mendeleev y los tipos de redes cristalinas de sus sustancias simples.

Las sustancias simples formadas por elementos no enumerados en la tabla tienen una red metálica.

Se llaman redes cristalinas iónicas, en cuyos nodos hay iones. Están formados por sustancias con un enlace iónico, que pueden asociarse tanto con iones simples Na +, Cl - como complejos, OH -. En consecuencia, las redes cristalinas iónicas tienen sales, bases (álcalis), algunos óxidos. Por ejemplo, un cristal de cloruro de sodio se construye alternando iones positivos de Na+ y negativos de Cl-, formando una red en forma de cubo (Fig. 72). Los enlaces entre los iones en tal cristal son muy fuertes. Por lo tanto, las sustancias con una red iónica tienen una dureza y resistencia relativamente altas, son refractarias y no volátiles.

Arroz. 72.
Red cristalina iónica (cloruro de sodio)

Las redes atómicas se denominan redes cristalinas, en cuyos nodos hay átomos individuales. En tales redes, los átomos están interconectados por enlaces covalentes muy fuertes.

Arroz. 73.
Red cristalina atómica (diamante)

Este tipo de red cristalina tiene un diamante (Fig. 73), una de las modificaciones alotrópicas del carbono. Los diamantes cortados y pulidos se llaman brillantes. Son muy utilizados en joyería (Fig. 74).

Arroz. 74.
Dos coronas imperiales con diamantes:
a - la corona del Imperio Británico; b - Gran Corona Imperial del Imperio Ruso

Las sustancias con una red cristalina atómica incluyen boro cristalino, silicio y germanio, así como sustancias complejas, como sílice, cuarzo, arena, cristal de roca, que incluyen óxido de silicio (IV) SiO 2 (Fig. 75).

Arroz. 75.
Red cristalina atómica (óxido de silicio (IV))

La mayoría de las sustancias con una red cristalina atómica tienen puntos de fusión muy altos (por ejemplo, para el diamante supera los 3500 °C, para el silicio - 1415 °C, para la sílice - 1728 °C), son fuertes y duras, prácticamente insolubles.

Las redes moleculares se denominan redes cristalinas, en cuyos nodos se ubican las moléculas. Los enlaces químicos en estas moléculas pueden ser covalentes polares (cloruro de hidrógeno HCl, agua H 2 0) y covalentes no polares (nitrógeno N 2, ozono 0 3). A pesar del hecho de que los átomos dentro de las moléculas están unidos por enlaces covalentes muy fuertes, existen fuerzas débiles de atracción intermolecular entre las propias moléculas. Por lo tanto, las sustancias con redes cristalinas moleculares tienen baja dureza, bajos puntos de fusión y son volátiles.

Ejemplos de sustancias con redes cristalinas moleculares son agua sólida - hielo, monóxido de carbono sólido (IV) C) 2 - "hielo seco" (Fig. 76), cloruro de hidrógeno sólido HCl y sulfuro de hidrógeno H 2 S, sustancias sólidas simples formadas por uno - (gases nobles: helio, neón, argón, criptón), dos- (hidrógeno H 2, oxígeno O 2, cloro Cl 2, nitrógeno N 2, yodo 1 2), tres- (ozono O 3), cuatro- (blanco fósforo P 4 ), moléculas de ocho átomos (azufre S 7). La mayoría de los compuestos orgánicos sólidos tienen redes cristalinas moleculares (naftaleno, glucosa, azúcar).

Arroz. 76.
Red cristalina molecular (dióxido de carbono)

Las sustancias con un enlace metálico tienen redes cristalinas metálicas (Fig. 77). En los nodos de dichas redes hay átomos e iones (ya sean átomos o iones, en los que los átomos metálicos se convierten fácilmente, dando sus electrones exteriores para uso común). Tal estructura interna de los metales determina sus propiedades físicas características: maleabilidad, plasticidad, conductividad eléctrica y térmica, brillo metálico.

Arroz. 77.
Celosía cristalina metálica (hierro)

Experimento de laboratorio No. 13
Conocimiento de la colección de sustancias con diferentes tipos de redes cristalinas. Realización de modelos de redes cristalinas.

Revisar la colección de muestras de sustancias que se le entregó. Escriba sus fórmulas, caracterice las propiedades físicas y, en base a ellas, determine el tipo de red cristalina.

Ensamble un modelo de una de las redes cristalinas.

Para sustancias que tienen una estructura molecular, es válida la ley de constancia de composición descubierta por el químico francés J. L. Proust (1799-1803). Esta ley actualmente está formulada de la siguiente manera:

La ley de Proust es una de las leyes fundamentales de la química. Sin embargo, para sustancias de estructura no molecular, por ejemplo, iónica, esta ley no siempre es cierta.

Palabras clave y frases

1. Estados sólido, líquido y gaseoso de la materia.
2. Sólidos: amorfos y cristalinos.
3. Redes cristalinas: iónicas, atómicas, moleculares y metálicas.
4. Propiedades físicas de sustancias con diferentes tipos de redes cristalinas.
5. La ley de constancia de composición.

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preguntas y tareas

1. ¿En qué estado de agregación estará el oxígeno a -205 °C?
2. Recuerde el trabajo de A. Belyaev "El vendedor de aire" y caracterice las propiedades del oxígeno sólido utilizando su descripción dada en el libro.
3. ¿Qué tipo de sustancia (cristalina o amorfa) son los plásticos? ¿Qué propiedades de los plásticos subyacen a sus aplicaciones industriales?
4. ¿Qué tipo de red cristalina de diamante es? Haz una lista de las propiedades físicas de un diamante.
5. ¿Qué tipo de red cristalina es el yodo? Enumera las propiedades físicas del yodo.
6. ¿Por qué el punto de fusión de los metales varía en un rango muy amplio? Para preparar una respuesta a esta pregunta, utilice literatura adicional.
7. ¿Por qué un producto hecho de silicona se rompe en pedazos con el impacto, mientras que un producto hecho de plomo solo se aplana? ¿En cuál de estos casos ocurre la destrucción de un enlace químico y en cuál no? ¿Por qué?

La mayoría de los sólidos tienen cristalino estructura que se caracteriza arreglo estrictamente definido de partículas. Si conecta las partículas con líneas condicionales, obtiene un marco espacial llamado red cristalina. Los puntos donde se encuentran las partículas de cristal se denominan nodos de red. Los nodos de una red imaginaria pueden contener átomos, iones o moléculas.

Dependiendo de la naturaleza de las partículas ubicadas en los nodos y de la naturaleza de la conexión entre ellas, se distinguen cuatro tipos de redes cristalinas: iónicas, metálicas, atómicas y moleculares.

Iónico llamadas redes, en cuyos nodos hay iones.

Están formados por sustancias con enlaces iónicos. En los nodos de dicha red, se ubican iones positivos y negativos, interconectados por interacción electrostática.

Las redes cristalinas iónicas tienen sales, álcalis, óxidos metálicos activos. Los iones pueden ser simples o complejos. Por ejemplo, en los sitios de la red cristalina de cloruro de sodio hay iones de sodio simples Na y cloro Cl -, y en los sitios de la red de sulfato de potasio, iones de potasio simples K e iones de sulfato complejos S O 4 2 - se alternan.

Los enlaces entre los iones en tales cristales son fuertes. Por lo tanto, las sustancias iónicas son sólidas, refractarias, no volátiles. Tales sustancias son buenas. disolver en agua.

La red cristalina de cloruro de sodio

Cristal de cloruro de sodio

metal llamadas redes, que consisten en iones positivos y átomos de metal y electrones libres.

Están formados por sustancias con un enlace metálico. En los nodos de la red metálica hay átomos e iones (ya sean átomos o iones, en los que los átomos se convierten fácilmente, dando sus electrones exteriores para uso común).

Tales redes cristalinas son características de sustancias simples de metales y aleaciones.

Los puntos de fusión de los metales pueden ser diferentes (desde \(-37\) °C para el mercurio hasta dos a tres mil grados). Pero todos los metales tienen una característica. lustre metálico, maleabilidad , ductilidad , conducir bien la electricidad y calurosamente.

celosía de cristal de metal

Hardware

Se llaman redes cristalinas atómicas, en cuyos nodos hay átomos individuales conectados por enlaces covalentes.

Este tipo de red tiene un diamante, una de las modificaciones alotrópicas del carbono. Las sustancias con una red cristalina atómica incluyen grafito, silicio, boro y germanio, así como sustancias complejas, por ejemplo, carborundo SiC y sílice, cuarzo, cristal de roca, arena, que incluyen óxido de silicio (\ (IV \)) Si O 2.

Estas sustancias se caracterizan alta resistencia y dureza. Por lo tanto, el diamante es la sustancia natural más dura. Las sustancias con una red cristalina atómica tienen una altos puntos de fusión y hirviendo. Por ejemplo, el punto de fusión de la sílice es \(1728\) °C, mientras que el del grafito es mayor - \(4000\) °C. Los cristales atómicos son prácticamente insolubles.

Red cristalina de diamante

Diamante

Molecular llamadas redes, en cuyos nodos hay moléculas unidas por una interacción intermolecular débil.

A pesar de que dentro de las moléculas los átomos están conectados por enlaces covalentes muy fuertes, fuerzas débiles de atracción intermolecular actúan entre las propias moléculas. Por lo tanto, los cristales moleculares tienen poca fuerza y dureza puntos de fusión bajos y hirviendo. Muchas sustancias moleculares son líquidos y gases a temperatura ambiente. Tales sustancias son volátiles. Por ejemplo, el yodo cristalino y el monóxido de carbono sólido (\ (IV \)) ("hielo seco") se evaporan sin pasar a estado líquido. Algunas sustancias moleculares son oler .

Las sustancias simples en estado sólido de agregación tienen este tipo de red: los gases nobles con moléculas monoatómicas (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn ), así como no metales con dos y moléculas poliatómicas (H 2, O 2, N 2, Cl 2, I 2, O 3, P 4, S 8).

La red cristalina molecular tiene también sustancias con enlaces polares covalentes: agua - hielo, amoníaco sólido, ácidos, óxidos no metálicos. Mayoría compuestos orgánicos también son cristales moleculares (naftalina, azúcar, glucosa).

Como sabemos, todas las sustancias materiales pueden existir en tres estados básicos: líquido, sólido y gaseoso. Es cierto que también existe un estado de plasma, que los científicos consideran nada menos que el cuarto estado de la materia, pero nuestro artículo no trata sobre el plasma. El estado sólido de la materia es, por tanto, sólido, porque tiene una estructura cristalina especial, cuyas partículas están en un cierto y bien definido orden, creando así una red cristalina. La estructura de la red cristalina consiste en la repetición de celdas elementales idénticas: átomos, moléculas, iones, otras partículas elementales interconectadas por varios nodos.

Tipos de redes cristalinas

Dependiendo de las partículas de la red cristalina, hay catorce tipos, le daremos los más populares:

• Red cristalina iónica.
• Red cristalina atómica.
• Red cristalina molecular.
• celda de cristal

Red cristalina iónica

La característica principal de la estructura de la red cristalina de iones son las cargas eléctricas opuestas, de hecho, de los iones, como resultado de lo cual se forma un campo electromagnético que determina las propiedades de las sustancias que tienen una red cristalina iónica. Y esto es refractariedad, dureza, densidad y la capacidad de conducir corriente eléctrica. La sal puede ser un ejemplo típico de una red cristalina iónica.

Red cristalina atómica

Las sustancias con una red cristalina atómica, por regla general, tienen nodos fuertes en sus nodos, que consisten en átomos propiamente dichos. Un enlace covalente ocurre cuando dos átomos idénticos comparten fraternalmente electrones entre sí, formando así un par común de electrones para los átomos vecinos. Debido a esto, los enlaces covalentes unen fuerte y uniformemente a los átomos en un orden estricto; quizás este sea el rasgo más característico de la estructura de la red cristalina atómica. Los elementos químicos con enlaces similares pueden presumir de su dureza, alto punto de fusión. La red cristalina atómica tiene elementos químicos como el diamante, el silicio, el germanio y el boro.

Red cristalina molecular

El tipo molecular de la red cristalina se caracteriza por la presencia de moléculas estables y compactas. Están ubicados en los nodos de la red cristalina. En estos nodos, están sostenidos por tales fuerzas de van der Waals, que son diez veces más débiles que las fuerzas de interacción iónica. Un ejemplo sorprendente de una red cristalina molecular es el hielo, una sustancia sólida que, sin embargo, tiene la propiedad de convertirse en líquido; los enlaces entre las moléculas de la red cristalina son muy débiles.

celosía de cristal de metal

El tipo de enlace de la red cristalina metálica es más flexible y plástico que el iónico, aunque exteriormente son muy similares. Su característica distintiva es la presencia de cationes cargados positivamente (iones metálicos) en los sitios de red. Entre los nodos viven electrones que intervienen en la creación de un campo eléctrico, estos electrones también se denominan gas eléctrico. La presencia de tal estructura de una red cristalina de metal explica sus propiedades: resistencia mecánica, conductividad térmica y eléctrica, fusibilidad.

Redes cristalinas, vídeo

Y finalmente, una explicación detallada en video de las propiedades de las redes cristalinas.

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Las redes cristalinas moleculares y sus correspondientes enlaces moleculares se forman principalmente en los cristales de aquellas sustancias en cuyas moléculas los enlaces son covalentes. Cuando se calientan, los enlaces entre las moléculas se destruyen fácilmente, por lo que las sustancias con redes moleculares tienen puntos de fusión bajos.

Las redes cristalinas moleculares se forman a partir de moléculas polares, entre las cuales surgen fuerzas de interacción, las llamadas fuerzas de van der Waals, que son de naturaleza eléctrica. En la red molecular, llevan a cabo un enlace bastante débil. El hielo, el azufre natural y muchos compuestos orgánicos tienen una red cristalina molecular.

La red cristalina molecular del yodo se muestra en la fig. 3.17. La mayoría de los compuestos orgánicos cristalinos tienen una red molecular.

Los nodos de la red cristalina molecular están formados por moléculas. La red molecular tiene, por ejemplo, cristales de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, gases nobles, dióxido de carbono, sustancias orgánicas.

La presencia de la red cristalina molecular de la fase sólida es la razón de la adsorción insignificante de iones de las aguas madres y, en consecuencia, de la pureza mucho mayor de los precipitados en comparación con los precipitados, que se caracterizan por un cristal iónico. Dado que la precipitación en este caso ocurre en el rango óptimo de acidez, que es diferente para los iones precipitados por este reactivo, depende del valor de las correspondientes constantes de estabilidad de los complejos. Este hecho permite, ajustando la acidez de la solución, conseguir una precipitación selectiva ya veces incluso específica de ciertos iones. A menudo se pueden obtener resultados similares modificando adecuadamente los grupos donantes en los reactivos orgánicos, teniendo en cuenta las características de los cationes complejantes que precipitan.

En las redes cristalinas moleculares, se observa anisotropía local de los enlaces, es decir, las fuerzas intramoleculares son muy grandes en comparación con las intermoleculares.

En las redes cristalinas moleculares, las moléculas se ubican en los sitios de la red. La mayoría de las sustancias con enlace covalente forman cristales de este tipo. Las redes moleculares forman hidrógeno sólido, cloro, dióxido de carbono y otras sustancias que son gaseosas a temperaturas ordinarias. Los cristales de la mayoría de las sustancias orgánicas también son de este tipo. Por lo tanto, se conocen muchas sustancias con una red cristalina molecular.

En las redes cristalinas moleculares, sus moléculas constituyentes están unidas entre sí por fuerzas de van der Waals relativamente débiles, mientras que los átomos dentro de la molécula están unidos por un enlace covalente mucho más fuerte. Por lo tanto, en dichas redes, las moléculas conservan su individualidad y ocupan un sitio de la red cristalina. La sustitución aquí es posible si las moléculas son similares en forma y tamaño. Dado que las fuerzas que unen las moléculas son relativamente débiles, los límites de sustitución aquí son mucho más amplios. Como demostró Nikitin, los átomos de los gases nobles pueden reemplazar isomórficamente a las moléculas de CO2, SO2, CH3COCH3 y otras en las redes de estas sustancias. La similitud de la fórmula química no es necesaria aquí.

En las redes cristalinas moleculares, las moléculas se ubican en los sitios de la red. La mayoría de las sustancias con enlace covalente forman cristales de este tipo. Las redes moleculares forman hidrógeno sólido, cloro, dióxido de carbono y otras sustancias que son gaseosas a temperaturas ordinarias. Los cristales de la mayoría de las sustancias orgánicas también son de este tipo. Por lo tanto, se conocen muchas sustancias con una red cristalina molecular. Las moléculas ubicadas en los sitios de la red están unidas entre sí por fuerzas intermoleculares (la naturaleza de estas fuerzas se discutió anteriormente; consulte la página). Dado que las fuerzas intermoleculares son mucho más débiles que las fuerzas de enlace químico, los cristales moleculares de bajo punto de fusión se caracterizan por una volatilidad significativa. su dureza es baja.Especialmente bajos los puntos de fusión y ebullición de aquellas sustancias cuyas moléculas no son polares.Por ejemplo, los cristales de parafina son muy blandos, aunque los enlaces covalentes C-C en las moléculas de hidrocarburo que forman estos cristales son tan fuertes como los Los enlaces en los gases de diamante también deben atribuirse a los gases moleculares, que consisten en moléculas monoatómicas, ya que las fuerzas de valencia no juegan un papel en la formación de estos cristales, y los enlaces entre partículas aquí tienen el mismo carácter que en otros cristales moleculares; esto provoca un valor relativamente grande de distancias interatómicas en estos cristales.

En los nodos de las redes cristalinas moleculares hay moléculas que están conectadas entre sí por fuerzas intermoleculares débiles. Dichos cristales forman sustancias con un enlace covalente en las moléculas. Se conocen muchas sustancias con una red cristalina molecular. Las redes moleculares tienen hidrógeno sólido, cloro, dióxido de carbono y otras sustancias que son gaseosas a temperatura ordinaria. Los cristales de la mayoría de las sustancias orgánicas también son de este tipo.