Твърдите вещества обикновено имат кристална структура. Характеризира се с правилното разположение на частиците в строго определени точки в пространството. Когато тези точки се съединят мислено чрез пресичащи се прави линии, се образува пространствена рамка, която се нарича кристална решетка.
Точките, в които се намират частиците, се наричат възли на кристална решетка. Възлите на една въображаема решетка могат да съдържат йони, атоми или молекули. Те извършват колебателни движения. С повишаване на температурата амплитудата на трептенията се увеличава, което се проявява в топлинното разширение на телата.
В зависимост от вида на частиците и естеството на връзката между тях се разграничават четири вида кристални решетки: йонни, атомни, молекулярни и метални.
Кристалните решетки, състоящи се от йони, се наричат йонни. Те се образуват от вещества с йонни връзки. Пример е кристал на натриев хлорид, в който, както вече беше отбелязано, всеки натриев йон е заобиколен от шест хлоридни йона, а всеки хлориден йон от шест натриеви йона. Това разположение съответства на най-плътното опаковане, ако йоните са представени като сфери, разположени в кристала. Много често кристалните решетки се изобразяват, както е показано на фиг., където са посочени само относителните позиции на частиците, но не и техните размери.
Броят на най-близките съседни частици, близки до дадена частица в кристал или в отделна молекула, се нарича координационен номер.
В решетката на натриев хлорид координационните числа на двата йона са 6. Така че в кристал на натриев хлорид е невъзможно да се изолират отделни молекули сол. Няма нито един от тях. Целият кристал трябва да се разглежда като гигантска макромолекула, състояща се от равен брой Na + и Cl - йони, Na n Cl n, където n е голямо число. Връзките между йони в такъв кристал са много силни. Следователно веществата с йонна решетка имат относително висока твърдост. Те са огнеупорни и ниско летящи.
Топенето на йонните кристали води до нарушаване на геометрично правилната ориентация на йоните един спрямо друг и намаляване на силата на връзката между тях. Следователно техните стопилки провеждат електрически ток. Йонните съединения обикновено се разтварят лесно в течности, състоящи се от полярни молекули, като вода.
Кристалните решетки, в чиито възли има отделни атоми, се наричат атомни. Атомите в такива решетки са свързани помежду си чрез силни ковалентни връзки. Пример за това е диамантът, една от модификациите на въглерода. Диамантът се състои от въглеродни атоми, всеки от които е свързан с четири съседни атома. Координационното число на въглерода в диаманта е 4 
. В диамантената решетка, както и в решетката на натриевия хлорид, няма молекули. Целият кристал трябва да се разглежда като гигантска молекула. Атомната кристална решетка е характерна за твърдия бор, силиций, германий и съединения на някои елементи с въглерод и силиций.
Кристалните решетки, състоящи се от молекули (полярни и неполярни), се наричат молекулярни.
Молекулите в такива решетки са свързани една с друга чрез относително слаби междумолекулни сили. Следователно веществата с молекулярна решетка имат ниска твърдост и ниски точки на топене, неразтворими или слабо разтворими във вода и техните разтвори почти не провеждат електрически ток. Броят на неорганичните вещества с молекулна решетка е малък.
Примери за тях са лед, твърд въглероден оксид (IV) („сух лед“), твърди водородни халиди, твърди прости вещества, образувани от едно- (благородни газове), две- (F 2, Cl 2, Br 2, I 2, H 2, O 2, N 2), три- (O 3), четири- (P 4), осем- (S 8) атомни молекули. Молекулярната кристална решетка на йода е показана на фиг. 
. Повечето кристални органични съединения имат молекулна решетка.
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 свързване на метална кристална решетка е по-гъвкав и пластичен от йонния, 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 електрическо 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.
Повечето вещества се характеризират със способността, в зависимост от условията, да бъдат в едно от трите агрегатни състояния: твърдо, течно или газообразно.
Например водата при нормално налягане в температурния диапазон 0-100 o C е течност, при температури над 100 o C може да съществува само в газообразно състояние, а при температури под 0 o C е твърдо.
Веществата в твърдо състояние се делят на аморфни и кристални.
Характерна особеност на аморфните вещества е липсата на ясна точка на топене: тяхната течливост постепенно се увеличава с повишаване на температурата. Аморфните вещества включват съединения като восък, парафин, повечето пластмаси, стъкло и др.
Все пак кристалните вещества имат определена точка на топене, т.е. вещество с кристална структура преминава от твърдо в течно състояние не постепенно, а рязко, при достигане на определена температура. Примери за кристални вещества включват готварска сол, захар и лед.
Разликата във физичните свойства на аморфните и кристалните твърди вещества се дължи главно на структурните характеристики на такива вещества. Каква е разликата между вещество в аморфно и кристално състояние може да се разбере най-лесно от следната илюстрация:
Както можете да видите, в аморфното вещество, за разлика от кристалното, няма ред в подреждането на частиците. Ако в кристално вещество свържете мислено два атома близо един до друг с права линия, можете да откриете, че едни и същи частици ще лежат на тази линия на строго определени интервали:
По този начин, в случай на кристални вещества, можем да говорим за такова понятие като кристална решетка.
Кристална решетка наречена пространствена рамка, свързваща точките от пространството, в които се намират частиците, които образуват кристала.
Точките в пространството, в които се намират частиците, образуващи кристала, се наричат възли на кристална решетка .
В зависимост от това кои частици са разположени във възлите на кристалната решетка, те се разграничават: молекулярни, атомни, йонни И метални кристални решетки .
Във възли молекулярна кристална решетка
Ледена кристална решетка като пример за молекулярна решеткаИма молекули, в които атомите са свързани чрез силни ковалентни връзки, но самите молекули се държат една близо до друга чрез слаби междумолекулни сили. Поради такива слаби междумолекулни взаимодействия, кристалите с молекулярна решетка са крехки. Такива вещества се различават от веществата с други видове структура със значително по-ниски точки на топене и кипене, не провеждат електрически ток и могат или не могат да се разтварят в различни разтворители. Разтворите на такива съединения могат или не могат да провеждат електрически ток в зависимост от класа на съединението. Съединенията с молекулярна кристална решетка включват много прости вещества - неметали (втвърден H 2, O 2, Cl 2, орторомбична сяра S 8, бял фосфор P 4), както и много сложни вещества - водородни съединения на неметали, киселини, неметални оксиди, повечето органични вещества. Трябва да се отбележи, че ако веществото е в газообразно или течно състояние, не е подходящо да се говори за молекулярна кристална решетка: по-правилно е да се използва терминът молекулярен тип структура.
Диамантена кристална решетка като пример за атомна решеткаВъв възли атомна кристална решетка
има атоми. Освен това всички възли на такава кристална решетка са „свързани“ заедно чрез силни ковалентни връзки в единичен кристал. Всъщност такъв кристал е една гигантска молекула. Поради структурните си особености всички вещества с атомна кристална решетка са твърди, имат високи точки на топене, химически неактивни, неразтворими нито във вода, нито в органични разтворители и стопилките им не провеждат електрически ток. Трябва да се помни, че веществата с атомен тип структура включват бор B, въглерод C (диамант и графит), силиций Si от прости вещества и силициев диоксид SiO 2 (кварц), силициев карбид SiC, борен нитрид BN от сложни вещества.
За вещества с йонна кристална решетка
местата на решетката съдържат йони, свързани помежду си чрез йонни връзки.
Тъй като йонните връзки са доста силни, веществата с йонна решетка имат относително висока твърдост и огнеупорност. Най-често те са разтворими във вода и техните разтвори, подобно на стопилките, провеждат електрически ток.
Веществата с йонна кристална решетка включват метални и амониеви соли (NH 4 +), основи и метални оксиди. Сигурен признак за йонната структура на дадено вещество е наличието в неговия състав на двата атома на типичен метал и неметал.
Кристална решетка на натриев хлорид като пример за йонна решетка
наблюдавани в кристали на свободни метали, например натрий Na, желязо Fe, магнезий Mg и др. В случай на метална кристална решетка, нейните възли съдържат катиони и метални атоми, между които се движат електрони. В този случай движещите се електрони периодично се прикрепят към катиони, като по този начин неутрализират заряда им, а отделните неутрални метални атоми в замяна „освобождават“ някои от своите електрони, превръщайки се на свой ред в катиони. Всъщност „свободните“ електрони не принадлежат на отделни атоми, а на целия кристал.
Такива структурни характеристики водят до факта, че металите провеждат топлина и електрически ток добре и често имат висока пластичност (ковкост).
Разликата в температурите на топене на металите е много голяма. Например, точката на топене на живака е приблизително минус 39 ° C (течност при нормални условия), а волфрамът е 3422 ° C. Трябва да се отбележи, че при нормални условия всички метали с изключение на живака са твърди вещества.
Образуването на молекули от атоми води до увеличаване на енергията, тъй като при нормални условия молекулярното състояние е по-стабилно от атомното състояние.
За да разгледате тази тема, трябва да знаете:
Електроотрицателността е способността на атома да измества обща електронна двойка към себе си. (Най-електроотрицателният елемент е флуорът.)
Кристална решетка - триизмерно подредено разположение на частиците.
Има три основни типа химични връзки: ковалентни, йонни и метални.
Метална връзка характерни за метали, които съдържат малък брой електрони на външно енергийно ниво (1 или 2, по-рядко 3). Тези електрони лесно губят контакт с ядрото и се движат свободно в парчето метал, образувайки „електронен облак“ и осигурявайки комуникация с положително заредените йони, образувани след отстраняването на електроните. Кристалната решетка е метална. Това определя физичните свойства на металите: висока топло- и електропроводимост, ковкост и пластичност, метален блясък.
Ковалентна връзка се образува поради обща електронна двойка неметални атоми, като всеки от тях постига стабилна конфигурация на атом на инертен елемент.
Ако една връзка се образува от атоми с еднаква електроотрицателност, тоест разликата в електроотрицателността на два атома е нула, електронната двойка е разположена симетрично между двата атома и връзката се нарича ковалентен неполярен.
Ако връзката е образувана от атоми с различна електроотрицателност и разликата в електроотрицателността на двата атома е в диапазона от нула до приблизително две (най-често това са различни неметали), тогава споделената електронна двойка се измества към повече електроотрицателен елемент. На него възниква частично отрицателен заряд (отрицателният полюс на молекулата), а на другия атом (положителният полюс на молекулата) възниква частично положителен заряд. Тази връзка се нарича ковалентен полярен.
Ако връзката се образува от атоми с различна електроотрицателност и разликата в електроотрицателността на два атома е повече от две (най-често това е неметал и метал), тогава се смята, че електронът е напълно прехвърлен към не - метален атом. В резултат на това този атом се превръща в отрицателно зареден йон. Атом, който отдава електрон, е положително зареден йон. Връзката между йони се нарича йонна връзка.
Съединенията с ковалентни връзки имат два вида кристални решетки: атомни и молекулни.
В атомната кристална решетка възлите съдържат атоми, свързани чрез силни ковалентни връзки. Веществата с такава кристална решетка имат високи точки на топене, здрави и твърди и практически неразтворими в течности. например диамант, твърд бор, силиций, германий и съединения на някои елементи с въглерод и силиций.
В молекулярната кристална решетка възлите съдържат молекули, свързани чрез слаби междумолекулни взаимодействия. Веществата с такава решетка имат ниска твърдост и ниски точки на топене, неразтворими или слабо разтворими във вода, а разтворите практически не провеждат електрически ток. Например лед, твърд въглероден оксид (IV) твърди водородни халогениди, прости твърди вещества, образувани от един-(благородни газове), два- (F 2, Cl 2, Br 2, I 2, H 2, O 2, N 2) , три-(O 3), четири-(P 4), осем-(S 8) атомни молекули. Повечето кристални органични съединения имат молекулна решетка.
Съединенията с йонни връзки имат йонна кристална решетка, в чиито възли се редуват положително и отрицателно заредени йони. Вещества с йонна решетка огнеупорен и нисколетлив, Те имат относително висока твърдост, но са крехки. Стопилки и водни разтвори на соли и алкали провеждат електрически ток.
Примерни задачи
1. В коя молекула ковалентната връзка „елемент - кислород” е най-полярна?
1) SO 2 2) NO 3) Cl 2 O 4) H 2 O
Решение:
Полярността на връзката се определя от разликата в електроотрицателността между два атома (в този случай елемент и кислород). Сярата, азотът и хлорът са разположени до кислорода, поради което тяхната електроотрицателност се различава леко. И само водородът се намира на разстояние от кислорода, което означава, че разликата в електроотрицателността ще бъде голяма и връзката ще бъде най-полярната.
Отговор: 4)
2. Между молекулите се образуват водородни връзки
1) метанол 2) метанал 3) ацетилен 4) метилформиат
Решение:
Ацетиленът изобщо не съдържа силно електроотрицателни елементи. Метаналът H 2 CO и метилформиатът HCOOCH 3 не съдържат водород, свързан със силно електроотрицателен елемент. Водородът в тях се комбинира с въглерод. Но в метанола CH 3 OH може да се образува водородна връзка между водородния атом на една хидроксо група и кислородния атом на друга молекула.
Отговор: 1)
При извършване на много физични и химични реакции веществото преминава в твърдо агрегатно състояние. В този случай молекулите и атомите се стремят да се подредят в такъв пространствен ред, при който силите на взаимодействие между частиците на материята биха били максимално балансирани. Така се постига здравината на твърдото вещество. Атомите, след като заемат определена позиция, извършват малки колебателни движения, чиято амплитуда зависи от температурата, но тяхното положение в пространството остава фиксирано. Силите на привличане и отблъскване се балансират взаимно на определено разстояние.
Съвременни представи за структурата на материята
Съвременната наука твърди, че атомът се състои от заредено ядро, което носи положителен заряд, и електрони, които носят отрицателен заряд. Със скорост от няколко хиляди трилиона оборота в секунда електроните се въртят в своите орбити, създавайки електронен облак около ядрото. Положителният заряд на ядрото е числено равен на отрицателния заряд на електроните. Така атомът на веществото остава електрически неутрален. Възможни взаимодействия с други атоми възникват, когато електроните се отделят от техния родителски атом, като по този начин се нарушава електрическият баланс. В единия случай атомите са подредени в определен ред, който се нарича кристална решетка. В друг, поради сложното взаимодействие на ядрата и електроните, те се комбинират в молекули от различен тип и сложност.
Определение за кристална решетка
Взети заедно, различни видове кристални решетки от вещества са мрежи с различна пространствена ориентация, в чиито възли са разположени йони, молекули или атоми. Тази стабилна геометрична пространствена позиция се нарича кристална решетка на веществото. Разстоянието между възлите на една кристална клетка се нарича период на идентичност. Пространствените ъгли, под които са разположени клетъчните възли, се наричат параметри. Според метода на изграждане на връзки кристалните решетки могат да бъдат прости, центрирани в основата, центрирани в лицето и центрирани в тялото. Ако частиците на материята са разположени само в ъглите на паралелепипеда, такава решетка се нарича проста. Пример за такава решетка е показан по-долу:
Ако в допълнение към възлите частиците на веществото са разположени в средата на пространствените диагонали, тогава това разположение на частиците в веществото се нарича плътно центрирана кристална решетка. Този тип е ясно показан на фигурата.
Ако в допълнение към възлите във върховете на решетката има възел на мястото, където се пресичат въображаемите диагонали на паралелепипеда, тогава имате лицево-центриран тип решетка.
Видове кристални решетки
Различните микрочастици, които изграждат едно вещество, определят различните видове кристални решетки. Те могат да определят принципа на изграждане на връзки между микрочастиците вътре в кристала. Физическите типове кристални решетки са йонни, атомни и молекулярни. Това включва и различни видове метални кристални решетки. Химията изучава принципите на вътрешната структура на елементите. Видовете кристални решетки са представени по-подробно по-долу.
Йонни кристални решетки
Тези типове кристални решетки присъстват в съединения с йонен тип връзка. В този случай местата на решетката съдържат йони с противоположни електрически заряди. Благодарение на електромагнитното поле силите на междуйонно взаимодействие са доста силни и това определя физичните свойства на веществото. Общи характеристики са огнеупорност, плътност, твърдост и способност за провеждане на електрически ток. Йонни видове кристални решетки се срещат във вещества като готварска сол, калиев нитрат и др.
Атомни кристални решетки
Този тип структура на материята е присъща на елементи, чиято структура се определя от ковалентни химични връзки. Типовете кристални решетки от този вид съдържат отделни атоми във възлите, свързани помежду си чрез силни ковалентни връзки. Този тип връзка възниква, когато два идентични атома „споделят“ електрони, като по този начин образуват обща двойка електрони за съседни атоми. Благодарение на това взаимодействие ковалентните връзки свързват атомите равномерно и силно в определен ред. Химическите елементи, които съдържат атомни типове кристални решетки, са твърди, имат висока точка на топене, са лоши проводници на електричество и са химически неактивни. Класически примери за елементи с подобна вътрешна структура включват диамант, силиций, германий и бор.
Молекулни кристални решетки
Веществата, които имат молекулярен тип кристална решетка, са система от стабилни, взаимодействащи, плътно опаковани молекули, които са разположени във възлите на кристалната решетка. В такива съединения молекулите запазват своето пространствено положение в газообразна, течна и твърда фаза. Във възлите на кристала молекулите се държат заедно от слаби сили на Ван дер Ваалс, които са десетки пъти по-слаби от силите на йонното взаимодействие.
Молекулите, които образуват кристал, могат да бъдат полярни или неполярни. Поради спонтанното движение на електроните и вибрациите на ядрата в молекулите, електрическото равновесие може да се измести - така възниква мигновен електрически диполен момент. Подходящо ориентираните диполи създават притегателни сили в решетката. Въглеродният диоксид и парафинът са типични примери за елементи с молекулярна кристална решетка.
Метални кристални решетки
Металната връзка е по-гъвкава и пластична от йонната връзка, въпреки че може да изглежда, че и двете се основават на един и същ принцип. Видовете кристални решетки на металите обясняват техните типични свойства - като механична якост, топло- и електропроводимост и топимост.
Отличителна черта на металната кристална решетка е наличието на положително заредени метални йони (катиони) в местата на тази решетка. Между възлите има електрони, които участват пряко в създаването на електрическо поле около решетката. Броят на електроните, движещи се в тази кристална решетка, се нарича електронен газ.
При липса на електрическо поле свободните електрони извършват хаотично движение, произволно взаимодействайки с решетъчните йони. Всяко такова взаимодействие променя импулса и посоката на движение на отрицателно заредената частица. Със своето електрическо поле електроните привличат катиони към себе си, балансирайки взаимното си отблъскване. Въпреки че електроните се считат за свободни, тяхната енергия не е достатъчна, за да напуснат кристалната решетка, така че тези заредени частици са постоянно в нейните граници.
Наличието на електрическо поле дава на електронния газ допълнителна енергия. Връзката с йони в кристалната решетка на металите не е силна, така че електроните лесно напускат нейните граници. Електроните се движат по силови линии, оставяйки след себе си положително заредени йони.
заключения
Химията отдава голямо значение на изучаването на вътрешната структура на материята. Видовете кристални решетки на различни елементи определят почти целия диапазон от техните свойства. Чрез въздействие върху кристалите и промяна на вътрешната им структура е възможно да се подобрят желаните свойства на веществото и да се премахнат нежеланите и да се трансформират химичните елементи. По този начин изучаването на вътрешната структура на околния свят може да помогне да се разбере същността и принципите на структурата на Вселената.