Kebanyakan bahan dicirikan oleh keupayaan, bergantung pada keadaan, berada dalam salah satu daripada tiga keadaan pengagregatan: pepejal, cecair atau gas.
Sebagai contoh, air pada tekanan normal dalam julat suhu 0-100 o C ialah cecair, pada suhu melebihi 100 o C ia hanya boleh wujud dalam keadaan gas, dan pada suhu di bawah 0 o C ia adalah pepejal.
Bahan dalam keadaan pepejal dibahagikan kepada amorfus dan kristal.
Ciri ciri bahan amorf ialah ketiadaan takat lebur yang jelas: kecairan mereka secara beransur-ansur meningkat dengan peningkatan suhu. Bahan amorf termasuk sebatian seperti lilin, parafin, kebanyakan plastik, kaca, dll.
Namun, bahan kristal mempunyai takat lebur tertentu, i.e. bahan dengan struktur kristal berpindah daripada pepejal kepada keadaan cecair tidak beransur-ansur, tetapi secara tiba-tiba, apabila mencapai suhu tertentu. Contoh bahan kristal termasuk garam meja, gula dan ais.
Perbezaan dalam sifat fizik pepejal amorf dan kristal adalah terutamanya disebabkan oleh ciri-ciri struktur bahan tersebut. Apakah perbezaan antara bahan dalam keadaan amorf dan kristal yang paling mudah difahami daripada ilustrasi berikut:
Seperti yang anda lihat, dalam bahan amorf, tidak seperti kristal, tidak ada susunan dalam susunan zarah. Jika dalam bahan kristal anda secara mental menghubungkan dua atom rapat antara satu sama lain dengan garis lurus, maka anda boleh mendapati bahawa zarah yang sama akan terletak pada garis ini pada selang waktu yang ditentukan dengan ketat:
Oleh itu, dalam kes bahan kristal, kita boleh bercakap tentang konsep seperti kekisi kristal.
Kekisi kristal dipanggil rangka kerja spatial yang menghubungkan titik-titik dalam ruang di mana zarah-zarah yang membentuk kristal berada.
Titik dalam ruang di mana zarah-zarah yang membentuk kristal terletak dipanggil nod kekisi kristal .
Bergantung pada zarah mana yang terletak di nod kekisi kristal, mereka dibezakan: molekul, atom, ionik Dan kekisi kristal logam .
Dalam nod kekisi kristal molekul
Kekisi kristal ais sebagai contoh kekisi molekulTerdapat molekul di mana atom disambungkan oleh ikatan kovalen yang kuat, tetapi molekul itu sendiri dipegang berdekatan antara satu sama lain oleh daya antara molekul yang lemah. Disebabkan oleh interaksi antara molekul yang lemah, kristal dengan kekisi molekul adalah rapuh. Bahan sedemikian berbeza daripada bahan dengan jenis struktur lain dengan ketara menurunkan takat lebur dan didih, tidak mengalirkan arus elektrik, dan mungkin atau mungkin tidak larut dalam pelbagai pelarut. Penyelesaian sebatian tersebut mungkin mengalirkan arus elektrik atau tidak, bergantung kepada kelas sebatian tersebut. Sebatian dengan kekisi kristal molekul termasuk banyak bahan ringkas - bukan logam (H 2, O 2, Cl 2 yang dikeraskan, sulfur ortorombik S 8, fosforus putih P 4), serta banyak bahan kompleks - sebatian hidrogen bukan logam, asid, oksida bukan logam, kebanyakan bahan organik. Perlu diingatkan bahawa jika bahan berada dalam keadaan gas atau cecair, adalah tidak sesuai untuk bercakap tentang kekisi kristal molekul: adalah lebih tepat untuk menggunakan istilah jenis struktur molekul.
Kekisi kristal berlian sebagai contoh kekisi atomDalam nod kekisi kristal atom
terdapat atom. Lebih-lebih lagi, semua nod kekisi kristal sedemikian "dihubungkan" bersama melalui ikatan kovalen yang kuat ke dalam kristal tunggal. Malah, kristal seperti itu adalah satu molekul gergasi. Oleh kerana ciri strukturnya, semua bahan dengan kekisi kristal atom adalah pepejal, mempunyai takat lebur yang tinggi, tidak aktif secara kimia, tidak larut dalam air atau pelarut organik, dan leburannya tidak mengalirkan arus elektrik. Perlu diingat bahawa bahan dengan struktur jenis atom termasuk boron B, karbon C (berlian dan grafit), silikon Si daripada bahan mudah, dan silikon dioksida SiO 2 (kuarza), silikon karbida SiC, boron nitrida BN daripada bahan kompleks.
Untuk bahan dengan kekisi kristal ionik
tapak kekisi mengandungi ion yang bersambung antara satu sama lain melalui ikatan ionik.
Oleh kerana ikatan ion agak kuat, bahan dengan kekisi ionik mempunyai kekerasan dan refraktori yang agak tinggi. Selalunya, ia larut dalam air, dan penyelesaiannya, seperti cair, mengalirkan arus elektrik.
Bahan dengan kekisi kristal ionik termasuk logam dan garam ammonium (NH 4 +), bes, dan oksida logam. Tanda pasti struktur ionik bahan ialah kehadiran dalam komposisi kedua-dua atom logam biasa dan bukan logam.
Kekisi kristal natrium klorida sebagai contoh kekisi ionik
diperhatikan dalam kristal logam bebas, contohnya, natrium Na, besi Fe, magnesium Mg, dll. Dalam kes kekisi kristal logam, nodnya mengandungi kation dan atom logam, di mana elektron bergerak. Dalam kes ini, elektron yang bergerak secara berkala melekat pada kation, dengan itu meneutralkan casnya, dan atom logam neutral individu sebagai balasan "melepaskan" beberapa elektronnya, bertukar, pada gilirannya, menjadi kation. Sebenarnya, elektron "bebas" bukan milik atom individu, tetapi kepada keseluruhan kristal.
Ciri-ciri struktur sedemikian membawa kepada fakta bahawa logam mengalirkan haba dan arus elektrik dengan baik dan selalunya mempunyai kemuluran yang tinggi (mudah tempa).
Penyebaran suhu lebur logam adalah sangat besar. Sebagai contoh, takat lebur merkuri adalah kira-kira tolak 39 ° C (cecair dalam keadaan normal), dan tungsten ialah 3422 ° C. Perlu diingatkan bahawa dalam keadaan biasa semua logam kecuali merkuri adalah pepejal.
Ia bukan atom atau molekul individu yang memasuki interaksi kimia, tetapi bahan. Bahan dikelaskan mengikut jenis ikatan molekul dan bukan molekul bangunan.
Ini adalah bahan yang terdiri daripada molekul. Ikatan antara molekul dalam bahan sedemikian adalah sangat lemah, jauh lebih lemah daripada antara atom di dalam molekul, dan walaupun pada suhu yang agak rendah ia pecah - bahan itu bertukar menjadi cecair dan kemudian menjadi gas (pemejalwapan iodin). Takat lebur dan didih bahan yang terdiri daripada molekul meningkat dengan peningkatan berat molekul. Bahan molekul termasuk bahan dengan struktur atom (C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W), antaranya terdapat logam dan bukan logam.
Struktur bukan molekul bahan
Kepada bahan bukan molekul struktur termasuk sebatian ionik. Kebanyakan sebatian logam dengan bukan logam mempunyai struktur ini: semua garam (NaCl, K 2 S0 4), beberapa hidrida (LiH) dan oksida (CaO, MgO, FeO), bes (NaOH, KOH). Bahan ionik (bukan molekul) mempunyai takat lebur dan didih yang tinggi.
Pepejal: hablur dan amorf
Bahan amorfus mereka tidak mempunyai takat lebur yang jelas - apabila dipanaskan, mereka secara beransur-ansur melembut dan berubah menjadi keadaan bendalir. Sebagai contoh, plastisin dan pelbagai resin berada dalam keadaan amorf.
Bahan kristal dicirikan oleh susunan zarah yang betul di mana ia terdiri: atom, molekul dan ion - pada titik yang ditentukan dengan ketat dalam ruang. Apabila titik ini disambungkan dengan garis lurus, bingkai ruang terbentuk, dipanggil kekisi kristal. Titik di mana zarah kristal terletak dipanggil nod kekisi.
Bergantung pada jenis zarah yang terletak di nod kekisi kristal dan sifat sambungan di antara mereka, empat jenis kekisi kristal dibezakan: ionik, atom, molekul dan logam .
Kekisi kristal ionik
ionik dipanggil kekisi kristal, di mana nodnya terdapat ion. Mereka dibentuk oleh bahan dengan ikatan ionik, yang boleh mengikat kedua-dua ion ringkas Na +, Cl -, dan ion kompleks S0 4 2-, OH -. Akibatnya, garam dan beberapa oksida dan hidroksida logam mempunyai kekisi kristal ionik. Contohnya, hablur natrium klorida terbina daripada ion Na + positif dan negatif Cl - berselang-seli, membentuk kekisi berbentuk kubus.
Kisi kristal ionik garam meja
Ikatan antara ion dalam kristal sedemikian adalah sangat stabil. Oleh itu, bahan dengan kekisi ionik dicirikan oleh kekerasan dan kekuatan yang agak tinggi, ia adalah refraktori dan tidak meruap.
Kekisi kristal atom
atom dipanggil kekisi kristal, di mana nodnya terdapat atom individu. Dalam kekisi sedemikian, atom disambungkan antara satu sama lain oleh ikatan kovalen yang sangat kuat. Contoh bahan dengan jenis kekisi kristal ini ialah berlian, salah satu pengubahsuaian alotropik karbon.
Kekisi kristal atom berlian
Kebanyakan bahan dengan kekisi kristal atom mempunyai takat lebur yang sangat tinggi (contohnya, untuk berlian ia melebihi 3500 ° C), ia kuat dan keras, dan boleh dikatakan tidak larut.
Kekisi kristal molekul
Molekul dipanggil kekisi kristal, dalam nod yang terletak molekulnya.
Kisi kristal molekul iodin
Ikatan kimia dalam molekul ini boleh menjadi kutub (HCl, H 2 O) dan bukan kutub (N 2, O 2). Walaupun fakta bahawa atom di dalam molekul disambungkan oleh ikatan kovalen yang sangat kuat, daya tarikan antara molekul yang lemah bertindak antara molekul itu sendiri. Oleh itu, bahan dengan kekisi kristal molekul mempunyai kekerasan yang rendah, takat lebur yang rendah, dan tidak menentu. Kebanyakan sebatian organik pepejal mempunyai kekisi kristal molekul (naftalena, glukosa, gula).
Kekisi kristal logam
Bahan dengan ikatan logam mempunyai logam kekisi kristal.
Di tapak kekisi sedemikian terdapat atom dan ion (sama ada atom atau ion, di mana atom logam mudah berubah, melepaskan elektron luarnya "untuk kegunaan biasa"). Struktur dalaman logam ini menentukan sifat fizikal ciri mereka: kebolehtempaan, kemuluran, kekonduksian elektrik dan haba, ciri kilauan logam.
Muka surat 1
Kisi-kisi kristal molekul dan ikatan molekul yang sepadan terbentuk terutamanya dalam kristal bahan-bahan yang di dalamnya ikatannya kovalen. Apabila dipanaskan, ikatan antara molekul mudah dimusnahkan, itulah sebabnya bahan dengan kekisi molekul mempunyai takat lebur yang rendah.
Kekisi kristal molekul terbentuk daripada molekul kutub, di antaranya timbul daya interaksi, yang dipanggil daya van der Waals, yang bersifat elektrik. Dalam kekisi molekul mereka membentuk ikatan yang agak lemah. Ais, sulfur asli dan banyak sebatian organik mempunyai kekisi kristal molekul.
Kekisi kristal molekul iodin ditunjukkan dalam Rajah. 3.17. Kebanyakan sebatian organik kristal mempunyai kekisi molekul.
Nod kekisi kristal molekul dibentuk oleh molekul. Contohnya, kristal hidrogen, oksigen, nitrogen, gas mulia, karbon dioksida, dan bahan organik mempunyai kekisi molekul.
Kehadiran kekisi kristal molekul fasa pepejal adalah sebab bagi penjerapan ion yang tidak ketara daripada minuman keras ibu, dan, akibatnya, untuk ketulenan mendakan yang jauh lebih tinggi berbanding dengan mendakan yang dicirikan oleh kristal ionik. Oleh kerana pemendakan dalam kes ini berlaku di kawasan keasidan optimum, yang berbeza untuk ion yang dimendakkan oleh reagen ini, ia bergantung kepada nilai pemalar kestabilan yang sepadan bagi kompleks. Fakta ini membolehkan, dengan melaraskan keasidan larutan, untuk mencapai pemendakan selektif dan kadangkala khusus bagi ion-ion tertentu. Keputusan yang sama selalunya boleh diperolehi dengan pengubahsuaian yang sesuai bagi kumpulan penderma dalam reagen organik, dengan mengambil kira ciri-ciri kation pengkompleksan yang dimendakkan.
Dalam kekisi kristal molekul, anisotropi tempatan ikatan diperhatikan, iaitu: daya intramolekul sangat besar berbanding dengan antara molekul.
Dalam kekisi kristal molekul, molekul terletak di tapak kekisi. Kebanyakan bahan dengan ikatan kovalen membentuk kristal jenis ini. Kekisi molekul membentuk pepejal hidrogen, klorin, karbon dioksida dan bahan lain yang bergas pada suhu biasa. Kristal kebanyakan bahan organik juga tergolong dalam jenis ini. Oleh itu, banyak bahan dengan kekisi kristal molekul diketahui.
Dalam kekisi kristal molekul, molekul konstituen disambungkan antara satu sama lain menggunakan daya van der Waals yang agak lemah, manakala atom dalam molekul disambungkan oleh ikatan kovalen yang lebih kuat. Oleh itu, dalam kekisi sedemikian molekul mengekalkan keperibadian mereka dan menduduki satu tapak kekisi kristal. Penggantian di sini adalah mungkin jika molekul serupa dalam bentuk dan saiz. Oleh kerana daya yang menghubungkan molekul agak lemah, sempadan penggantian di sini adalah lebih luas. Seperti yang ditunjukkan Nikitin, atom-atom gas mulia boleh menggantikan molekul CO2, SO2, CH3COCH3 dan lain-lain secara isomorfik dalam kekisi bahan-bahan ini. Persamaan formula kimia tidak diperlukan di sini.
Dalam kekisi kristal molekul, molekul terletak di tapak kekisi. Kebanyakan bahan dengan ikatan kovalen membentuk kristal jenis ini. Kekisi molekul membentuk pepejal hidrogen, klorin, karbon dioksida dan bahan lain yang bergas pada suhu biasa. Kristal kebanyakan bahan organik juga tergolong dalam jenis ini. Oleh itu, banyak bahan dengan kekisi kristal molekul diketahui. Molekul yang terletak di tapak kekisi disambungkan antara satu sama lain oleh daya antara molekul (sifat daya ini telah dibincangkan di atas; lihat halaman. Memandangkan daya antara molekul jauh lebih lemah daripada daya ikatan kimia, hablur molekul rendah lebur, dicirikan oleh kemeruapan yang ketara, dan kekerasannya rendah. Terutamanya takat lebur dan didih bahan-bahan yang molekulnya bukan kutub Contohnya, hablur parafin sangat lembut, walaupun ikatan kovalen C-C dalam molekul hidrokarbon yang mana kristal ini dibuat adalah sekuat. ikatan yang dibentuk oleh kristal mulia, juga harus diklasifikasikan sebagai molekul, yang terdiri daripada molekul monatomik, kerana daya valensi tidak memainkan peranan dalam pembentukan kristal ini, dan ikatan antara zarah di sini adalah sama seperti yang lain. kristal molekul; ini menentukan jarak interatomik yang agak besar dalam kristal ini;
| Skim pendaftaran Debyegram. |
Pada nod kekisi kristal molekul terdapat molekul yang disambungkan antara satu sama lain oleh daya antara molekul yang lemah. Hablur sedemikian membentuk bahan dengan ikatan kovalen dalam molekul. Banyak bahan dengan kekisi kristal molekul diketahui. Kekisi molekul mengandungi pepejal hidrogen, klorin, karbon dioksida dan bahan lain yang bergas pada suhu biasa. Kristal kebanyakan bahan organik juga tergolong dalam jenis ini.
Apabila menjalankan banyak tindak balas fizikal dan kimia, sesuatu bahan masuk ke dalam keadaan terkumpul pepejal. Dalam kes ini, molekul dan atom cenderung untuk menyusun diri mereka dalam susunan ruang yang mana daya interaksi antara zarah jirim akan seimbang secara maksimum. Ini adalah bagaimana kekuatan bahan pepejal dicapai. Atom, setelah menduduki kedudukan tertentu, melakukan pergerakan berayun kecil, amplitud yang bergantung pada suhu, tetapi kedudukannya di angkasa tetap tetap. Daya tarikan dan tolakan mengimbangi satu sama lain pada jarak tertentu.
Idea moden tentang struktur jirim
Sains moden menyatakan bahawa atom terdiri daripada nukleus bercas, yang membawa cas positif, dan elektron, yang membawa cas negatif. Pada kelajuan beberapa ribu trilion pusingan sesaat, elektron berputar dalam orbitnya, mewujudkan awan elektron di sekeliling nukleus. Caj positif nukleus secara berangka sama dengan cas negatif elektron. Oleh itu, atom bahan kekal neutral secara elektrik. Kemungkinan interaksi dengan atom lain berlaku apabila elektron tertanggal daripada atom induknya, dengan itu mengganggu keseimbangan elektrik. Dalam satu kes, atom disusun dalam susunan tertentu, yang dipanggil kekisi kristal. Dalam satu lagi, disebabkan interaksi kompleks nukleus dan elektron, mereka digabungkan menjadi molekul pelbagai jenis dan kerumitan.
Definisi kekisi kristal
Diambil bersama, pelbagai jenis kekisi kristal bahan adalah rangkaian dengan orientasi spatial yang berbeza, pada nod di mana ion, molekul atau atom terletak. Kedudukan spatial geometri yang stabil ini dipanggil kekisi kristal bahan. Jarak antara nod satu sel kristal dipanggil tempoh identiti. Sudut spatial di mana nod sel terletak dipanggil parameter. Mengikut kaedah membina ikatan, kekisi kristal boleh menjadi mudah, berpusat asas, berpusat muka, dan berpusatkan badan. Jika zarah jirim terletak hanya di sudut parallelepiped, kekisi sedemikian dipanggil mudah. Contoh kekisi sedemikian ditunjukkan di bawah:
Jika, sebagai tambahan kepada nod, zarah bahan terletak di tengah pepenjuru ruang, maka susunan zarah dalam bahan ini dipanggil kekisi kristal berpusat badan. Jenis ini jelas ditunjukkan dalam rajah.
Jika, sebagai tambahan kepada nod di bucu kekisi, terdapat nod di tempat di mana pepenjuru khayalan parallelepiped bersilang, maka anda mempunyai jenis kekisi berpusat muka.
Jenis kekisi kristal
Mikrozarah berbeza yang membentuk bahan menentukan jenis kekisi kristal yang berbeza. Mereka boleh menentukan prinsip membina sambungan antara mikrozarah di dalam kristal. Jenis fizikal kekisi kristal ialah ionik, atom dan molekul. Ini juga termasuk pelbagai jenis kekisi kristal logam. Kimia mengkaji prinsip struktur dalaman unsur. Jenis kekisi kristal dibentangkan dengan lebih terperinci di bawah.
Kekisi kristal ionik
Jenis kekisi kristal ini terdapat dalam sebatian dengan jenis ikatan ionik. Dalam kes ini, tapak kekisi mengandungi ion dengan cas elektrik yang bertentangan. Terima kasih kepada medan elektromagnet, daya interaksi interionik agak kuat, dan ini menentukan sifat fizikal bahan. Ciri-ciri biasa ialah refraktori, ketumpatan, kekerasan dan keupayaan untuk mengalirkan arus elektrik. Kekisi kristal jenis ionik terdapat dalam bahan seperti garam meja, kalium nitrat dan lain-lain.
Kekisi kristal atom
Jenis struktur jirim ini wujud dalam unsur yang strukturnya ditentukan oleh ikatan kimia kovalen. Jenis kekisi kristal jenis ini mengandungi atom individu pada nod, disambungkan antara satu sama lain oleh ikatan kovalen yang kuat. Ikatan jenis ini berlaku apabila dua atom yang sama "berkongsi" elektron, dengan itu membentuk sepasang elektron yang sama untuk atom jiran. Terima kasih kepada interaksi ini, ikatan kovalen mengikat atom secara sama rata dan kuat dalam susunan tertentu. Unsur kimia yang mengandungi jenis atom bagi kekisi kristal adalah keras, mempunyai takat lebur yang tinggi, merupakan pengalir elektrik yang lemah, dan tidak aktif secara kimia. Contoh klasik unsur dengan struktur dalaman yang serupa termasuk berlian, silikon, germanium dan boron.
Kekisi kristal molekul
Bahan yang mempunyai jenis molekul kisi kristal ialah sistem molekul yang stabil, berinteraksi, padat rapat yang terletak di nod kekisi kristal. Dalam sebatian sedemikian, molekul mengekalkan kedudukan spatialnya dalam fasa gas, cecair dan pepejal. Pada nod kristal, molekul disatukan oleh daya van der Waals yang lemah, yang berpuluh kali lebih lemah daripada daya interaksi ionik.
Molekul yang membentuk kristal boleh sama ada polar atau nonpolar. Disebabkan oleh pergerakan spontan elektron dan getaran nukleus dalam molekul, keseimbangan elektrik boleh beralih - ini adalah bagaimana momen dipol elektrik serta-merta timbul. Dipol berorientasikan yang sesuai mencipta daya tarikan dalam kekisi. Karbon dioksida dan parafin adalah contoh biasa unsur dengan kekisi kristal molekul.
Kekisi kristal logam
Ikatan logam adalah lebih fleksibel dan mulur daripada ikatan ionik, walaupun nampaknya kedua-duanya adalah berdasarkan prinsip yang sama. Jenis kekisi kristal logam menerangkan sifat tipikalnya - seperti kekuatan mekanikal, kekonduksian haba dan elektrik, dan kebolehcantuman.
Ciri tersendiri bagi kekisi kristal logam ialah kehadiran ion logam (kation) bercas positif di tapak kekisi ini. Di antara nod terdapat elektron yang terlibat secara langsung dalam mewujudkan medan elektrik di sekeliling kekisi. Bilangan elektron yang bergerak di dalam kekisi kristal ini dipanggil gas elektron.
Dengan ketiadaan medan elektrik, elektron bebas melakukan gerakan huru-hara, secara rawak berinteraksi dengan ion kekisi. Setiap interaksi tersebut mengubah momentum dan arah pergerakan zarah bercas negatif. Dengan medan elektrik mereka, elektron menarik kation kepada diri mereka sendiri, mengimbangi tolakan bersama mereka. Walaupun elektron dianggap bebas, tenaga mereka tidak mencukupi untuk meninggalkan kekisi kristal, jadi zarah bercas ini sentiasa berada dalam sempadannya.
Kehadiran medan elektrik memberikan tenaga tambahan kepada gas elektron. Sambungan dengan ion dalam kisi kristal logam tidak kuat, jadi elektron mudah meninggalkan sempadannya. Elektron bergerak sepanjang garis daya, meninggalkan ion bercas positif.
kesimpulan
Kimia sangat mementingkan kajian struktur dalaman jirim. Jenis kekisi kristal pelbagai unsur menentukan hampir keseluruhan julat sifatnya. Dengan mempengaruhi kristal dan mengubah struktur dalaman mereka, adalah mungkin untuk meningkatkan sifat yang diingini bagi sesuatu bahan dan mengeluarkan yang tidak diingini dan mengubah unsur kimia. Oleh itu, mengkaji struktur dalaman dunia sekeliling dapat membantu memahami intipati dan prinsip struktur alam semesta.