Większość substancji charakteryzuje się możliwością przebywania, w zależności od warunków, w jednym z trzech stanów skupienia: stałym, ciekłym lub gazowym.
Przykładowo woda pod ciśnieniem normalnym w zakresie temperatur 0-100 o C jest cieczą, w temperaturach powyżej 100 o C może występować tylko w stanie gazowym, a w temperaturach poniżej 0 o C jest ciałem stałym.
Substancje w stanie stałym dzielą się na amorficzne i krystaliczne.
Charakterystyczną cechą substancji amorficznych jest brak wyraźnej temperatury topnienia: ich płynność stopniowo wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Substancje amorficzne obejmują związki takie jak wosk, parafina, większość tworzyw sztucznych, szkło itp.
Jednak substancje krystaliczne mają określoną temperaturę topnienia, tj. substancja o strukturze krystalicznej przechodzi ze stanu stałego w ciekły nie stopniowo, ale gwałtownie, po osiągnięciu określonej temperatury. Przykłady substancji krystalicznych obejmują sól kuchenną, cukier i lód.
Różnica we właściwościach fizycznych substancji stałych amorficznych i krystalicznych wynika przede wszystkim z cech strukturalnych takich substancji. Jaka jest różnica między substancją w stanie amorficznym i krystalicznym, można najłatwiej zrozumieć na podstawie poniższej ilustracji:
Jak widać, w substancji amorficznej, w przeciwieństwie do krystalicznej, nie ma porządku w układzie cząstek. Jeśli w substancji krystalicznej połączysz mentalnie dwa atomy blisko siebie linią prostą, możesz odkryć, że te same cząstki będą leżeć na tej linii w ściśle określonych odstępach:
Zatem w przypadku substancji krystalicznych możemy mówić o takim pojęciu jak sieć krystaliczna.
Sieci krystalicznej zwany szkieletem przestrzennym łączącym punkty w przestrzeni, w których znajdują się cząstki tworzące kryształ.
Punkty w przestrzeni, w których znajdują się cząstki tworzące kryształ, nazywane są węzły sieci krystalicznej .
W zależności od tego, które cząstki znajdują się w węzłach sieci krystalicznej, wyróżnia się je: molekularne, atomowe, jonowe I metalowe sieci krystaliczne .
W węzłach molekularna sieć krystaliczna
Sieć krystaliczna lodu jako przykład sieci molekularnejIstnieją cząsteczki, w których atomy są połączone silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, ale same cząsteczki są utrzymywane blisko siebie przez słabe siły międzycząsteczkowe. Z powodu tak słabych oddziaływań międzycząsteczkowych kryształy z siecią molekularną są kruche. Substancje takie różnią się od substancji o innych typach budowy znacznie niższą temperaturą topnienia i wrzenia, nie przewodzą prądu elektrycznego i mogą, ale nie muszą, rozpuszczać się w różnych rozpuszczalnikach. Roztwory takich związków mogą przewodzić prąd elektryczny lub nie, w zależności od klasy związku. Związki o molekularnej sieci krystalicznej obejmują wiele prostych substancji - niemetali (utwardzony H 2, O 2, Cl 2, rombowa siarka S 8, biały fosfor P 4), a także wiele substancji złożonych - wodorowe związki niemetali, kwasy, tlenki niemetali, większość substancji organicznych. Należy zauważyć, że jeśli substancja jest w stanie gazowym lub ciekłym, niewłaściwe jest mówienie o molekularnej sieci krystalicznej: bardziej poprawne jest użycie terminu struktura molekularna.
Sieć krystaliczna diamentu jako przykład sieci atomowejW węzłach sieć krystaliczna atomu
są atomy. Co więcej, wszystkie węzły takiej sieci krystalicznej są „połączone” ze sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi w jeden kryształ. W rzeczywistości taki kryształ to jedna gigantyczna cząsteczka. Ze względu na swoje cechy strukturalne wszystkie substancje posiadające atomową sieć krystaliczną są stałe, mają wysoką temperaturę topnienia, są nieaktywne chemicznie, nierozpuszczalne ani w wodzie, ani w rozpuszczalnikach organicznych, a ich stopy nie przewodzą prądu elektrycznego. Należy pamiętać, że do substancji o budowie atomowej zalicza się bor B, węgiel C (diament i grafit), krzem Si z substancji prostych oraz dwutlenek krzemu SiO 2 (kwarc), węglik krzemu SiC, azotek boru BN z substancji złożonych.
Dla substancji z jonowa sieć krystaliczna
miejsca sieciowe zawierają jony połączone ze sobą wiązaniami jonowymi.
Ponieważ wiązania jonowe są dość mocne, substancje z siecią jonową mają stosunkowo wysoką twardość i ogniotrwałość. Najczęściej są rozpuszczalne w wodzie, a ich roztwory, podobnie jak stopy, przewodzą prąd elektryczny.
Substancje z jonową siecią krystaliczną obejmują sole metali i amonu (NH 4 +), zasady i tlenki metali. Pewnym znakiem struktury jonowej substancji jest obecność w jej składzie zarówno atomów typowego metalu, jak i niemetalu.
Sieć krystaliczna chlorku sodu jako przykład sieci jonowej
obserwowane w kryształach wolnych metali, na przykład sodu Na, żelaza Fe, magnezu Mg itp. W przypadku metalowej sieci krystalicznej jej węzły zawierają kationy i atomy metali, pomiędzy którymi przemieszczają się elektrony. W tym przypadku poruszające się elektrony okresowo przyłączają się do kationów, neutralizując w ten sposób ich ładunek, a poszczególne atomy metali obojętnych w zamian „uwalniają” część swoich elektronów, zamieniając się z kolei w kationy. Tak naprawdę „wolne” elektrony nie należą do poszczególnych atomów, ale do całego kryształu.
Takie cechy strukturalne powodują, że metale dobrze przewodzą ciepło i prąd elektryczny oraz często charakteryzują się dużą ciągliwością (kowalnością).
Rozrzut temperatur topnienia metali jest bardzo duży. Na przykład temperatura topnienia rtęci wynosi około minus 39 ° C (ciecz w normalnych warunkach), a wolframu wynosi 3422 ° C. Należy zauważyć, że w normalnych warunkach wszystkie metale z wyjątkiem rtęci są ciałami stałymi.
To nie pojedyncze atomy czy cząsteczki wchodzą w interakcje chemiczne, ale substancje. Substancje klasyfikuje się ze względu na rodzaj wiązania molekularne i niemolekularne Budynki.
Są to substancje zbudowane z cząsteczek. Wiązania między cząsteczkami w takich substancjach są bardzo słabe, znacznie słabsze niż między atomami wewnątrz cząsteczki i nawet w stosunkowo niskich temperaturach ulegają rozerwaniu - substancja przechodzi w ciecz, a następnie w gaz (sublimacja jodu). Temperatury topnienia i wrzenia substancji składających się z cząsteczek rosną wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej. Do substancji molekularnych zalicza się substancje o budowie atomowej (C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W), wśród nich wyróżnia się metale i niemetale.
Niemolekularna struktura substancji
Do substancji niemolekularny struktury obejmują związki jonowe. Większość związków metali z niemetalami ma tę strukturę: wszystkie sole (NaCl, K 2 S0 4), niektóre wodorki (LiH) i tlenki (CaO, MgO, FeO), zasady (NaOH, KOH). Substancje jonowe (niecząsteczkowe) mają wysokie temperatury topnienia i wrzenia.
Ciało stałe: krystaliczne i amorficzne
Substancje amorficzne nie mają wyraźnej temperatury topnienia - po podgrzaniu stopniowo miękną i przechodzą w stan płynny. Na przykład plastelina i różne żywice są w stanie amorficznym.
Substancje krystaliczne charakteryzują się prawidłowym ułożeniem cząstek, z których się składają: atomów, cząsteczek i jonów – w ściśle określonych punktach przestrzeni. Gdy punkty te połączą się liniami prostymi, powstaje układ przestrzenny, tzw sieci krystalicznej. Punkty, w których znajdują się cząstki kryształów, nazywane są węzły sieciowe.
W zależności od rodzaju cząstek znajdujących się w węzłach sieci krystalicznej oraz charakteru połączenia między nimi wyróżnia się cztery typy sieci krystalicznych: jonowe, atomowe, molekularne i metaliczne .
Jonowe sieci krystaliczne
joński nazywane są sieciami krystalicznymi, w których węzłach znajdują się jony. Tworzą je substancje posiadające wiązania jonowe, które mogą wiązać zarówno proste jony Na +, Cl -, jak i złożone S0 4 2-, OH -. W konsekwencji sole oraz niektóre tlenki i wodorotlenki metali mają jonowe sieci krystaliczne. Na przykład kryształ chlorku sodu zbudowany jest z naprzemiennych dodatnich jonów Na + i ujemnych jonów Cl -, tworząc siatkę w kształcie sześcianu.
Jonowa sieć krystaliczna soli kuchennej
Wiązania pomiędzy jonami w takim krysztale są bardzo trwałe. Dlatego substancje posiadające sieć jonową charakteryzują się stosunkowo dużą twardością i wytrzymałością, są ogniotrwałe i nielotne.
Atomowe sieci krystaliczne
Atomowy nazywane są sieciami krystalicznymi, w których węzłach znajdują się pojedyncze atomy. W takich sieciach atomy są połączone ze sobą bardzo silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Przykładem substancji o tego typu sieciach krystalicznych jest diament, jedna z alotropowych modyfikacji węgla.
Atomowa sieć krystaliczna diamentu
Większość substancji o atomowej sieci krystalicznej ma bardzo wysokie temperatury topnienia (np. dla diamentu ponad 3500°C), są mocne i twarde oraz praktycznie nierozpuszczalne.
Molekularne sieci krystaliczne
Molekularny zwane sieciami krystalicznymi, w węzłach których znajdują się cząsteczki.
Molekularna sieć krystaliczna jodu
Wiązania chemiczne w tych cząsteczkach mogą być zarówno polarne (HCl, H 2 O), jak i niepolarne (N 2, O 2). Pomimo tego, że atomy wewnątrz cząsteczek są połączone bardzo silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, pomiędzy samymi cząsteczkami działają słabe międzycząsteczkowe siły przyciągania. Dlatego substancje z molekularnymi sieciami krystalicznymi mają niską twardość, niską temperaturę topnienia i są lotne. Większość stałych związków organicznych ma molekularne sieci krystaliczne (naftalen, glukoza, cukier).
Metalowe sieci krystaliczne
Substancje z wiązaniami metalicznymi mają metal sieci krystaliczne.
W miejscach takich sieci znajdują się atomy i jony (albo atomy, albo jony, w które atomy metali łatwo przekształcają się, oddając swoje zewnętrzne elektrony „do powszechnego użytku”). Ta wewnętrzna struktura metali determinuje ich charakterystyczne właściwości fizyczne: ciągliwość, plastyczność, przewodność elektryczną i cieplną, charakterystyczny metaliczny połysk.
Strona 1
Molekularne sieci krystaliczne i odpowiadające im wiązania molekularne powstają głównie w kryształach tych substancji, w których cząsteczkach wiązania są kowalencyjne. Po podgrzaniu wiązania między cząsteczkami łatwo ulegają zniszczeniu, dlatego substancje posiadające sieci molekularne mają niskie temperatury topnienia.
Molekularne sieci krystaliczne powstają z cząsteczek polarnych, pomiędzy którymi powstają siły oddziaływania, tzw. siły van der Waalsa, które mają charakter elektryczny. W sieci molekularnej tworzą raczej słabe wiązanie. Lód, naturalna siarka i wiele związków organicznych mają molekularną sieć krystaliczną.
Molekularną sieć krystaliczną jodu pokazano na ryc. 3.17. Większość krystalicznych związków organicznych ma sieć molekularną.
Węzły molekularnej sieci krystalicznej są utworzone przez cząsteczki. Na przykład kryształy wodoru, tlenu, azotu, gazów szlachetnych, dwutlenku węgla i substancji organicznych mają sieć molekularną.
Obecność molekularnej sieci krystalicznej fazy stałej jest przyczyną niewielkiej adsorpcji jonów z ługu macierzystego, a co za tym idzie, znacznie większej czystości wydzieleń w porównaniu z osadami charakteryzującymi się kryształem jonowym. Ponieważ wytrącanie w tym przypadku zachodzi w optymalnym obszarze kwasowości, który jest inny dla jonów wytrącanych przez ten odczynnik, zależy to od wartości odpowiednich stałych stabilności kompleksów. Fakt ten pozwala, regulując kwasowość roztworu, uzyskać selektywne, a czasem nawet specyficzne wytrącanie określonych jonów. Podobne wyniki można często uzyskać poprzez odpowiednią modyfikację grup donorowych w odczynnikach organicznych, biorąc pod uwagę charakterystykę wytrąconych kationów kompleksujących.
W molekularnych sieciach krystalicznych obserwuje się lokalną anizotropię wiązań, a mianowicie: siły wewnątrzcząsteczkowe są bardzo duże w porównaniu do sił międzycząsteczkowych.
W molekularnych sieciach krystalicznych cząsteczki znajdują się w miejscach sieci. Większość substancji z wiązaniami kowalencyjnymi tworzy kryształy tego typu. Sieci molekularne tworzą stały wodór, chlor, dwutlenek węgla i inne substancje, które w zwykłych temperaturach mają charakter gazowy. Do tego typu należą również kryształy większości substancji organicznych. Zatem znanych jest wiele substancji posiadających molekularną sieć krystaliczną.
W molekularnych sieciach krystalicznych cząsteczki składowe są połączone ze sobą za pomocą stosunkowo słabych sił van der Waalsa, podczas gdy atomy w cząsteczce są połączone znacznie silniejszymi wiązaniami kowalencyjnymi. Dlatego w takich sieciach cząsteczki zachowują swoją indywidualność i zajmują jedno miejsce sieci krystalicznej. Podstawienie jest tutaj możliwe, jeśli cząsteczki mają podobny kształt i rozmiar. Ponieważ siły łączące cząsteczki są stosunkowo słabe, granice podstawienia są tutaj znacznie szersze. Jak pokazał Nikitin, atomy gazów szlachetnych mogą izomorficznie zastępować cząsteczki CO2, SO2, CH3COCH3 i inne w sieciach tych substancji. Podobieństwo wzorów chemicznych nie jest tutaj konieczne.
W molekularnych sieciach krystalicznych cząsteczki znajdują się w miejscach sieci. Większość substancji z wiązaniami kowalencyjnymi tworzy kryształy tego typu. Sieci molekularne tworzą stały wodór, chlor, dwutlenek węgla i inne substancje, które w zwykłych temperaturach mają charakter gazowy. Do tego typu należą również kryształy większości substancji organicznych. Zatem znanych jest wiele substancji posiadających molekularną sieć krystaliczną. Cząsteczki znajdujące się w miejscach sieci są połączone ze sobą siłami międzycząsteczkowymi (naturę tych sił omówiono powyżej; patrz str. Ponieważ siły międzycząsteczkowe są znacznie słabsze od sił wiązań chemicznych, kryształy molekularne są niskotopliwe, charakteryzują się znaczną lotnością i ich twardość jest niska.Szczególnie niskie temperatury topnienia i wrzenia substancji, których cząsteczki są niepolarne.Na przykład kryształy parafiny są bardzo miękkie, chociaż wiązania kowalencyjne CC w cząsteczkach węglowodorów, z których składają się te kryształy, są tak mocne jak wiązania w diamencie Kryształy utworzone przez gazy minerałów szlachetnych należy również zaklasyfikować jako molekularne, składające się z cząsteczek jednoatomowych, ponieważ siły walencyjne nie odgrywają roli w tworzeniu tych kryształów, a wiązania między cząstkami mają tutaj ten sam charakter jak w innych kryształach molekularnych; determinuje to stosunkowo duże odległości międzyatomowe w tych kryształach.
| Schemat rejestracji Debyegramu. |
W węzłach molekularnych sieci krystalicznych znajdują się cząsteczki połączone ze sobą słabymi siłami międzycząsteczkowymi. Takie kryształy tworzą substancje z wiązaniami kowalencyjnymi w cząsteczkach. Znanych jest wiele substancji posiadających molekularną sieć krystaliczną. Sieci molekularne zawierają stały wodór, chlor, dwutlenek węgla i inne substancje, które w zwykłych temperaturach mają postać gazową. Do tego typu należą również kryształy większości substancji organicznych.
Podczas przeprowadzania wielu reakcji fizycznych i chemicznych substancja przechodzi w stały stan skupienia. W tym przypadku cząsteczki i atomy mają tendencję do układania się w taki porządek przestrzenny, w którym siły oddziaływania pomiędzy cząsteczkami materii byłyby maksymalnie zrównoważone. W ten sposób uzyskuje się wytrzymałość substancji stałej. Atomy po zajęciu określonej pozycji wykonują niewielkie ruchy oscylacyjne, których amplituda zależy od temperatury, ale ich położenie w przestrzeni pozostaje stałe. Siły przyciągania i odpychania równoważą się w pewnej odległości.
Współczesne poglądy na temat budowy materii
Współczesna nauka twierdzi, że atom składa się z naładowanego jądra, które ma ładunek dodatni, i elektronów, które niosą ładunki ujemne. Z prędkością kilku tysięcy bilionów obrotów na sekundę elektrony wirują po swoich orbitach, tworząc chmurę elektronów wokół jądra. Dodatni ładunek jądra jest liczbowo równy ujemnemu ładunkowi elektronów. Zatem atom substancji pozostaje elektrycznie obojętny. Możliwe interakcje z innymi atomami mają miejsce, gdy elektrony odłączają się od atomu macierzystego, zakłócając w ten sposób równowagę elektryczną. W jednym przypadku atomy są ułożone w określonej kolejności, co nazywa się siecią krystaliczną. W innym, ze względu na złożone oddziaływanie jąder i elektronów, łączą się one w cząsteczki różnego typu i złożoności.
Definicja sieci krystalicznej
Podsumowując, różne typy sieci krystalicznych substancji to sieci o różnych orientacjach przestrzennych, w których węzłach znajdują się jony, cząsteczki lub atomy. To stabilne geometryczne położenie przestrzenne nazywane jest siecią krystaliczną substancji. Odległość między węzłami jednej komórki kryształowej nazywa się okresem tożsamości. Kąty przestrzenne, pod którymi znajdują się węzły komórkowe, nazywane są parametrami. Zgodnie z metodą konstruowania wiązań sieci krystaliczne mogą być proste, skupione na podstawie, skupione na twarzy i skupione na ciele. Jeśli cząstki materii znajdują się tylko w rogach równoległościanu, taką sieć nazywa się prostą. Przykład takiej kraty pokazano poniżej:
Jeżeli oprócz węzłów cząstki substancji znajdują się w środku przekątnych przestrzennych, wówczas taki układ cząstek w substancji nazywa się siecią krystaliczną skupioną na ciele. Ten typ jest wyraźnie pokazany na rysunku.
Jeżeli oprócz węzłów na wierzchołkach sieci znajduje się węzeł w miejscu przecięcia wyimaginowanych przekątnych równoległościanu, wówczas mamy sieć typu centrowanego na ścianie.
Rodzaje sieci krystalicznych
Różne mikrocząstki tworzące substancję determinują różne typy sieci krystalicznych. Potrafią określić zasadę budowania połączeń pomiędzy mikrocząstkami wewnątrz kryształu. Fizyczne typy sieci krystalicznych są jonowe, atomowe i molekularne. Obejmuje to również różne rodzaje metalowych sieci krystalicznych. Chemia bada zasady wewnętrznej struktury pierwiastków. Rodzaje sieci krystalicznych przedstawiono bardziej szczegółowo poniżej.
Jonowe sieci krystaliczne
Tego typu sieci krystaliczne występują w związkach z wiązaniem jonowym. W tym przypadku miejsca sieciowe zawierają jony o przeciwnych ładunkach elektrycznych. Dzięki polu elektromagnetycznemu siły oddziaływania międzyjonowego są dość silne, co determinuje właściwości fizyczne substancji. Wspólnymi cechami są ogniotrwałość, gęstość, twardość i zdolność przewodzenia prądu elektrycznego. Jonowe typy sieci krystalicznych występują w substancjach takich jak sól kuchenna, azotan potasu i inne.
Atomowe sieci krystaliczne
Ten typ struktury materii jest nieodłączny od pierwiastków, których strukturę wyznaczają kowalencyjne wiązania chemiczne. Tego typu sieci krystaliczne zawierają w węzłach pojedyncze atomy, połączone ze sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Ten typ wiązania występuje, gdy dwa identyczne atomy „współdzielą” elektrony, tworząc w ten sposób wspólną parę elektronów dla sąsiednich atomów. Dzięki temu oddziaływaniu wiązania kowalencyjne wiążą atomy równomiernie i silnie w określonej kolejności. Pierwiastki chemiczne zawierające sieci krystaliczne typu atomowego są twarde, mają wysoką temperaturę topnienia, są słabymi przewodnikami prądu elektrycznego i są nieaktywne chemicznie. Klasycznymi przykładami pierwiastków o podobnej strukturze wewnętrznej są diament, krzem, german i bor.
Molekularne sieci krystaliczne
Substancje posiadające molekularny typ sieci krystalicznej to układ stabilnych, oddziałujących, ściśle upakowanych cząsteczek, które znajdują się w węzłach sieci krystalicznej. W takich związkach cząsteczki zachowują swoje położenie przestrzenne w fazie gazowej, ciekłej i stałej. W węzłach kryształu cząsteczki są utrzymywane razem przez słabe siły van der Waalsa, które są dziesiątki razy słabsze niż siły oddziaływania jonowego.
Cząsteczki tworzące kryształ mogą być polarne lub niepolarne. W wyniku spontanicznego ruchu elektronów i drgań jąder w cząsteczkach równowaga elektryczna może się przesunąć – w ten sposób powstaje chwilowy elektryczny moment dipolowy. Odpowiednio zorientowane dipole wytwarzają siły przyciągające w sieci. Dwutlenek węgla i parafina są typowymi przykładami pierwiastków z molekularną siecią krystaliczną.
Metalowe sieci krystaliczne
Wiązanie metaliczne jest bardziej elastyczne i ciągliwe niż wiązanie jonowe, chociaż może się wydawać, że oba opierają się na tej samej zasadzie. Rodzaje sieci krystalicznych metali wyjaśniają ich typowe właściwości - takie jak wytrzymałość mechaniczna, przewodność cieplna i elektryczna oraz topliwość.
Charakterystyczną cechą metalowej sieci krystalicznej jest obecność dodatnio naładowanych jonów metali (kationów) w miejscach tej sieci. Pomiędzy węzłami znajdują się elektrony, które bezpośrednio biorą udział w tworzeniu pola elektrycznego wokół sieci. Liczba elektronów poruszających się w tej sieci krystalicznej nazywana jest gazem elektronowym.
W przypadku braku pola elektrycznego swobodne elektrony wykonują ruch chaotyczny, losowo oddziałując z jonami sieci. Każde takie oddziaływanie zmienia pęd i kierunek ruchu ujemnie naładowanej cząstki. Elektrony swoim polem elektrycznym przyciągają do siebie kationy, równoważąc ich wzajemne odpychanie. Chociaż elektrony są uważane za wolne, ich energia nie jest wystarczająca, aby opuścić sieć krystaliczną, więc te naładowane cząstki stale znajdują się w jej granicach.
Obecność pola elektrycznego daje gazowi elektronowemu dodatkową energię. Połączenie z jonami w sieci krystalicznej metali nie jest silne, dlatego elektrony łatwo opuszczają jej granice. Elektrony poruszają się wzdłuż linii siły, pozostawiając dodatnio naładowane jony.
wnioski
Chemia przywiązuje dużą wagę do badania wewnętrznej struktury materii. Rodzaje sieci krystalicznych poszczególnych pierwiastków determinują niemal cały zakres ich właściwości. Oddziałując na kryształy i zmieniając ich strukturę wewnętrzną, można wzmocnić pożądane właściwości substancji i usunąć niepożądane oraz przekształcić pierwiastki chemiczne. Zatem badanie wewnętrznej struktury otaczającego świata może pomóc w zrozumieniu istoty i zasad struktury wszechświata.