Як ми знаємо, всі матеріальні речовини можуть перебувати в трьох базових станах: рідкому, твердому та газоподібному. Щоправда, є ще стан плазми, який вчені вважають ні багато ні мало четвертим станом речовини, але наша стаття не про плазму. Твердий стан речовини тому твердий, тому що має особливу кристалічну структуру, частинки якої знаходяться в певному і чітко заданому порядку, створюючи таким чином кристалічну решітку. Будова кристалічної решітки складається з однакових елементарних осередків, що повторюються: атомів, молекул, іонів, інших елементарних частинок, пов'язаних між собою різними вузлами.
Види кристалічних грат
Залежно від частинок кристалічної решітки існує чотирнадцять типів, наведемо найбільш популярні з них:
- Іонні кристалічні грати.
- Атомні кристалічні грати.
- Молекулярні кристалічні грати.
- кристалічні грати.
Іонні кристалічні грати
Головною особливістю будови кристалічних ґрат іонів є протилежні електричні заряди, власне, іонів, внаслідок чого утворюється електромагнітне поле, що визначає властивості речовин, що мають іонну кристалічну решітку. А це тугоплавкість, твердість, щільність та можливість проводити електричний струм. Характерним прикладом іонної кристалічної решітки може бути кухонна сіль.
Атомні кристалічні грати
Речовини з атомними кристалічними гратами, як правило, мають у своїх вузлах, що складаються власне з атомів сильні . Ковалентний зв'язок відбувається, коли два однакових атоми діляться один з одним по-братськи електронами, утворюючи таким чином загальну пару електронів для сусідніх атомів. Через це ковалентні зв'язки сильно і рівномірно пов'язують атоми в строгому порядку – мабуть, це найхарактерніша риса будови атомних кристалічних ґрат. Хімічні елементи з подібними зв'язками можуть похвалитися своєю твердістю, високою температурою. Атомні кристалічні грати мають такі хімічні елементи як алмаз, кремній, германій, бор.
Молекулярні кристалічні грати
Молекулярний тип кристалічних ґрат характеризується наявністю стійких і щільноупакованих молекул. Вони розташовуються у вузлах кристалічних ґрат. У цих вузлах вони утримуються такими собі вандервальсовими силами, які в десять разів слабші за сили іонної взаємодії. Яскравим прикладом молекулярної кристалічної решітки є лід – тверда речовина, що має однак властивість переходити в рідке – зв'язки між молекулами кристалічної решітки дуже слабкі.
Металеві кристалічні грати
Тип зв'язку металевих кристалічних ґрат гнучкіші і пластичніші за іонні, хоча зовні вони дуже схожі. Відмінною рисою її є наявність позитивно заряджених катіонів (іонів металу) у вузлах ґрат. Між вузлами живуть електрони, що у створенні електричного поля, ці електрони ще називають електричним газом. Наявність такої структури металевої кристалічної решітки пояснює її властивості: механічну міцність, тепло та електропровідність, плавність.
Кристалічні грати, відео
І на завершення докладне відео пояснення про властивості кристалічних ґрат.
Будь-яка речовина в природі, як відомо, складається з дрібніших частинок. Вони, своєю чергою, пов'язані й утворюють певну структуру, що визначає властивості конкретної речовини.
Атомна властива і виникає при низьких температурах та високому тиску. Власне, саме завдяки такому, метали та ряд інших матеріалів набувають характерної міцності.
Будова таких речовин на молекулярному рівні виглядає, як кристалічні грати, кожен атом у якій пов'язаний зі своїм сусідом найміцнішим з'єднанням, що існує в природі - ковалентним зв'язком. Всі найдрібніші елементи, що утворюють структури, розташовані впорядковано та з певною періодичністю. Уявляючи собою сітку, в кутах якої розташовані атоми, оточені завжди однаковим числом супутників, атомні кристалічні грати практично не змінюють своєї будови. Загальновідомо, що змінити структуру чистого металу чи сплаву можна лише нагріваючи його. При цьому температура тим вища, чим міцніші зв'язки у ґратах.
Іншими словами, атомна кристалічна решітка є запорукою міцності та твердості матеріалів. Однак варто враховувати, що розташування атомів у різних речовинах також може відрізнятися, що, у свою чергу, впливає на ступінь міцності. Так, наприклад, алмаз і графіт, що мають у складі один і той же атом вуглецю, вищою мірою відрізняються один від одного за показниками міцності: алмаз - на Землі, графіт може шаруватися і ламатися. Справа в тому, що в кристалічній решітці графіту атоми розташовані шарами. Кожен шар нагадує бджолину стільнику, в якій атоми вуглецю зчленовані досить слабо. Подібна будова обумовлює шарувате фарбування грифелів олівця: при поломці частини графіту просто відшаровуються. Інша справа - алмаз, кристалічна решітка якого складається з збуджених атомів вуглецю, тобто тих, що здатні утворювати 4 міцні зв'язки. Зруйнувати таке зчленування просто неможливо.
Кристалічні грати металів, крім того, мають певні характеристики:
1. Період решітки- величина, що визначає відстань між центрами двох розташованих атомів, що вимірюється по ребру решітки. Загальноприйняте позначення не відрізняється від цього в математиці: a, b, c - Довжина, ширина, висота решітки відповідно. Очевидно, що розміри фігури настільки малі, що відстань вимірюється в найменших одиницях виміру - десятої частки нанометра або ангстремах.
2. К – координаційне число. Показник, що визначає щільність пакування атомів у межах однієї решітки. Відповідно, щільність її тим більше, чим вище число К. За фактом дана цифра являє собою кількість атомів, що знаходяться якомога ближче і на рівній відстані від атома, що вивчається.
3. Базис решітки. Також величина, що характеризує густину решітки. Являє собою загальну кількість атомів, які належать конкретному осередку, що вивчається.
4. Коефіцієнт компактностівимірюється шляхом підрахунку загального обсягу решітки, поділеного той обсяг, що займають все атоми у ній. Як і попередні дві, ця величина відображає щільність решітки, що вивчається.
Ми розглянули лише кілька речовин, яким властиві атомні кристалічні грати. Тим більше що, їх безліч. Незважаючи на велику різноманітність, кристалічна атомна решітка включає одиниці, завжди з'єднані за допомогою (полярної або неполярної). Крім того, подібні речовини практично не розчиняються у воді та характеризуються низькою теплопровідністю.
У природі існує три види кристалічних ґрат: кубічна об'ємно-центрована, кубічна гранецентрована, щільно запакована гексагональна.
Згідно з атомно-молекулярною теорією Бойля, всі речовини складаються з молекул, які перебувають у постійному русі. Але чи існує якась певна структура речовин? Або вони просто складаються з молекул, що хаотично рухаються?
Види кристалічних ґрат
Насправді чітку структуру мають усі речовини, що у твердому стані. Атоми та молекули рухаються, але сили тяжіння та відштовхування між частинками збалансовані, тому атоми та молекули розташовуються у певній точці простору (але продовжують здійснювати невеликі коливання, що залежать від температури). Такі структури називаються кристалічними гратами. Місця, в яких знаходяться самі молекули, іони чи атоми, називають вузлами. А відстані між вузлами отримали назву – періоди ідентичності. Залежно від положення частинок у просторі розрізняють кілька типів:
- атомна;
- іонна;
- молекулярна;
- металева.
У рідкому та газоподібному стані речовини не мають чітких ґрат, їх молекули рухаються хаотично, саме тому вони не мають форми. Наприклад, кисень, перебуваючи в газоподібному стані, є безбарвним газом без запаху, в рідкому (при -194 градусів) – розчин блакитного кольору. Коли температура опускається до -219 градусів, кисень переходить у твердий стан і набуває кр. грати, при цьому він перетворюється на снігоподібну масу синього кольору.
Цікаво, що аморфні речовини не мають чіткої структури, тому вони не мають суворої температури плавлення і кипіння. Смола і пластилін при нагріванні поступово розм'якшуються і стають рідкими, вони не мають точної фази переходу.
Атомні кристалічні грати
У вузлах знаходяться атоми, про що і свідчить назва. Ці речовини дуже міцні та міцні, оскільки між частинками утворюється ковалентний зв'язок. Сусідні атоми утворюють між собою загальну пару електронів (а, точніше, їх електронні хмари нашаруються один на одного), і тому вони дуже добре пов'язані один з одним. Найбільш наочний приклад – алмаз, який за шкалою Мооса має найбільшу твердість. Цікаво, що діамант, як і графіт, складається з вуглеводу. Графіт є дуже тендітною речовиною (твердість за шкалою Мооса – 1), що є наочним прикладом того, як багато залежить від виду.
Атомна кр. гратипогано поширена у природі, до неї належать: кварц, бір, пісок, кремній, оксид кремнію (IV), германій, гірський кришталь. Для цих речовин характерна висока температура плавлення, міцність, а також ці сполуки дуже тверді та нерозчинні у воді. Через дуже сильний зв'язок між атомами ці хімічні сполуки майже не взаємодіють з іншими і дуже погано проводять струм.
Іонні кристалічні грати
У цьому вся типі іони розташовуються у кожному вузлі. Відповідно, цей вид характерний для речовин з іонним зв'язком, наприклад: хлорид калію, сульфат кальцію, хлорид міді, фосфат срібла, гідроксид міді і таке інше. До речовин з такою схемою сполук частинок відносяться;
- солі;
- гідроксиди металів;
- оксиди металів
Хлорид натрію має чергування позитивних (Na+) та негативних (Cl-) іонів. Один іон хлору, що знаходиться у вузлі, притягує до себе два іони натрію (завдяки електромагнітному полю), які знаходяться у сусідніх вузлах. Таким чином, утворюється куб, у якому частинки пов'язані між собою.
Для іонних ґрат характерна міцність, тугоплавкість, стійкість, твердість і нелетючість. Деякі речовини можуть проводити електричний струм.
Молекулярні кристалічні грати
У вузлах цієї структури є молекули, які щільно упаковані між собою. Для таких речовин характерний ковалентний полярний та неполярний зв'язок. Цікаво, що незалежно від ковалентного зв'язку між частинками утворюєте дуже слабке тяжіння (через слабкі ван-дер-вальсові сили). Саме тому такі речовини дуже тендітні, мають низьку температуру кипіння і плавлення, а також вони леткі. До таких речовин належать: вода, органічні речовини (цукор, нафталін), оксид вуглецю (IV), сірководень, благородні гази, двох-(водень, кисень, хлор, азот, йод), трьох-(озон), чотирьох-(фосфор) ), восьмиатомні (сірка) речовини і так далі.
Одна з відмінних рис -це те, що структурна та просторова модель зберігається у всіх фазах (як у твердих, так у рідких та газоподібних).
Металеві кристалічні грати
Через наявність у вузлах іонів, може здатися, що металеві грати схожі на іонні. Насправді це дві абсолютно різні моделі, з різними властивостями.
Металева набагато гнучкіша і пластичніша за іонну, для неї характерна міцність, висока електро- і теплопровідність, ці речовини добре плавляться і відмінно проводять електричний струм. Це тим, що у вузлах перебувають позитивно заряджені іони металів (катіони), які можуть переміщатися у всій структурі, тим самим забезпечують протягом електронів. Частинки хаотично рухаються біля свого вузла (вони не мають достатньої енергії, щоб вийти за межі), але як тільки з'являється електричне поле, електрони утворюють потік і спрямовуються з позитивної негативної області.
Металеві кристалічні грати характерні для металів, наприклад: свинець, натрій, калій, кальцій, срібло, залізо, цинк, платина і так далі. Крім іншого, вона підрозділяється ще на кілька типів упаковок: гексагональна, об'ємно центрована (найменш щільна) та гранецентрована. Перша упаковка характерна для цинку, кобальту, магнію, друга для барію, заліза, натрію, третя для міді, алюмінію та кальцію.
Таким чином, від типу ґратзалежать багато властивостей, і навіть будова речовини. Знаючи тип, можна передбачити, наприклад, якою буде тугоплавкість чи міцність об'єкта.
Відео
Додаткову інформацію про кристалічні ґрати ви знайдете у нашому відео.
При здійсненні багатьох фізичних та хімічних реакцій речовина перетворюється на твердий агрегатний стан. При цьому молекули та атоми прагнуть розташуватися в такому просторовому порядку, при якому сили взаємодії між частинками речовини були б максимально збалансовані. Цим і досягається міцність твердої речовини. Атоми, одного разу зайнявши певне становище, здійснюють невеликі коливальні рухи, амплітуда яких залежить від температури, але становище їх у просторі залишається фіксованим. Сили тяжіння та відштовхування врівноважують один одного на певній відстані.
Сучасні уявлення про будову речовини
Сучасна наука стверджує, що атом складається з зарядженого ядра, що несе позитивний заряд, та електронів, що несуть заряди негативні. Зі швидкістю кілька тисяч трильйонів обертів на секунду електрони обертаються своїми орбітами, створюючи навколо ядра електронну хмару. Позитивний заряд ядра чисельно дорівнює негативному заряду електронів. Таким чином, атом речовини залишається електрично нейтральним. Можливі взаємодії коїться з іншими атомами відбуваються тоді, коли електрони від'єднуються від рідного атома, цим порушуючи електричний баланс. В одному випадку атоми вишиковуються в певному порядку, який і називається кристалічною решіткою. В іншому - за рахунок складної взаємодії ядер та електронів з'єднуються в молекули різного виду та складності.
Визначення кристалічних ґрат
У сукупності різні типи кристалічних грат речовин є сітки з різною просторовою орієнтацією, у вузлах яких розташовуються іони, молекули або атоми. Це стабільне геометричне просторове положення і називається кристалічною решіткою речовини. Відстань між вузлами одного кристалічного осередку називається періодом ідентичності. Просторові кути, під якими розташовані вузли комірки, називаються параметрами. За способом побудови зв'язків кристалічні решітки можуть бути простими, базоцентрованими, гранецентрованими і об'ємно-центрованими. Якщо частинки речовини розташовані лише в кутах паралелепіпеда, така решітка називається простою. Приклад таких ґрат показаний нижче:
Якщо, крім вузлів, частинки речовини розташовані і в середині просторових діагоналей, така побудова частинок в речовині має назву об'ємно-центрованої кристалічної решітки. На малюнку цей тип показаний наочно.
Якщо крім вузлів у вершинах решітки є вузол і місці, де перетинаються уявні діагоналі паралелепіпеда, перед вами - гранецентрированный тип решітки.
Види кристалічних грат
Різні мікрочастинки, з яких складається речовина, визначають різні типи кристалічних ґрат. Вони можуть визначати принцип побудови зв'язку між мікрочастинками усередині кристала. Фізичні типи кристалічних грат - іонні, атомні та молекулярні. Сюди відносяться різні типи кристалічних решіток металів. Вивченням принципів внутрішньої будови елементів займається хімія. Типи кристалічних ґрат детальніше представлені нижче.
Іонні кристалічні грати
Дані типи кристалічних ґрат присутні в сполуках з іонним типом зв'язку. У цьому випадку вузли решітки містять іони, що мають протилежний електричний заряд. Завдяки електромагнітному полю, сили міжіонної взаємодії виявляються досить сильними, і це зумовлює фізичні властивості речовини. Звичайними характеристиками є тугоплавкість, щільність, твердість та можливість проводити електричний струм. Іонні типи кристалічних решіток є у таких речовин, як кухонна сіль, нітрат калію та інші.
Атомні кристалічні грати
Цей тип будови речовини притаманний елементам, структуру яких визначає ковалентний хімічний зв'язок. Типи кристалічних ґрат подібного роду містять у вузлах окремі атоми, пов'язані між собою міцними ковалентними зв'язками. Подібний тип зв'язку виникає тоді, коли два однакові атоми "діляться" електронами, тим самим утворюють загальну пару електронів для сусідніх атомів. Завдяки такій взаємодії ковалентні зв'язки рівномірно та сильно пов'язують атоми у певному порядку. Хімічні елементи, які містять атомні типи кристалічних решіток, мають твердість, високу температуру плавлення, погано проводять електричний струм і хімічно неактивні. Класичними прикладами елементів з подібним внутрішнім будовою можна назвати алмаз, кремній, германій, бор.
Молекулярні кристалічні грати
Речовини, що мають молекулярний тип кристалічної решітки, є системою стійких, взаємодіючих, щільноупакованих між собою молекул, які розташовані у вузлах кристалічної решітки. У подібних сполуках молекули зберігають своє просторове положення у газоподібній, рідкій та твердій фазі. У вузлах кристала молекули утримуються слабкими ван-дер-ваальсовими силами, які в десятки разів слабші за сили іонної взаємодії.
Утворювальні кристал молекули можуть бути як полярними, так і неполярними. Через спонтанний рух електронів і коливання ядер у молекулах електрична рівновага може зміщуватися - так виникає миттєвий електричний момент диполя. Відповідним чином орієнтовані диполі створюють сили тяжіння у ґратах. Двоокис вуглецю та парафін є типовими прикладами елементів з молекуляними кристалічними ґратами.
Металеві кристалічні грати
Металевий зв'язок гнучкіший і пластичніший за іонний, хоча може здатися, що обидві вони базуються на тому самому принципі. Типи кристалічних решіток металів пояснюють їх типові властивості – такі, наприклад, як механічна міцність, тепло- та електропровідність, плавність.
Відмінною особливістю металевих кристалічних грат є наявність позитивно заряджених іонів металу (катіонів) у вузлах цієї решітки. Між вузлами знаходяться електрони, які безпосередньо беруть участь у створенні електричного поля навколо ґрат. Кількість електронів, що переміщуються усередині цієї кристалічної решітки, називається електронним газом.
За відсутності електричного поля вільні електрони здійснюють хаотичний рух, безладно взаємодіючи з іонами ґрат. Кожна така взаємодія змінює імпульс і напрямок руху негативно зарядженої частки. Своїм електричним полем електрони притягують до себе катіони, врівноважуючи їхнє взаємне відштовхування. Хоча електрони вважаються вільними, їхньої енергії не вистачає для того, щоб залишити кристалічну решітку, тому ці заряджені частинки постійно знаходяться в її межах.
Присутність електричного поля надає електронному газу додаткової енергії. З'єднання з іонами в кристалічній решітці металів не є міцним, тому електрони легко залишають її межі. Електрони рухаються силовими лініями, залишаючи позаду позитивно заряджені іони.
Висновки
Величезне значення вивченню внутрішньої будови речовини приділяє хімія. Типи кристалічних ґрат різних елементів визначають практично весь спектр їх властивостей. Впливаючи на кристали і змінюючи їх внутрішню будову, можна домогтися посилення корисних якостей речовини і видалити небажані, перетворювати хімічні елементи. Таким чином, вивчення внутрішньої структури навколишнього світу може допомогти пізнати суть та принципи устрою світобудови.
Як ми вже знаємо, речовина може існувати у трьох агрегатних станах: газоподібному, твердомуі рідкому. Кисень, який при звичайних умовах знаходиться в газоподібному стані, при температурі -194° З перетворюється на рідину блакитного кольору, а при температурі -218,8° З перетворюється на снігоподібну масу з кристалами синього кольору.
Температурний інтервал існування речовини у твердому стані визначається температурами кипіння та плавлення. Тверді речовини бувають кристалічнимиі аморфними.
У аморфних речовиннемає фіксованої температури плавлення – при нагріванні вони поступово розм'якшуються та переходять у плинний стан. У такому стані, наприклад, є різні смоли, пластилін.
Кристалічні речовинивідрізняються закономірним розташуванням частинок, у тому числі вони складаються: атомів, молекул та іонів, – у суворо певних точках простору. Коли ці точки з'єднуються прямими лініями, створюється просторовий каркас, його називають кристалічною решіткою. Крапки, в яких знаходяться частинки кристала, називають вузлами ґрат.
У вузлах уявлюваної нами грати можуть бути іони, атоми і молекули. Ці частки здійснюють коливальні рухи. Коли температура збільшується, розмах цих коливань теж зростає, що призводить до теплового розширення тіл.
Залежно від різновиду частинок, що знаходяться у вузлах кристалічних ґрат, і характеру зв'язку між ними розрізняють чотири типи кристалічних ґрат: іонні, атомні, молекулярніі металеві.
Іонниминазивають такі кристалічні ґрати, у вузлах яких розташовані іони. Їх утворюють речовини з іонним зв'язком, яким можуть бути пов'язані як прості іони Na+, Cl-, так і складні SO24-, OH-. Таким чином, іонні кристалічні грати мають солі, деякі оксиди та гідроксили металів, тобто. ті речовини, у яких існує іонний хімічний зв'язок. Розглянемо кристал хлориду натрію, він складається з іонів Na+ і негативних CL-, що позитивно чергуються, разом вони утворюють грати у вигляді куба. Зв'язки між іонами у такому кристалі надзвичайно стійкі. Через цю речовину з іонними гратами мають порівняно високу міцність і твердість, вони тугоплавкі і нелеткі.
Атомнимикристалічними ґратами називають такі кристалічні грати, у вузлах яких є окремі атоми. У подібних ґратах атоми з'єднуються між собою дуже міцними ковалентними зв'язками. Наприклад, алмаз - одне з алотропних змін вуглецю.
Речовини з атомними кристалічними ґратами не дуже поширені в природі. До них відносяться кристалічний бір, кремній та германій, а також складні речовини, наприклад, такі, у складі яких є оксид кремнію (IV) – SiO 2: кремнезем, кварц, пісок, гірський кришталь.
Переважна більшість речовин з атомними кристалічними гратами мають дуже високі температури плавлення (у алмазу вона перевищує 3500° С), такі речовини міцні і тверді, практично не розчиняються.
Молекулярниминазивають такі кристалічні грати, у вузлах яких розташовані молекули. Хімічні зв'язки в цих молекулах можуть бути як полярними (HCl, H 2 0), так і неполярними (N 2 , O 3). І хоча атоми всередині молекул пов'язані дуже міцними ковалентними зв'язками, між самими молекулами діє слабкі сили міжмолекулярного тяжіння. Саме тому речовини з молекулярними кристалічними ґратами характеризуються малою твердістю, низькою температурою плавлення, летючістю.
Прикладами таких речовин можуть послужити тверда вода - лід, твердий оксид вуглецю (IV) - "сухий лід", тверді хлороводень і сірководень, тверді прості речовини, утворені одна - (благородні гази), двох - (H 2 , O 2 , CL 2 , N 2 , I 2), трьох - (O 3), чотирьох - (P 4), восьмиатомних (S 8) молекулами. Переважна більшість твердих органічних сполук мають молекулярні кристалічні грати (нафталін, глюкоза, цукор).
blog.сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.