Тверді речовини зазвичай мають кристалічну будову. Воно характеризується правильним розташуванням частинок у певних точках простору. При уявному з'єднанні цих точок прямими лініями, що перетинаються, утворюється просторовий каркас, який називають кристалічною решіткою.
Точки, в яких розміщені частинки, називаються вузлами кристалічних ґрат. У вузлах уявної решітки можуть бути іони, атоми або молекули. Вони здійснюють коливальні рухи. З підвищенням температури амплітуда коливань зростає, що проявляється у тепловому розширенні тіл.
Залежно від виду частинок і характеру зв'язку між ними розрізняють чотири типи кристалічних грат: іонні, атомні, молекулярні та металеві.
Кристалічні грати, що складаються з іонів, називаються іонними. Їх утворюють речовини з іонним зв'язком. Прикладом може служити кристал хлориду натрію, у якому, як зазначалося, кожен іон натрію оточений шістьма хлорид-ионами, кожен хлорид-ион — шістьма іонами натрію. Такому розташуванню відповідає найбільш щільна упаковка, якщо іони подати у вигляді куль, розміщених у кристалі. Дуже часто кристалічні решітки зображують, як показано на рис, де вказується лише взаємне розташування частинок, але не їх розміри.
Число найближчих сусідніх частинок, що впритул примикають до даної частки в кристалі або в окремій молекулі, називається координаційним числом.
6. Отже, в кристалі хлориду натрію не можна виділити окремі молекули солі. Їх немає. Весь кристал слід розглядати як гігантську макромолекулу, що складається з рівного числа іонів Na + і Cl - , Na n Cl n де n - велике число. Зв'язки між іонами у такому кристалі дуже міцні. Тому речовини з іонними гратами мають порівняно високу твердість. Вони тугоплавкі та малолеткі.
Плавлення іонних кристалів призводить до порушення геометрично правильної орієнтації іонів щодо один одного та зменшення міцності зв'язку між ними. Тому розплави проводять електричний струм. Іонні сполуки, як правило, легко розчиняються у рідинах, що складаються з полярних молекул, наприклад, у воді.
Кристалічні грати, у вузлах яких є окремі атоми, називаються атомними . Атоми у таких ґратах з'єднані між собою міцними ковалентними зв'язками. Прикладом може бути алмаз — одна з модифікацій вуглецю. Алмаз складається з атомів вуглецю, кожен із яких пов'язані з чотирма сусідніми атомами. Координаційне число вуглецю в алмазі 4 
. У ґратах алмазу, як і у ґратах хлориду натрію, молекули відсутні. Весь кристал слід розглядати, як гігантську молекулу. Атомні кристалічні грати характерні для твердого бору, кремнію, германію і сполук деяких елементів з вуглецем і кремнієм.
Кристалічні грати, що складаються з молекул (полярних та неполярних), називаються молекулярними .
Молекули у таких ґратах з'єднані між собою порівняно слабкими міжмолекулярними силами. Тому речовини з молекулярними гратами мають малу твердість і низькі температури плавлення, нерозчинні або малорозчинні у воді, їх розчини майже не проводять електричний струм. Число неорганічних речовин з молекулярними гратами невелике.
Прикладами їх є лід, твердий оксид вуглецю (IV) ("сухий лід"), тверді галогеноводороди, тверді прості речовини, утворені одно- (шляхетні гази), двох- (F 2 , Сl 2 , Br 2 , I 2 , Н 2 , Про 2 , N 2), трьох - (Про 3), чотирьох - (Р 4), восьми - (S 8) атомними молекулами. Молекулярні кристалічні грати йоду показані на рис. 
. Більшість кристалічних органічних сполук мають молекулярні ґрати.
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.
- кристалічна решітка.
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 твердістю, високою температурою плавлення. 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.
Для більшості речовин характерна здатність залежно від умов перебувати в одному з трьох агрегатних станів: твердому, рідкому або газоподібному.
Наприклад, вода при нормальному тиску в інтервалі температур 0-100 o C є рідиною, при температурі вище 100 про З здатна існувати тільки в газоподібному стані, а при температурі менше 0 про З являє собою тверду речовину.
Речовини у твердому стані розрізняють аморфні та кристалічні.
Характерними ознаками аморфних речовин є відсутність чіткої температури плавлення: їхня плинність плавно збільшується зі зростанням температури. До аморфних речовин належать такі сполуки, як віск, парафін, більшість пластмас, скло тощо.
Проте кристалічні речовини мають конкретної температурою плавлення, тобто. речовина з кристалічною будовою переходить із твердого стану в рідке не поступово, а різко, при досягненні конкретної температури. Як приклад кристалічних речовин можна навести кухонну сіль, цукор, лід.
Різниця у фізичних властивостях аморфних та кристалічних твердих речовин обумовлена насамперед особливостями будови таких речовин. У чому полягає різниця між речовиною в аморфному та кристалічному стані, найпростіше зрозуміти з наступної ілюстрації:
Як можна помітити, в аморфній речовині, на відміну від кристалічної, відсутній будь-який порядок розташування частинок. Якщо ж у кристалічній речовині подумки з'єднати прямий два близько розташовані один до одного атоми, то можна виявити, що на цій лінії на строго певних проміжках будуть лежати одні і ті ж частинки:
Таким чином, у разі кристалічних речовин можна говорити про таке поняття, як кристалічні грати.
Кристалічні грати називають просторовий каркас, що з'єднує точки простору, де знаходяться частинки, що утворюють кристал.
Точки простору, в яких знаходяться частинки, що утворюють кристал, називають вузлами кристалічних ґрат .
Залежно від того, які частинки знаходяться у вузлах кристалічних ґрат, розрізняють: молекулярну, атомну, іонну і металеві кристалічні грати .
У вузлах молекулярних кристалічних ґрат
Кристалічні грати льоду як приклад молекулярної решіткизнаходяться молекули, всередині яких атоми пов'язані міцними ковалентними зв'язками, проте самі молекули утримуються одна біля одної слабкими міжмолекулярними силами. Внаслідок таких слабких міжмолекулярних взаємодій кристали з молекулярними гратами є неміцними. Такі речовини від речовин з іншими типами будови відрізняються значно нижчими температурами плавлення і кипіння, не проводять електричний струм, можуть розчинятися, так і не розчинятися в різних розчинниках. Розчини таких сполук можуть проводити, так і не проводити електричний струм залежно від класу з'єднання. До сполук з молекулярними кристалічними ґратами відносяться багато простих речовин — неметали (затверджені H 2 , O 2 , Cl 2 , ромбічна сірка S 8 , білий фосфор P 4), а також багато складних речовин – водневі сполуки неметалів, кислоти, оксиди неметалів, більшість органічних речовин. Слід зазначити, що, якщо речовина знаходиться в газоподібному або рідкому стані, говорити про молекулярні кристалічні грати недоречно: коректніше використовувати термін — молекулярний тип будови.
Кристалічні грати алмазу як приклад атомної решіткиУ вузлах атомних кристалічних грат
є атоми. При цьому всі вузли таких кристалічних ґрат «зшиті» між собою за допомогою міцних ковалентних зв'язків в єдиний кристал. Фактично такий кристал є однією гігантською молекулою. Внаслідок особливостей будови всі речовини з атомними кристалічними гратами є твердими, мають високі температури плавлення, хімічно мало активні, не розчиняються ні у воді, ні в органічних розчинниках, а їх розплави не проводять електричний струм. Слід запам'ятати, що до речовин з атомним типом будови з простих речовин відносяться бор B, вуглець C (алмаз і графіт), кремній Si, складні речовини — діоксид кремнію SiO 2 (кварц), карбід кремнію SiC, нітрид бору BN.
У речовин з іонними кристалічними ґратами
у вузлах ґрат знаходяться іони, пов'язані один з одним за допомогою іонних зв'язків.
Оскільки іонні зв'язки досить міцні, речовини з іонними гратами мають порівняно високу твердість і тугоплавкість. Найчастіше вони розчиняються у воді, які розчини, як і розплави проводять електричний струм.
До речовин з іонним типом кристалічних ґрат відносяться солі металів та амонію (NH 4 +), основи, оксиди металів. Вірною ознакою іонної будови речовини є наявність у її складі одночасно атомів типового металу та неметалу.
Кристалічні грати хлориду натрію як приклад іонної решітки
спостерігається в кристалах вільних металів, наприклад натрію Na, заліза Fe, магнію Mg і т.д. У разі металевої кристалічної решітки, у її вузлах знаходяться катіони та атоми металів, між якими рухаються електрони. При цьому електрони, що рухаються, періодично приєднуються до катіонів, таким чином нейтралізуючи їх заряд, а окремі нейтральні атоми металів замість «відпускають» частину своїх електронів, перетворюючись, у свою чергу, на катіони. Фактично «вільні» електрони належать не окремим атомам, а всьому кристалу.
Такі особливості будови призводять до того, що метали добре проводять тепло і електричний струм, часто мають високу пластичність (ковкість).
Розкид значень температур плавлення металів дуже великий. Так, наприклад, температура плавлення ртуті становить приблизно мінус 39 про (рідка у звичайних умовах), а вольфраму - 3422 °C. Слід зазначити, що у звичайних умовах усі метали, крім ртуті, є твердими речовинами.
Освіта молекул з атомів призводить до виграшу енергії, оскільки у звичайних умовах молекулярний стан стійкіший, ніж атомний.
Щоб розглядати цю тему, необхідно знати:
Електронегативність - це здатність атома зміщувати себе загальну електронну пару. (Найбільший електронегативний елемент - фтор.)
Кристалічні грати - тривимірне впорядковане розташування частинок.
Розрізняють три основні типи хімічних зв'язків: ковалентну, іонну та металеву.
Металевий зв'язок характерна для металів, які містять невелику кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні (1 або 2, рідше 3). Ці електрони легко втрачають зв'язок з ядром і вільно переміщаються по всьому шматку металу, утворюючи "електронну хмару" та забезпечуючи зв'язок з позитивно зарядженими іонами, що утворилися після відриву електронів. Кристалічні грати - металеві. Це зумовлює фізичні властивості металів: високу тепло- та електропровідність, ковкість та пластичність, металевий блиск.
Ковалентний зв'язок утворюється з допомогою загальної електронної пари атомів неметалів, у своїй кожен із новачків досягає стійкої конфігурації атома інертного елемента.
Якщо зв'язок утворюють атоми з однаковою електронегативністю, тобто різниця електронегативності двох атомів дорівнює нулю, електронна пара розташовується симетрично між двома атомами і зв'язок називається ковалентної неполярної.
Якщо зв'язок утворюють атоми з різною електронегативністю, причому різниця в електронегативності двох атомів лежить в інтервалі від нуля приблизно до двох (найчастіше це різні неметали), то загальна електронна пара зміщується до електронегативнішого елементу. Нею виникає частково негативний заряд (негативний полюс молекули), але в іншому атомі - частково позитивний заряд (позитивний полюс молекули). Такий зв'язок називається ковалентної полярної.
Якщо зв'язок утворюють атоми з різною електронегативністю, причому різниця в електронегативності двох атомів більше двох (найчастіше це неметал і метал), то вважають, що електрон повністю переходить до атома неметалу. В результаті цей атом стає негативно зарядженим іоном. Атом, що віддав електрон, – позитивно заряджений іон. Зв'язок між іонами називається іонним зв'язком.
З'єднання з ковалентним зв'язком мають два типи кристалічних ґрат: атомні та молекулярні.
В атомних кристалічних ґратах у вузлах знаходяться атоми, з'єднані міцним ковалентним зв'язком. Речовини з такими кристалічними гратами мають високі температури плавлення, міцні і тверді, практично нерозчинні в рідинах. наприклад, алмаз, твердий бір, кремній, германій та сполуки деяких елементів з вуглецем і кремнієм.
У молекулярних кристалічних ґратах у вузлах знаходяться молекули, з'єднані слабкою міжмолекулярною взаємодією.
Речовини з такими гратами мають малу твердість і низькі температури плавлення, нерозчинні або малорозчинні у воді, розчини практично не проводять електричний струм. Наприклад, лід, твердий оксид вуглецю (IV) тверді галогеноводороди, тверді прості речовини, утворені одно-(шляхетні гази), двох- (F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 , H 2 , O 2 , N 2), трьох-(О 3), чотирьох-(Р 4), восьми-(S 8) атомними молекулами. Більшість кристалічних органічних сполук мають молекулярні ґрати. З'єднання з іонним зв'язком мають іонні кристалічні грати, у вузлах яких чергуються позитивно і негативно заряджені іони. Речовини з іонними ґратами тугоплавки та малолеткі,
мають порівняно високу твердість, але крихкі. Розплави та водні розчини солей та лугів проводять електричний струм.
1. У якій молекулі ковалентний зв'язок "елемент - кисень" найбільш полярний?
1) SO 2 2) NO 3) Cl 2 O 4) H 2 O
Рішення:
Полярність зв'язку визначається різницею електронегативності двох атомів (у разі елемента і кисню). Сірка, азот і хлор знаходяться поряд з киснем, отже, їх електронегативності відрізняються незначно. І тільки водень знаходиться на відстані від кисню, отже різниця в електронегативності буде велика, і зв'язок буде найбільш полярним.
Відповідь: 4)
2. Водневі зв'язки утворюються між молекулами
1) метанолу 2) метаналь 3) ацетилену 4) метилформіату
Рішення:
У складі ацетилену взагалі немає сильноелектронегативних елементів. Метаналь Н 2 і метилформіат НСООСН 3 не містять водню, сполученого з сильноелектроотрицательным елементом. Водень у них з'єднаний із вуглецем. А ось у метанолі СН 3 ОН між атомом водню однієї гідроксогрупи та атомом кисню іншої молекули можливе утворення водневого зв'язку.
Відповідь: 1)
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.
Утворюючі 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.