Кристаллические решетки

Кристаллическая решетка

Кристаллические решетки

Твердые кристаллы можно представить как трехмерные конструкции, в которых четко повторяется один и тот же элемент структуры во всех направлениях. Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена ​​их строго закономерным внутренним строением.

 Если центры притяжения атомов, ионов или молекул в кристалле изобразить в виде точек, то получим трехмерное регулярное распределение таких точек, которое называется кристаллической решеткой, а сами точки — узлы кристаллической решетки.

 Определенная внешняя форма кристаллов является следствием их внутренней структуры, которая связана именно с кристаллической решеткой.

Кристаллическая решетка — это воображаемый геометрический образ для анализа строения кристаллов, который представляет собой объемно-пространственную сетчатую структуру, в узлах которой располагаются атомы, ионы или молекулы вещества.

Для характеристики кристаллической решетки используют следующие параметры:

  1. Энергия кристаллической решетки Екр [КДж / моль] — это энергия, выделяющаяся при образовании 1 моля кристалла из микрочастиц (атомов, молекул, ионов), которые находятся в газообразном состоянии и удалены друг от друга на такое расстояние, что исключается возможность их взаимодействия.
  2. Константа кристаллической решетки d [A0] — наименьшее расстояние между центрами двух частиц в соседних узлах кристаллической решетки, соединенных химической связью.
  3. Координационное число — количество ближайших частиц, окружающих в пространстве центральную частицу и сочетаются с ней химической связью.

Основой кристаллической решетки является элементарная ячейка, которая повторяется в кристалле бесконечное количество раз.

Элементарная ячейка — это наименьшая структурная единица кристаллической решетки, которая обнаруживает все свойства ее симметрии.

Упрощенно элементарную ячейку можно определить как малую часть кристаллической решетки, которая еще выявляет характерные особенности ее кристаллов. Признаки элементарной ячейки описываются с помощью трех правил Бреве :

  • симметрия элементарной ячейки должна соответствовать симметрии кристаллической решетки;
  • элементарная ячейка должна иметь максимальное количество одинаковых ребер а, b, с и одинаковых углов между ними a, b, g. ;
  • при условии соблюдения первых двух правил элементарная ячейка должна занимать минимальный объем.

Для описания формы кристаллов используют систему трех кристаллографических осей а, b, с, которые отличаются от обычных координатных осей тем, что они являются отрезками определенной длины, углы между которыми a, b, g могут быть как прямыми, так и непрямыми.

Модель кристаллической структуры: а) кристаллическая решетка с выделенной элементарной ячейкой; б) элементарная ячейка с обозначениями гранных углов

Форму кристалла изучает наука геометрическая кристаллография, одним из основных положений которой является закон постоянства гранных углов: для всех кристаллов данного вещества углы между соответствующими гранями всегда остаются одинаковыми.

Если взять большое количество элементарных ячеек и заполнить ими плотно друг к другу определенный объем, сохраняя параллельность граней и ребер, то образуется монокристалл идеальной строения. Но на практике чаще всего встречаются поликристаллов, в которых регулярные структуры существуют в определенных пределах, по которым ориентация регулярности резко меняется.

В зависимости от соотношения длин ребер а, b, с и углов a, b, g между гранями элементарной ячейки различают семь систем — так называемых сингоний кристаллов.

 Однако элементарная ячейка может быть построенной и таким образом, что она имеет дополнительные узлы, которые размещаются внутри ее объема или на всех ее гранях — такие решетки называются соответственно объемноцентрированными и гранецентрированными.

 Если дополнительные узлы находятся только на двух противоположных гранях (верхний и нижний), то это базоцентрированная решетка. С учетом возможности дополнительных узлов существует всего 14 типов кристаллических решеток.

Внешняя форма и особенности внутреннего строения кристаллов определяются принципом плотной «упаковки»: наиболее устойчивой, а потому и наиболее вероятной структурой будет такая, которая соответствует наиболее плотному расположению частиц в кристалле и в которой остается наименьшее по объему свободное пространство.

Типы кристаллических решеток

В зависимости от природы частиц, содержащихся в узлах кристаллической решетки, а также от природы химических связей между ними, различаются четыре основных типа кристаллических решеток.

Ионные решетки

Ионные решетки построены из разноименных ионов, расположенных в узлах решетки и связанные силами электростатического притяжения. Поэтому структура ионной кристаллической решетки должна обеспечить ее электронейтральность. Ионы могут быть простыми (Na+, Cl—) или сложными (NH4+, NO3—).

 Вследствие ненасыщенности и ненаправленности ионной связи ионные кристаллы характеризуются большими координационными числами. Так, в кристаллах NaCl координационные числа ионов Na+ и Cl— равна 6, а ионов Cs+ и Cl— в кристалле CsCl — 8, поскольку один ион Cs+ окружен восемью ионами Cl—, а каждый ион — Cl — соответственно восемью ионами Cs+.

 Ионные кристаллические решетки образуются большим количеством солей, оксидов и оснований.

Примеры ионных кристаллических решеток: а) NaCl; б) CsCl

Вещества с ионными кристаллическими решетками имеют сравнительно высокую твердость, они достаточно тугоплавкие, нелетучие.

 В отличие от металлов ионные соединения очень хрупкие, поэтому даже небольшой сдвиг в кристаллической решетке приближает друг к другу одноименно заряженные ионы, отталкивания между которыми приводит к разрыву ионных связей и как следствие — к появлению в кристалле трещин или к его разрушению.

 В твердом состоянии вещества с ионной кристаллической решеткой относятся к диэлектрикам и не проводят электрический ток.

 Однако при расплавлении или растворении в полярных растворителях нарушается геометрически правильная ориентировка ионов относительно друг друга, сначала ослабляются, а затем разрушаются химические связи, поэтому меняются и свойства. Как следствие, электрический ток начинают проводить как расплавы ионных кристаллов, так и их растворы.

Атомные решетки

Эти решетки  построены из атомов, соединенных между собой ковалентной связью. Они, в свою очередь, делятся на три типа: каркасные, слоистые и цепочечные структуры.

Каркасную структуру имеет, например, алмаз — одно из самых твердых веществ. Благодаря sp3 -гибридизации атома углерода строится трехмерная решетка, которая состоит исключительно из атомов углерода, соединенных ковалентными неполярными связями, оси которых размещаются под одинаковыми валентными углами (109,5o).

Каркасная структура атомной кристаллической решетки алмаза

Слоистые структуры можно рассматривать как огромные двумерные молекулы. Для слоистых структур присущи ковалентные связи внутри каждого слоя и слабое вандерваальсовское взаимодействие между соседними слоями.

Слоистые структуры атомных кристаллических решеток: а) CuCl2 ; б) PbO.

На моделях с помощью очертаний параллелепипедов выделены элементарные ячейки

Классическим примером вещества со слоистой структурой является графит, в котором каждый атом углерода находится в состоянии sp2 -гибридизации и образует в одной плоскости три ковалентные s-связи с тремя другими атомами С.

Четвертые валентные электроны каждого атома углерода являются негибридизированными, за их счет образуются очень слабые вандерваальсовские связи между слоями. Поэтому при приложении даже небольшого усилия, отдельные слои легко начинают скользить друг вдоль друга. Этим объясняется, например, свойство графита писать.

 В отличие от алмаза графит хорошо проводит электричество: под воздействием электрического поля нелокализованные электроны могут перемещаться вдоль плоскости слоев, и, наоборот, в перпендикулярном направлении графит почти не проводит электрического тока.

Слоистая структура атомной кристаллической решетки графита

Цепочечные структуры характерны, например, для оксида серы (SO3)n , киновари HgS,  хлорида бериллия BeCl2, а также для многих аморфных полимеров и для некоторых силикатных материалов, таких, как асбест.

Цепная структура атомной кристаллической решетки HgS: а) проекция сбоку б) фронтальная проекция

Веществ с атомной строением кристаллических решеток сравнительно немного.

 Это, как правило, простые вещества, образованные элементами IIIА- и IVA-подгрупп (Si, Ge, B, C).

 Нередко соединения двух разных неметаллов имеют атомные решетки, например, некоторые полиморфные модификации кварца (оксид кремния SiO2 ) и карборунда (карбид кремния SiC).

Все атомные кристаллы отличаются высокой прочностью, твердостью, тугоплавкостью и нерастворимостью практически ни в одном растворителе. Такие свойства обусловлены прочностью ковалентной связи. Вещества с атомной кристаллической решеткой имеют широкий диапазон электрической проводимости от изоляторов и полупроводников до электронных проводников.

Атомные кристаллические решетки некоторых полиморфных модификации карборунда — карбида кремния SiC

Металлические решетки

Эти кристаллические решетки содержат в узлах атомы и ионы металлов, между которыми свободно движутся общие для них всех электроны (электронный газ), которые образуют металлическую связь. Особенность кристаллических решеток металлов заключается в больших координационных числах (8-12), которые свидетельствуют о значительной плотность упаковки атомов металлов.

 Это объясняется тем, что «остовы» атомов, лишены внешних электронов, размещаются в пространстве как шарики одинакового радиуса.

 Для металлов чаще всего встречаются три типа кристаллических решеток: кубическая гранецентрированная с координационным числом 12 кубическая объемноцентрированная с координационным числом 8 и гексагональная, плотной упаковки с координационным числом 12.

Особые характеристики металлического связи и металлических решеток обусловливают такие важнейшие свойства металлов, как высокие температуры плавления, электро- и теплопроводность, ковкость, пластичность, твердость.

Металлические кристаллические решетки: а) кубическая объемноцентрированная (Fe, V, Nb, Cr) б) кубическая гранецентрированная (Al, Ni, Ag, Cu, Au) в) гексагональная (Ti, Zn, Mg, Cd)

Молекулярные решетки

Молекулярные кристаллические решетки содержат в узлах молекулы, соединенные между собой слабыми межмолекулярными силами — вандерваальсовскими или водородными связями.

 Например, лед состоит из молекул воды, удерживающихся в кристаллической решетке водородными связями.

 К тому же типу относятся кристаллические решетки многих веществ, переведенных в твердое состояние, например: простые вещества Н2, О2, N2, O3, P4, S8, галогены (F2, Cl2, Br2, I2), «сухой лед» СО2, все благородные газы и большинство органических соединений.

Молекулярные кристаллические решетки: а) йод I2 ; б) лед Н2О

Поскольку силы межмолекулярного взаимодействия слабее, чем силы ковалентной или металлической связи, молекулярные кристаллы имеют небольшую твердость; они легкоплавкие и летучие, нерастворимые в воде и не проявляют электропроводности.

Источник: https://www.polnaja-jenciklopedija.ru/nauka-i-tehnika/kristallicheskaya-reshetka.html

Кристаллические решетки

Кристаллические решетки

Поговорим о твердых телах. Твердые тела можно разделить на две большие группы: аморфные и кристаллические. Разделять мы их будем по принципу есть порядок или нет.

В аморфных веществах молекулы располагаются хаотично. В их пространственном расположении нет никаких закономерностей. По сути, аморфные вещества – это очень вязкие жидкости, настолько вязкие, что твердые.

Отсюда и название: «а-» – отрицательная частица, «morphe» – форма. К аморфным веществам относятся: стекла, смолы, воск, парафин, мыло.

Отсутствие порядка в расположении частиц обусловливает физические свойства аморфных тел: они не имеют фиксированных температур плавления. По мере нагревания их вязкость постепенно снижается, и они также постепенно переходят в жидкое состояние.

В противоположность аморфным веществам существуют кристаллические. Частицы кристаллического вещества пространственно упорядочены. Это правильная структура пространственного расположения частиц в кристаллическом веществе называется кристаллической решеткой.

В отличии от аморфных тел, кристаллические вещества имеют фиксированные температуры плавления.

В зависимости от того какие частицы находятся в узлах решетки, и от того какие связи удерживают их различают: молекулярную, атомную, ионную и металлическую решетки.

Для чего принципиально важно знать, какая у вещества кристаллическая решетка? Что она определяет? Все. Структура определяет, как химические и физические свойства вещества.

Самый простой пример: ДНК. У всех организмов на земле она построена из одинакового набора структурных компонентов: нуклеотидов четырех видов. А какое многообразие жизни. Это все определяется структурой: порядком, в котором эти нуклеотиды расположены.

Молекулярная кристаллическая решетка.

Типичный пример вода – в твердом состоянии (лед). В узлах решетки находятся целые молекулы. И удерживают их вместе межмолекулярные взаимодействия: водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса.

Связи эти слабые, поэтому молекулярная решетка – самая непрочная, температура плавления таких веществ низкая.

Хороший диагностический признак: если вещество имеет при нормальных условиях жидкое или газообразное состояние и/или имеет запах – то скорее всего у этого вещества молекулярная кристаллическая решетка.

Ведь жидкое и газообразное состояния – это следствие того, что молекулы на поверхности кристалла плохо держатся (связи то слабые). И их «сдувает». Это свойство называется летучестью.

А сдутые молекулы, диффундируя в воздухе доходят до наших органов обоняния, что субъективно ощущается как запах.

Молекулярную кристаллическую решетку имеют:

  1. Некоторые простые вещества неметаллов: I2, P, S (то есть все неметаллы, у которых не атомная решетка).
  2. Почти все органические вещества (кроме солей).
  3. И как уже говорилось ранее, вещества при нормальных условиях жидкие, либо газообразные (будучи замороженными) и/или имеющие запах (NH3, O2, H2O, кислоты, CO2).

Атомная кристаллическая решетка.

В узлах атомной кристаллической решетки, в отличие от молекулярной, располагаются отдельные атомы. Получается, что удерживают решетку ковалентные связи (ведь именно они связывают нейтральные атомы).

Классический пример – эталон прочности твердости – алмаз (по химической природе – это простое вещество углерод). Связи: ковалентные неполярные, так как решетку образуют только атомы углерода.

А вот, например, в кристалле кварца (химическая формула которого SiO2) есть атомы Si и O. Поэтому связи ковалентные полярные.

Физические свойства веществ с атомной кристаллической решеткой:

  1. прочность, твердость
  2. высокие температуры плавления (тугоплавкость)
  3. нелетучие вещества
  4. нерастворимы (ни в воде, ни в других растворителях)

Все эти свойства обусловлены прочностью ковалентных связей.

Веществ в атомной кристаллической решеткой немного. Особой закономерности нет, поэтому их нужно просто запомнить:

  1. Аллотропные модификации углерода (C): алмаз, графит.
  2. Бор (B), кремний (Si), германий (Ge).
  3. Только две аллотропные модификации фосфора имеют атомную кристаллическую решетку: красный фосфор и черный фосфор. (у белого фосфора – молекулярная кристаллическая решетка).
  4. SiC – карборунд (карбид кремния).
  5. BN – нитрид бора.
  6. Кремнезем, горный хрусталь, кварц, речной песок – все эти вещества имеют состав SiO2.
  7. Корунд, рубин, сапфир – у этих веществ состав Al2O3.

Наверняка возникает вопрос: С – это и алмаз, и графит. Но они же совершенно разные: графит непрозрачный, пачкает, проводит электрический ток, а алмаз прозрачный, не пачкает и ток не проводит. Отличаются они структурой.

И то, и то – атомная решетка, но разная. Поэтому и свойства разные.

Ионная кристаллическая решетка.

Классический пример: поваренная соль: NaCl. В узлах решетки располагаются отдельные ионы: Na+ и Cl–. Удерживает решетку электростатические силы притяжения между ионами («плюс» притягивается к «минусу»), то есть ионная связь.

Ионные кристаллические решетки довольно прочные, но хрупкие, температуры плавления таких веществ довольно высокие (выше, чем у представителей металлической, но ниже чем у веществ с атомной решеткой). Многие растворимы в воде.

С определением ионной кристаллической решетки, как правило, проблем не возникает: там, где ионная связь – там ионная кристаллическая решетка. Это: все соли, оксиды металлов, щелочи (и другие основные гидроксиды).

Металлическая кристаллическая решетка.

Металлическая решетка реализуется в простых веществах металлах. Ранее мы говорили, что все великолепие металлической связи можно понять лишь вместе с металлической кристаллической решеткой. Час настал.

Главное свойство металлов: электроны на внешнем энергетическом уровне плохо удерживаются, поэтому легко отдаются. Потеряв электрон металл превращается в положительно заряженный ион – катион:

Na0 – 1e → Na+

В металлической кристаллической решетке постоянно протекают процессы отдачи, и присоединения электронов: от атома металла в одном узле решетки отрывается электрон. Образуется катион. Оторвавшийся электрон притягивается другим катионом (или этим же): вновь образуется нейтральный атом.

В узлах металлической кристаллической решетки находятся как нейтральные атомы, так и катионы металла. А между узлами путешествуют свободные электроны:

Эти свободные электроны называются электронным газом. Именно они обусловливают физические свойства простых веществ металлов:

  1. тепло- и электропроводность
  2. металлический блеск
  3. ковкость, пластичность

Это и есть металлическая связь: катионы металлов притягиваются к нейтральным атомам и все это «склеивают» склеивают свободные электроны.

Как определить тип кристаллической решетки

P.S. Есть кое-что в школьной программе и программе ЕГЭ по этой теме то, с чем мы не совсем согласны. А именно: обобщение, о том, что любая связь металл-неметалл – это ионная связь. Это допущение, намеренно сделано, видимо, для упрощения программы. Но это ведет к искажению.

Граница между ионной и ковалентной связью условная. У каждой связи есть свой процент «ионности» и «ковалентности». Связь с малоактивным металлом имеет малый процент «ионности», она больше похожа на ковалентную. Но по программе ЕГЭ, она «округляется» в сторону ионной. Это порождает, порой абсурдные вещи.

Например, Al2O3 – вещество с атомной кристаллической решеткой. О какой ионности здесь может идти речь. Только ковалентная связь может удерживать таким образом атомы. Но по стандарту «металл-неметалл» мы квалифицируем эту связь как ионную. И получается противоречие: решетка атомная, а связь ионная.

Вот к чему приводит, излишнее упрощение.

Источник: https://himiyaklas.ru/kristallicheskaya_reshetka/

Ионные кристаллические решетки

Электрическое поле иона равномерно распределено в пространстве, поэтому ионная связь характеризуется отсутствием направленности и насыщаемости. Энергетически наиболее выгодно, чтобы каждый ион был окружен наибольшим числом ионов противоположного знака.

Но одноименно заряженные ионы отталкиваются, поэтому устойчивыми будут только такие кристаллические решетки, для которых выполняются следующие два условия: разноименные ионы максимально сближены; одинаково заряженные ионы максимально удалены друг от друга.

Радиусы ионов играют основную роль при образовании тех или иных кристаллических форм.

Так, если отношение радиуса катиона (rк) к радиусу аниона (rа) превышает 0,73, геометрически легко показать, что каждый ион может быть окружен восемью ионами противоположного знака.

При чк: ча=0,41÷0,73 наблюдается октаэдрическая координация: вокруг каждого иона располагаются шесть противоположно заряженных ионов. И наконец, при чк: ча3500°С) и его невозможно растворить в какой-либо жидкости.

Атомные кристаллы с ковалентными связями являются в большинстве случаев изоляторами, поскольку в них отсутствует как ионная , так и электронная проводимость. 

Молекулярные кристаллические решетки

В узлах молекулярной кристаллической решетки находятся молекулы, связанные между собой силами Ван-дер-Ваальса. Такие решетки образуют водород, хлор, азот, оксид углерода (IV) и многие органические соедини. Вследствие небольшой энергии взаимодействия частиц молекулярные кристаллы плавятся при низких температурах и легко растворяются в различных жидкостях (табл. 10).

Молекулы, имеющие разветвленное строение, образуетболее компактную кристаллическую структуру. Силы Взаимодействия между ними оказываются при этом гораздо выше, чем для не разветвленных молекул. Поэтому соединения с близкой молекулярной массой, но неодинаковым строением имеют различные температуры плавления (сравним, например, «-гептан и 2, 2, 3-триметилбутанв таблице 10).

Взаимодействие между молекулами усиливается также с усложнением строения их электронных оболочек и увеличением полярности. Температуры плавления полярных веществ существенно выше температур плавления неполярных соединений.

От полярности молекул сильно зависит растворимость молекулярных кристаллов. Большое значение при этом играет соотношение между размерами полярной и неполярной части молекул.

Например, уксусная кислота Н3С—СООН смешивается с водой в любых отношениях, в то время как растворимость стеариновой кислоты составляет при 25°С всего лишь 0,03 г на 100 г Н2О.

Для соединений, молекулы которых имеют полярные группы О—Н, N—Н, S—Н, структура кристаллов определяется в основном энергией водородных связей и характером их расположения в пространстве. Наличием большого числа водородных связей 

объясняется, в частности, своеобразная структура льда.

Поскольку каждая молекула воды имеет два атома водорода и две не поделенные пары электронов, она может образовать четыре водородные связи:

В изолированной молекуле воды расстояние между ядрами атомов водорода и кислорода составляет примерно 0, 096 нм, а угол между направлениями связей О — Н равен 105°.

В твердом и жидком состояниях параметры молекул Н2О незначительно изменяются.

В кристаллической решетке льда вследствие образования водородных связей угол НОН приближается к тетраэдрическому (109,5°), а расстояние между ядрами атомов водорода и кислорода увеличивается до 0,099 нм.

Кристаллы льда принадлежат к гексагональной системе. Каждая молекула воды связана водородными связями с четырьмя другими молекулами. Вследствие относительно большой длины этих связей упаковка молекул Н2О оказывается очень неплотной, в структуре льда на каждые 46 молекул воды приходится шесть пустот диаметром 0,59 нм и две пустоты диаметром 0,52 нм.

За счет включения в полости кристалла молекул хлора, аргона, ксенона и некоторых других газов возникают так называемые клатратные соединения или соединения включения. Их образование с последующим разрушением применяется для разделения углеводородов и некоторых других веществ. Клатраты используют также как удобную форму хранения газов.

Если внедряющиеся молекулы газа сравнительно невелики (Аr, Хе, СН4, СO2), то они занимают все восемь пустот. Образующиеся при этом клатраты имеют состав X•5,75Н2О (8:46= 1:5,75).

Более крупные частицы занимает только шесть пустот. Предельное отношение числа внедренных молекул к числу молекул воды составляет в этом случае 6:46=1:7,67.

Например, при охлаждении Хлорной воды выпадают кристаллы гидрата хлора, имеющие состав Сl2•8Н2O.

При атмосферном давлении лед плавится при 0°С. С точки зрения молекулярно-кинетической теории плавление льда происходит при такой температуре, когда энергия теплового движения молекул оказывается достаточной для разрыва большинства водородных связей.

Тетраэдрическая структура льда разрушается, и вода переходит в жидкое состояние.

В жидкой воде существует подвижное равновесие: действие водородных связей воссоздает в каждый момент времени в каждом элементе объема тетраэдрическую структуру льда, а тепловое движение молекул эту структуру разрушает.

Плавление льда сопровождается поглощением тепловой энергии в количестве 6,01 кдж/моль.Большая часть ее расходуется на разрыв водородных связей.

Решетка металлов

Общее число валентных электронов атома металла недостаточно для образования обычных двухэлектронных связей со всеми ближайшими соседями в кристалле. Следовательно, связь атомов металла в кристаллической решетке имеет иную природу, чем ионная или ковалентная.

С точки зрения современных представлений металл — это сложная система, состоящая из нейтральных атомов и положительно заряженных ионов, занимающих узлы кристаллической решетки, и «электронного газа», заполняющего межатомное пространство.

В одних местах кристалла катионы захватывают электроны из окружающего пространства, превращаясь в нейтральные атомы, в других — атомы металла отдают свои валентные электроны и превращаются в катионы.

Рис. 5 . Изменение электропроводности металлов вблизи абсолютного нуля

Наличие «свободных» электронов в кристаллической решетке металла было подтверждено экспериментально опытами советских ученых Л. И. Мандельштама и Н. Д.

Папалекси, которые наблюдали появление электрического тока при резком торможении вращающегося с большой скоростью куска металла. Ток возникает также при резком ускорении движения металлического тела (эффект Толмена).

В последнем случае свободные электроны отбрасываются по инерции к противоположному по движению концу металла.

Одним из важнейших свойств металлов является их электропроводность. При одной и той же температуре одни металлы проводят электрический ток очень хорошо, другие — плохо. Величина электропроводности зависит от общего числа валентных электронов в атоме, степени заполнения отдельных энергетических подуровней и от типа кристаллической решетки:

Относительные значения электропроводности некоторых металлов

Ag 59,0Na 20,8К 13,6Pt 9,7Be 5,2V 3,7
Cu 56,9Ir 20,6Cd 12,6Pd 8,7Cr 5,1Hf 3,2
Au39,6Mo 20,0Ru 12,4Sn 8,3Cs 4,8Zr 2,3
Al 36,1W 17,5Li 11,2Rb 7,7Nb 4,8Ti 2,2
Ca 1,9Zn 16,0In 10,6Tl 6,3Pb 4,6Ba 1,9
Rh 21,9Co 15,3Os 10,1Та 6,2Re 4,5Ce 1,2
Mg 21,8Ni 13,9Fe 9,8Th 5,3Sr 4,2Hg 1,0

Для всех металлов характерно более или менее быстрое понижение электропроводности с увеличением температуры.

Это объясняется усилением колебательного движения катионов и нейтральных атомов в узлах кристаллической решетки, что приводит к замедлению направленного перемещения свободных электронов под действием внешнего электрического поля.

Очень интересным оказывается поведение металлов принизких температурах — вблизи абсолютного нуля (-273,16°С). Последовательно увеличиваясь с понижениемтемпературы, электропроводность некоторых металлов, например свинца олова, ртути, неожиданно возрастает практическидо бесконечности (Рис. 5).

Это явление получило название сверхпроводимости. Оно характерно также для ряда сплавов и соединений металлов: карбидов, нитридов и т. д.

Статья на тему Кристаллические решетки

Источник: https://znaesh-kak.com/x/k/%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5-%D1%80%D0%B5%D1%88%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B8

Типы кристаллических решеток

Кристаллические решетки

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Тип урока: Комбинированный.

Цель урока: Создать условия для формирования умения учащихся устанавливать причинно-следственную зависимость физических свойств веществ от вида химической связи и типа кристаллической решетки, предсказывать тип кристаллической решетки на основе физических свойств вещества.

Задачи урока:

  • Сформировать понятия о кристаллическом и аморфном состоянии твердых тел, ознакомить учащихся с различными типами кристаллических решеток, установить зависимость физических свойств кристалла от характера химической связи в кристалле и типа кристаллической решетки, дать учащимся основные представления о влиянии природы химической связи и типов кристаллических решеток на свойства вещества.
  • Продолжить формирование мировоззрения учащихся, рассмотреть взаимное влияние компонентов целого-структурных частиц веществ, в результате которого появляются новые свойства, воспитывать умения организовать свой учебный труд, соблюдать правила работы в коллективе.
  • Развивать познавательный интерес школьников, используя проблемные ситуации;

Оборудование: Периодическая система Д.И.

Менделеева, коллекция «Металлы», неметаллы: сера, графит, красный фосфор, кристаллический кремний, йод; Презентация «Типы кристаллических решёток», модели кристаллических решеток разных типов (поваренной соли, алмаза и графита, углекислого газа и йода, металлов), образцы пластмасс и изделий из них, стекло, пластилин, компьютер, проектор.

1. Организационный момент.

Учитель приветствует учеников, фиксирует отсутствующих.

2. Проверка знаний по темам” Химическая связь. Степень окисления”.

Самостоятельная работа (15 минут)

3. Изучение нового материала.

Учитель озвучивает тему урока и цель урока. (Слайд 1,2)

Учащиеся записывают в тетради дату, тему урок.

Актуализация знаний.

Учитель задаёт вопросы классу:

  1. Какие виды частиц вы знаете? Имеют ли заряды ионы, атомы и молекулы?
  2. Какие виды химических связей вы знаете?
  3. Какие вам известны агрегатные состояния веществ?

Учитель: «Любое вещество может быть газом, жидкостью и твёрдым веществом. Например, вода. При обычных условиях – это жидкость, но она может быть паром и льдом.

Или кислород при обычных условиях представляет собой газ, при температуре -1940 C он превращается в жидкость голубого цвета, а при температуре -218,8°C затвердевает в снегообразную массу, состоящую из кристаллов синего цвета.

На этом уроке мы рассмотрим твёрдое состояние веществ: аморфное и кристаллическое». (Слайд 3)

Учитель: аморфные вещества не имеют чёткой температуры плавления – при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в текучее состояние. К аморфным веществам относят, например шоколад, который тает и в руках и во рту; жевательную резинку, пластилин, воск, пластмассы (показываются примеры таких веществ). (Слайд 7)

Кристаллические вещества имеют чёткую температуру плавления и, главное, характеризуются правильным расположением частиц в строго определенных точках пространства. (Слайды 5,6) При соединении этих точек прямыми линиями образуется пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой. Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки.

Учащиеся записывают в тетрадь определение: «Кристаллической решёткой называют совокупность точек пространства, в которых располагаются частицы, образующие кристалл. Точки, в которых размещаются частицы кристалла, называют узлами решётки».

В зависимости от того, какие виды частиц находятся в узлах этой решётки, различают 4 типа решёток. (Слайд 8) Если в узлах кристаллической решётки находятся ионы, то такая решётка называется ионной.

Учитель задаёт учащимся вопросы:

– Как будут называться кристаллические решётки, в узлах которых находятся атомы, молекулы?

Но есть кристаллические решётки, в узлах которых находятся и атомы, и ионы. Такие решётки называются металлическими.

Сейчас мы будем заполнять таблицу: «Кристаллические решётки, вид связи и свойства веществ». В ходе заполнения таблицы мы будем устанавливать взаимосвязь между типом решётки, видом связи между частицами и физическими свойствами твёрдых веществ.

Далее на экране появляется таблица. (Слайд 9). Её заполнение идёт в ходе диалога учителя с учащимися.

Рассмотрим 1-й тип кристаллической решётки, которая называется ионной. (Слайд 9)

– Какие частицы располагаются в узлах этой решётки?

– Какая химическая связь в этих веществах?

Посмотрите на ионную кристаллическую решётку (показывается модель такой решётки). В её узлах находятся положительно и отрицательно заряженные ионы.

Например, кристалл хлорида натрия построен из положительных ионов натрия и отрицательных хлорид-ионов, образующих решётку в форме куба. К веществам с ионной кристаллической решёткой относятся соли, оксиды и гидроксиды типичных металлов.

Вещества с ионной кристаллической решёткой обладают высокой твёрдостью и прочностью, они тугоплавкие и нелетучие.

Учитель: Физические свойства веществ с атомной кристаллической решёткой те же, что и у веществ с ионной кристаллической решёткой, но часто в превосходной степени – очень твёрдые, очень прочные.

Алмаз, у которого атомная кристаллическая решётка – самое твёрдое вещество из всех природных веществ. Он служит эталоном твёрдости, которая по 10-бальной системе оценивается высшим баллом 10.(Слайд 10).

По этому типу кристаллической решётки вы сами внесёте необходимые сведения в таблицу, самостоятельно поработав с учебником.

Учитель: Рассмотрим 3-й тип кристаллической решётки, которая называется металлической. (Слайды 11,12) В узлах такой решётки находятся атомы и ионы, между которыми свободно перемещаются электроны, связывая их в единое целое.

Далее учащиеся по учебнику рассматривают модель металлической кристаллической решётки.

Такое внутреннее строение металлов и определяет их характерные физические свойства.

Учитель: Какие физические свойства металлов вы знаете? (ковкость, пластичность, электро- и теплопроводность, металлический блеск).

Учитель: На какие группы делятся все вещества по строению? (Слайд 12)

Рассмотрим тип кристаллической решётки, которой обладают такие хорошо известные нам вещества как вода, углекислый газ, кислород, азот и другие. Она называется молекулярной. (Слайд14)

– Какие частицы располагаются в узлах этой решётки?

Далее учащиеся по учебнику рассматривают модель молекулярной кристаллической решётки.

Химическая связь в молекулах, которые находятся в узлах решётки, может быть и ковалентная полярная, и ковалентная неполярная. Несмотря на то, что атомы внутри молекулы связаны очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения.

Поэтому вещества с молекулярной кристаллической решёткой имеют малую твердость, низкие температуры плавления и летучие. Когда газообразные или жидкие вещества при особых условиях превращаются в твёрдые, тогда у них появляется молекулярная кристаллическая решётка. Примерами таких веществ может быть твёрдая вода – лёд, твёрдый углекислый газ – сухой лёд.

Такую решётку имеет нафталин, который применяют для защиты шерстяных изделий от моли.

– Какими свойствами молекулярной кристаллической решётки обусловлено применение нафталина? (летучестью).

Как видим, молекулярную кристаллическую решетку могут иметь не только твердые простые вещества: благородные газы, H2,O2, N2, I2, O3, белый фосфор Р4, но и сложные: твердая вода, твердые хлороводород и сероводород. Большинство твердых органических соединений имеют молекулярные кристаллические решетки (нафталин, глюкоза,сахар).

В узлах решеток находятся неполярные или полярные молекулы. Несмотря на то, что атомы внутри молекул связаны прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного взаимодействия.

Вывод: Вещества непрочные, имеют малую твердость, низкую температуру плавления, летучи.

Вопрос: Какой процесс называется возгонкой или сублимацией?

Ответ: Переход вещества из твердого агрегатного состояния сразу в газообразное, минуя жидкое, называется возгонкой или сублимацией.

Демонстрация опыта: возгонка йода

Потом учащиеся по очереди называют сведения, которые они записали в таблицу.

Кристаллические решетки, вид связи и свойства веществ.

Тип решеткиВиды частиц в узлах решеткиВид связи
между частицами
Примеры веществФизические свойства веществ
Ионная Ионы Ионная – связь прочная Соли, галогениды (IA, IIA),оксиды и гидроксиды типичных металлов Твердые, прочные, нелетучие, хрупкие, тугоплавкие, многие растворимы в воде, расплавы проводят электрический ток
Атомная Атомы 1. Ковалентная не полярная – связь очень прочная
2. Ковалентная полярная – связь очень прочная
Простые вещества: алмаз (C), графит (C) , бор (B), кремний (Si).
Сложные вещества: оксид алюминия (Al2O3), оксид кремния (IV) – SiO2
Очень твердые, очень тугоплавкие, прочные, нелетучие, не растворимы в воде
Молекулярная Молекулы Между молекулами – слабые силы межмолекулярного притяжения, а вот

внутри молекул – прочная ковалентная связь

Твердые вещества при особых условиях, которые при обычных – газы или жидкости
(О2, Н2, Cl2, N2, Br2, H2O, CO2, HCl);
сера, белый фос фор, йод; органические вещества
Непрочные, летучие, легкоплавкие, способны к возгонке, имеют небольшую твердость
Металлическая Атом-ионы Металлическая – разной прочности Металлы и сплавы Ковкие, обладают блеском, пластичностью, тепло- и электропроводны

Учитель: Какой мы можем сделать вывод из проделанной работы по таблице?

Вывод 1: От типа кристаллической решётки зависят физические свойства веществ. Состав вещества → Вид химической связи → Тип кристаллической решетки → Свойства веществ. (Слайд 18).

Вопрос: Какой тип кристаллической решетки из рассмотренных выше не встречается в простых веществах?

Ответ: Ионные кристаллические решетки.

Вопрос: Какие кристаллические решетки характерны для простых веществ?

Ответ: Для простых веществ – металлов – металлическая кристаллическая решетка; для неметаллов – атомная или молекулярная.

Работа с Периодической системой Д.И. Менделеева.

Вопрос: Где в Периодической системе находятся элементы-металлы и почему? Элементы-неметаллы и почему?

Ответ: Если провести диагональ от бора до астата, то в нижнем левом углу от этой диагонали будут находиться элементы-металлы, т.к. на последнем энергетическом уровне они содержат от одного до трех электронов. Это элементы I A, II A, III A (кроме бора), а также олово и свинец, сурьма и все элементы побочных подгрупп.

Элементы-неметаллы находятся в верхнем правом углу от этой диагонали, т.к. на последнем энергетическом уровне содержат от четырех до восьми электронов. Это элементы IV A,V A, VI A, VII A, VIII A и бор.

Учитель: Давайте найдем элементы неметаллы, у которых простые вещества имеют атомную кристаллическую решетку (Ответ: С, В, Si) и молекулярную (Ответ: N, S, O, галогены и благородные газы)

Учитель: Сформулируйте вывод, как можно определить тип кристаллической решетки простого вещества в зависимости от положения элементов в Периодической системе Д.И.Менделеева.

Ответ: Для элементов-металлов, которые находятся в I A, II A, IIIA(кроме бора), а также олова и свинца, и всех элементов побочных подгрупп в простом веществе тип решетки-металлическая.

Для элементов-неметаллов IV A и бора в простом веществе кристаллическая решетка атомная; а у элементов V A, VI A, VII A, VIII A в простых веществах кристаллическая решетка молекулярная.

Продолжаем работать с заполненной таблицей.

Учитель: Посмотрите внимательно на таблицу. Какая закономерность прослеживается?

Внимательно слушаем ответы учеников, после чего вместе с классом делаем вывод. Вывод 2 (слайд 17)

4. Закрепление материала

Тест (самоконтроль):

  1. Вещества, имеющие молекулярную кристаллическую решётку, как правило: a)Тугоплавки и хорошо растворимы в воде б) Легкоплавки и летучи в) Тверды и электропроводны

    г) Теплопроводны и пластичны

  2. Понятия «молекула» не применимопо отношению к структурной единице вещества: a) Вода б) Кислород в) Алмаз

    г) Озон

  3. Атомная кристаллическая решётка характерна для: a) Алюминия и графита б) Серы и йода в) Оксида кремния и хлорида натрия

    г) Алмаза и бора

  4. Если вещество хорошо растворимо в воде, имеет высокую температуру плавления, электропроводно, то его кристаллическая решётка: а) Молекулярная б) Атомная в) Ионная

    г) Металлическая

6. Домашнее задание.

Охарактеризуйте каждый вид кристаллической решётки по плану: Что в узлах кристаллической решётки, структурная единица → Тип химической связи между частицами узла → Силы взаимодействия между частицами кристалла → Физические свойства, обусловленные кристаллической решёткой → Агрегатное состояние вещества при обычных условиях → Примеры .

По формулам приведённых веществ: SiC, CS2, NaBr, C2H2 – определите тип кристаллической решётки(ионная, молекулярная) каждого соединения и на основе этого опишите предполагаемые физические свойства каждого из четырёх веществ.

Источник: https://urok.1sept.ru/%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/641251/

Военный юрист
Добавить комментарий