Struktura materije. Vrste kristalnih rešetki

Prilikom izvođenja mnogih fizičkih i hemijske reakcije tvar prelazi u čvrsto agregacijsko stanje. U ovom slučaju, molekule i atomi teže da se rasporede u takav prostorni red u kojem bi sile interakcije između čestica materije bile maksimalno izbalansirane. Tako se postiže čvrstoća čvrste supstance. Atomi, kada jednom zauzmu određenu poziciju, vrše mala oscilatorna kretanja čija amplituda zavisi od temperature, ali njihov položaj u prostoru ostaje fiksan. Sile privlačenja i odbijanja uravnotežuju jedna drugu na određenoj udaljenosti.

Moderne ideje o strukturi materije

Moderna nauka tvrdi da se atom sastoji od nabijenog jezgra, koje nosi pozitivan naboj, i elektrona koji nose negativan naboj. Brzinom od nekoliko hiljada triliona okretaja u sekundi, elektroni rotiraju u svojim orbitama, stvarajući elektronski oblak oko jezgra. Pozitivni naboj jezgra je numerički jednak negativni naboj elektrona. Dakle, atom tvari ostaje električno neutralan. Moguće interakcije s drugim atomima nastaju kada se elektroni odvoje od svog matičnog atoma, čime se poremeti električna ravnoteža. U jednom slučaju, atomi su raspoređeni u određenom redu, koji se naziva kristalna rešetka. U drugom, zbog složene interakcije jezgara i elektrona, oni se spajaju u molekule razne vrste i složenost.

Definicija kristalne rešetke

Uzeti zajedno, različite vrste kristalnih rešetki supstanci su mreže različitih prostornih orijentacija, na čijim čvorovima se nalaze ioni, molekuli ili atomi. Ova stabilna geometrijska prostorna pozicija naziva se kristalna rešetka supstance. Udaljenost između čvorova jedne kristalne ćelije naziva se period identiteta. Prostorni uglovi pod kojima se nalaze čvorovi ćelije nazivaju se parametri. Prema metodi konstruisanja veza, kristalne rešetke mogu biti jednostavne, bazično-centrirane, lice-centrirane i tijelo-centrirane. Ako se čestice materije nalaze samo u uglovima paralelepipeda, takva se rešetka naziva jednostavnom. Primjer takve rešetke prikazan je u nastavku:

Ako se, pored čvorova, čestice supstance nalaze u sredini prostornih dijagonala, tada se ovaj raspored čestica u supstanci naziva kristalna rešetka usredsređena na tijelo. Ovaj tip je jasno prikazan na slici.

Ako, pored čvorova na vrhovima rešetke, postoji i čvor na mjestu gdje se sijeku zamišljene dijagonale paralelepipeda, onda imate tip rešetke usmjeren na lice.

Vrste kristalnih rešetki

Različite mikročestice koje čine supstancu određuju različite vrste kristalnih rešetki. Oni mogu odrediti princip izgradnje veza između mikročestica unutar kristala. Fizičke vrste kristalnih rešetki su jonske, atomske i molekularne. Ovo također uključuje različite vrste metalnih kristalnih rešetki. Proučavanje principa unutrašnja struktura Hemija se bavi elementima. Vrste kristalnih rešetki su detaljnije predstavljene u nastavku.

Jonske kristalne rešetke

Ove vrste kristalnih rešetki prisutne su u jedinjenjima sa jonskim tipom veze. U ovom slučaju, mjesta rešetke sadrže ione sa suprotnim električni naboj. Hvala za elektromagnetno polje, ispostavilo se da su sile međuionske interakcije prilično jake, i to određuje fizička svojstva supstance. Zajedničke karakteristike su vatrostalnost, gustina, tvrdoća i sposobnost provođenja električne struje. Jonske vrste kristalnih rešetki nalaze se u supstancama poput kuhinjske soli, kalijum nitrata i drugih.

Atomske kristalne rešetke

Ova vrsta strukture materije je svojstvena elementima čija je struktura određena kovalentnim hemijskim vezama. Tipovi kristalnih rešetki ove vrste sadrže pojedinačne atome na čvorovima, međusobno povezane jakim kovalentnim vezama. Ova vrsta veze nastaje kada dva identična atoma "dijele" elektrone, formirajući na taj način zajednički par elektrona za susjedne atome. Zahvaljujući ovoj interakciji, kovalentne veze vezuju atome ravnomjerno i snažno određenim redoslijedom. Hemijski elementi koji sadrže atomske vrste kristalne rešetke, imaju tvrdoću, visoku tačku topljenja, slabo provode električnu energiju i hemijski su neaktivne. Klasični primjeri elemenata sa sličnom unutrašnjom strukturom uključuju dijamant, silicijum, germanij i bor.

Molekularne kristalne rešetke

Supstance koje imaju molekularni tip kristalne rešetke su sistem stabilnih, međusobno upakovanih molekula koji se nalaze u čvorovima kristalne rešetke. U takvim jedinjenjima molekuli zadržavaju svoj prostorni položaj u plinovitoj, tečnoj i čvrstoj fazi. U čvorovima kristala, molekule zajedno drže slabe van der Waalsove sile, koje su desetine puta slabije od sila jonske interakcije.

Molekuli koji formiraju kristal mogu biti polarni ili nepolarni. Zbog spontanog kretanja elektrona i vibracija jezgara u molekulima, električna ravnoteža se može pomjeriti - tako nastaje trenutni električni dipolni moment. Odgovarajuće orijentirani dipoli stvaraju privlačne sile u rešetki. Ugljični dioksid i parafin tipični su primjeri elemenata s molekularnom kristalnom rešetkom.

Metalne kristalne rešetke

Metalna veza je fleksibilnija i duktilnija od jonske veze, iako se može činiti da su obje zasnovane na istom principu. Tipovi kristalnih rešetki metala objašnjavaju njihova tipična svojstva - kao što su mehanička čvrstoća, toplinska i električna provodljivost i topljivost.

Posebnost metalne kristalne rešetke je prisustvo pozitivno nabijenih metalnih jona (katjona) na mjestima ove rešetke. Između čvorova nalaze se elektroni koji su direktno uključeni u stvaranje električno polje oko rešetke. Broj elektrona koji se kreću unutar ove kristalne rešetke naziva se elektronski plin.

U odsustvu električnog polja, slobodni elektroni rade haotično kretanje, nasumično u interakciji sa ionima rešetke. Svaka takva interakcija mijenja zamah i smjer kretanja negativno nabijene čestice. Elektroni svojim električnim poljem privlače katione, balansirajući njihovo međusobno odbijanje. Iako se elektroni smatraju slobodnim, njihova energija nije dovoljna da napuste kristalnu rešetku, pa su te nabijene čestice stalno unutar njenih granica.

Prisustvo električnog polja daje elektronskom plinu dodatnu energiju. Veza sa ionima u kristalnoj rešetki metala nije jaka, pa elektroni lako napuštaju njene granice. Elektroni se kreću dalekovodi, ostavljajući iza sebe pozitivno nabijene jone.

Zaključci

Hemija pridaje veliku važnost proučavanju unutrašnje strukture materije. Vrste kristalnih rešetki razni elementi određuju gotovo čitav niz njihovih svojstava. Utjecanjem na kristale i promjenom njihove unutrašnje strukture moguće je poboljšati željena svojstva tvari i ukloniti neželjena, transformirati hemijski elementi. Dakle, proučavanje unutrašnje strukture okolnog svijeta može pomoći u razumijevanju suštine i principa strukture svemira.

Većina čvrstih materija ima kristalno strukture, koja je okarakterisana strogo definisan raspored čestica. Ako čestice povežete konvencionalnim linijama, dobijate prostorni okvir tzv kristalna rešetka. Tačke na kojima se nalaze kristalne čestice nazivaju se čvorovi rešetke. Čvorovi zamišljene rešetke mogu sadržavati atome, ione ili molekule.

Ovisno o prirodi čestica smještenih na čvorovima i prirodi veze između njih, razlikuju se četiri tipa kristalnih rešetki: ionske, metalne, atomske i molekularne.

Jonski nazivaju se rešetke u čijim čvorovima se nalaze joni.

Nastaju od tvari s ionskim vezama. U čvorovima takve rešetke postoje pozitivni i negativni joni, međusobno povezani elektrostatičkom interakcijom.

Jonske kristalne rešetke imaju soli, alkalije, oksidi aktivni metali . Joni mogu biti jednostavni ili složeni. Na primjer, na mjestima rešetke natrijum hlorida nalaze se prosti joni natrijuma Na i hlora Cl − , a na mestima rešetke kalijum sulfata jednostavni kalijum ioni K i složeni sulfatni joni S O 4 2 − se smenjuju.

Veze između jona u takvim kristalima su jake. Prema tome, jonske supstance su čvrste, vatrostalne, neisparljive. Takve supstance su dobre rastvoriti u vodi.

Kristalna rešetka natrijum hlorida

Kristal natrijum hlorida

Metal nazvane rešetke, koje se sastoje od pozitivnih jona i atoma metala i slobodnih elektrona.

Nastaju od tvari s metalnim vezama. Na čvorovima metalne rešetke nalaze se atomi i ioni (bilo atomi ili ioni, u koje se atomi lako pretvaraju, dajući svoje vanjske elektrone za uobičajenu upotrebu).

Takve kristalne rešetke karakteristične su za jednostavne tvari metala i legura.

Tačke topljenja metala mogu biti različite (od \(–37\) °C za živu do dvije do tri hiljade stepeni). Ali svi metali imaju karakteristike metalni sjaj, savitljivost, duktilnost, dobro provode struju i toplinu.

Metalna kristalna rešetka

Hardver

Atomske rešetke nazivaju se kristalne rešetke, na čijim se čvorovima nalaze pojedinačni atomi povezani kovalentnim vezama.

Dijamant ima ovu vrstu rešetke - jednu od alotropskih modifikacija ugljika. Supstance sa atomskom kristalnom rešetkom uključuju grafit, silicijum, bor i germanijum, kao i složene tvari, na primjer karborund SiC i silicijum, kvarc, gorski kristal, pijesak, koji uključuju silicijum oksid (\(IV\)) Si O 2.

Takve supstance su karakteristične visoka čvrstoća i tvrdoća. Dakle, dijamant je najteža prirodna supstanca. Supstance sa atomskom kristalnom rešetkom imaju vrlo visoke tačke topljenja i ključanje. Na primjer, tačka topljenja silicijum dioksida je \(1728\) °C, dok je za grafit viša - \(4000\) °C. Atomski kristali su praktično netopivi.

Dijamantska kristalna rešetka

Dijamant

Molekularno se nazivaju rešetke, u čijim se čvorovima nalaze molekuli povezani slabim međumolekularnim interakcijama.

Unatoč činjenici da su atomi unutar molekula povezani vrlo jakim kovalentnim vezama, slabe sile međumolekularne privlačnosti djeluju između samih molekula. Dakle, molekularni kristali imaju niske čvrstoće i tvrdoća, niske tačke topljenja i ključanje. Mnoge molekularne supstance su tečnosti i gasovi na sobnoj temperaturi. Takve supstance su isparljive. Na primjer, kristalni jod i čvrsti ugljični monoksid (\(IV\)) ("suhi led") isparavaju bez prelaska u tečno stanje. Neke molekularne supstance imaju miris .

Ova vrsta rešetke ima jednostavne supstance u čvrstom agregacijskom stanju: plemeniti plinovi sa jednoatomskim molekulama (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn ), kao i nemetali sa dvo- i poliatomske molekule (H 2, O 2, N 2, Cl 2, I 2, O 3, P 4, S 8).

Imaju molekularnu kristalnu rešetku takođe supstance sa kovalentnim polarnim vezama: voda - led, čvrsti amonijak, kiseline, oksidi nemetala. Većina organska jedinjenja su i molekularni kristali (naftalen, šećer, glukoza).

Kao što već znamo, supstanca može postojati u tri agregatna stanja: gasoviti, teško I tečnost. Kiseonik, koji normalnim uslovima je u gasovitom stanju, na temperaturi od -194°C prelazi u plavkastu tečnost, a na temperaturi od -218,8°C pretvara se u snežnu masu sa plavim kristalima.

Temperaturni raspon za postojanje tvari u čvrstom stanju određen je tačkama ključanja i topljenja. Čvrste materije su kristalno I amorfna.

U amorfne supstance nema fiksne tačke topljenja - kada se zagreju, postepeno omekšaju i prelaze u tečno stanje. U ovom stanju, na primjer, nalaze se razne smole i plastelin.

Kristalne supstance Odlikuju se pravilnim rasporedom čestica od kojih se sastoje: atoma, molekula i jona, na strogo određenim tačkama u prostoru. Kada su ove tačke povezane pravim linijama, stvara se prostorni okvir, koji se naziva kristalna rešetka. Tačke na kojima se nalaze kristalne čestice nazivaju se rešetkasti čvorovi.

Čvorovi rešetke koje zamišljamo mogu sadržavati ione, atome i molekule. Ove čestice vrše oscilatorna kretanja. Kada se temperatura poveća povećava se i opseg ovih fluktuacija, što dovodi do termička ekspanzija tel.

Ovisno o vrsti čestica koje se nalaze na čvorovima kristalne rešetke i prirodi veze između njih, razlikuju se četiri vrste kristalnih rešetki: jonski, atomski, molekularni I metal.

Jonski One se nazivaju kristalne rešetke u kojima se joni nalaze na čvorovima. Nastaju od tvari s jonskim vezama, koje mogu vezati i jednostavne ione Na+, Cl- i složene SO24-, OH-. Dakle, ionske kristalne rešetke imaju soli, neke okside i hidroksile metala, tj. one supstance u kojima postoji ionska hemijska veza. Razmislite o kristalu natrijevog hlorida, koji se sastoji od pozitivno naizmjeničnih Na+ i negativnih CL- iona, zajedno čine rešetku u obliku kocke. Veze između jona u takvom kristalu su izuzetno stabilne. Zbog toga, tvari s jonskom rešetkom imaju relativno visoku čvrstoću i tvrdoću, vatrostalne su i neisparljive.

Atomic Kristalne rešetke su one kristalne rešetke čiji čvorovi sadrže pojedinačne atome. U takvim rešetkama atomi su međusobno povezani vrlo jakim kovalentnim vezama. Na primjer, dijamant je jedna od alotropnih modifikacija ugljika.

Supstance sa atomskom kristalnom rešetkom nisu baš česte u prirodi. To uključuje kristalni bor, silicijum i germanijum, kao i složene supstance, na primer one koje sadrže silicijum (IV) oksid - SiO 2: silicijum dioksid, kvarc, pesak, gorski kristal.

Velika većina tvari s atomskom kristalnom rešetkom ima vrlo visoke tačke topljenja (za dijamant prelazi 3500 ° C), takve tvari su jake i tvrde, praktički netopive.

Molekularno One se nazivaju kristalne rešetke u kojima se molekuli nalaze na čvorovima. Hemijske veze u ovim molekulima također mogu biti polarne (HCl, H 2 0) ili nepolarne (N 2, O 3). I iako su atomi unutar molekula povezani vrlo jakim kovalentnim vezama, slabe sile međumolekularne privlačnosti djeluju između samih molekula. Zbog toga se tvari s molekularnim kristalnim rešetkama odlikuju niskom tvrdoćom, niskom tačkom topljenja i hlapljivošću.

Primjeri takvih supstanci uključuju čvrstu vodu - led, čvrsti ugljični monoksid (IV) - "suhi led", čvrsti hlorovodonik i sumporovodik, čvrste jednostavne supstance formirane od jednog - (plemeniti gasovi), dva - (H 2, O 2, CL 2 , N 2 , I 2), tri - (O 3), četiri - (P 4), osmoatomske (S 8) molekule. Velika većina čvrstih organskih jedinjenja ima molekularne kristalne rešetke (naftalen, glukoza, šećer).

blog.site, pri kopiranju materijala u cijelosti ili djelimično, potrebna je veza do originalnog izvora.

Čvrste tvari postoje u kristalnim i amorfnim stanjima i pretežno su kristalne strukture. Odlikuje se pravilnom lokacijom čestica na tačno određenim tačkama, koje karakteriše periodično ponavljanje u volumenu. koncept " kristalna rešetka"odnosi se na geometrijsku sliku koja opisuje trodimenzionalnu periodičnost u rasporedu molekula (atoma, jona) u kristalnom prostoru.

Lokacije čestica nazivaju se čvorovi rešetke. Unutar okvira postoje internodalne veze. Vrsta čestica i priroda veze između njih: molekule, atomi, ioni određuju ukupno četiri tipa: jonske, atomske, molekularne i metalne.

Ako se ioni (čestice s negativnim ili pozitivnim nabojem) nalaze na mjestima rešetke, onda je to ionska kristalna rešetka, koju karakteriziraju istoimene veze.

Ove veze su veoma jake i stabilne. Stoga tvari s ovom vrstom strukture imaju prilično visoku tvrdoću i gustoću, neisparljive su i vatrostalne. At niske temperature manifestiraju se kao dielektrici. Međutim, kada se takva jedinjenja tope, geometrijski ispravna ionska kristalna rešetka (raspored jona) se poremeti i jačina veza se smanjuje.

Na temperaturama blizu tačke topljenja, kristali sa jonskim vezama već su sposobni da provode električnu struju. Takvi spojevi su lako topljivi u vodi i drugim tekućinama koje se sastoje od polarnih molekula.

Jonska kristalna rešetka je karakteristična za sve supstance sa ionskim tipom veze - soli, metalni hidroksidi, binarna jedinjenja metala sa nemetalima. nema usmjerenost u prostoru, jer je svaki ion povezan s nekoliko protujona odjednom, čija snaga interakcije ovisi o udaljenosti između njih (Coulombov zakon). Jedinjenja sa jonskim vezama imaju nemolekularnu strukturu; jonske rešetke, visokog polariteta, visoke tačke topljenja i ključanja, in vodeni rastvori biti električno provodljiv. Jedinjenja sa jonskim vezama u čista forma praktično se nikada ne javlja.

Jonska kristalna rešetka je svojstvena nekim hidroksidima i oksidima tipičnih metala, soli, tj. supstance sa jonskim

Osim ionskih veza, u kristalima postoje metalne, molekularne i kovalentne veze.

Kristali koji imaju kovalentnu vezu su poluvodiči ili dielektrici. Tipični primjeri atomskih kristala su dijamant, silicijum i germanijum.

Dijamant je mineral, alotropska kubična modifikacija (oblik) ugljika. Kristalna rešetka dijamanta je atomska i vrlo složena. U čvorovima takve rešetke nalaze se atomi međusobno povezani izuzetno jakim kovalentnim vezama. Dijamant se sastoji od pojedinačnih atoma ugljika, raspoređenih jedan po jedan u središtu tetraedra, čiji su vrhovi četiri najbliža atoma. Ovu rešetku karakterizira kubična rešetka usmjerena na lice, koja određuje maksimalnu tvrdoću dijamanta i prilično je visoka temperatura topljenje. U dijamantskoj rešetki nema molekula - i kristal se može posmatrati kao jedan impresivan molekul.

Osim toga, karakterističan je za silicijum, čvrsti bor, germanijum i spojeve pojedinih elemenata sa silicijumom i ugljenikom (silicijum, kvarc, liskun, rečni pesak, karborund). Generalno, postoji relativno malo predstavnika sa atomskom rešetkom.

U prirodi postoje dvije vrste čvrstih tvari koje se značajno razlikuju po svojim svojstvima. To su amorfna i kristalna tijela. A amorfna tijela nemaju tačnu tačku topljenja tokom zagrijavanja, postepeno omekšaju i zatim prelaze u fluidno stanje. Primjer takvih tvari je smola ili obični plastelin. Ali situacija je potpuno drugačija s kristalnim supstancama. Oni ostaju u čvrstom stanju do određene temperature, a tek kada je dostignu, te se tvari tope.

Sve je u strukturi takvih supstanci. U kristalnim čvrstim materijama, čestice od kojih se sastoje nalaze se na određenim tačkama. A ako ih povežete ravnim linijama, dobijate neku vrstu imaginarnog okvira, koji se zove kristalna rešetka. A vrste kristalnih rešetki mogu biti vrlo različite. A prema vrsti čestica od kojih su „konstruisane“, rešetke se dijele na četiri tipa. To su jonski, atomski, molekularni i

I na čvorovima se, shodno tome, nalaze ioni, a između njih postoji ionska veza. može biti jednostavno (Cl-, Na+) ili složeno (OH-, SO2-). I ove vrste kristalnih rešetki mogu sadržavati neke metalne hidrokside i okside, soli i druge slične tvari. Uzmimo, na primjer, obični natrijum hlorid. Izmjenjuje negativne ione klora i pozitivne ione natrija, koji formiraju kubičnu kristalnu rešetku. Jonske veze u takvoj rešetki su vrlo stabilne i tvari "izgrađene" prema ovom principu imaju prilično veliku čvrstoću i tvrdoću.

Postoje i vrste kristalnih rešetki koje se nazivaju atomske rešetke. Ovdje čvorovi sadrže atome između kojih postoji jaka kovalentna veza. Atomska rešetka nemaju mnogo supstanci. To uključuje dijamant, kao i kristalni germanijum, silicijum i bor. Postoje i neke složene supstance koje sadrže i prema tome imaju atomsku kristalnu rešetku. To su gorski kristal i silicijum dioksid. I u većini slučajeva, takve tvari su vrlo jake, tvrde i vatrostalne. Oni su takođe praktično nerastvorljivi.

A molekularne vrste kristalnih rešetki imaju najviše različite supstance. To uključuje smrznutu vodu, odnosno obični led, "suhi led" - očvrsnuti ugljični monoksid, kao i čvrsti vodonik sulfid i klorovodik. Molekularne rešetke također sadrže mnoga čvrsta organska jedinjenja. To uključuje šećer, glukozu, naftalen i druge slične tvari. A molekuli koji se nalaze na čvorovima takve rešetke povezani su jedni s drugima polarnim i nepolarnim kemijskim vezama. I unatoč činjenici da unutar molekula postoje jake kovalentne veze između atoma, ovi molekuli se sami drže u rešetki zbog vrlo slabih međumolekularnih veza. Stoga su takve tvari prilično hlapljive, lako se tope i nemaju veliku tvrdoću.

Pa, metala ima najviše različite vrste kristalne rešetke. A njihovi čvorovi mogu sadržavati i atome i ione. U ovom slučaju, atomi se lako mogu pretvoriti u ione, dajući svoje elektrone za „zajedničku upotrebu“. Na isti način, ioni, nakon što su "zarobili" slobodan elektron, mogu postati atomi. A ova rešetka određuje svojstva metala kao što su plastičnost, savitljivost, toplinska i električna provodljivost.

Takođe, tipovi kristalnih rešetki metala, i drugih supstanci, podeljeni su u sedam glavnih sistema prema obliku elementarnih ćelija rešetke. Najjednostavnija je kubična ćelija. Postoje i rombične, tetragonalne, heksagonalne, romboedarske, monoklinske i triklinske jedinične ćelije koje određuju oblik cijele kristalne rešetke. Ali u većini slučajeva kristalne rešetke su složenije od gore navedenih. To je zbog činjenice da elementarne čestice mogu se nalaziti ne samo u samim čvorovima rešetke, već iu njegovom središtu ili na njegovim rubovima. A među metalima, najčešće su sljedeće tri složene kristalne rešetke: kubična sa središtem lica, kubična sa središtem tijela i heksagonalno zbijena. Više fizičke karakteristike metali ne zavise samo od oblika njihove kristalne rešetke, već i od međuatomske udaljenosti i drugih parametara.