§ 10. Строение кристаллов. Кристаллические решетки

Определения и обозначения

Кристалл — твёрдое вещество, частицы которого расположены упорядоченно. Если закономерность их расположения сохраняется на больших расстояниях, говорят о дальнем порядке. Это понятие помогает отличить кристаллическое строение от беспорядочного расположения частиц в аморфных веществах.

Кристаллическая решётка — мысленная пространственная модель периодического расположения частиц в кристалле. Она позволяет описывать повторяющийся порядок, не изображая каждую частицу вещества. По решётке можно судить о том, как устроен кристалл и почему его свойства отличаются от свойств других веществ.

Узел кристаллической решётки — положение, в котором находится частица или группа частиц, образующих решётку. Узлы показывают места, повторяющиеся в пространственной структуре кристалла. Понимание этого термина нужно, чтобы определять тип решётки по частицам, занимающим такие положения.

Элементарная ячейка — наименьшая часть кристаллической решётки, повторением которой можно получить весь кристалл. Она содержит характерный фрагмент порядка, который воспроизводится в разных направлениях. Это понятие помогает представить объёмную структуру через один небольшой повторяющийся элемент.

Как это устроено

В кристалле частицы не распределены случайно: они занимают закономерные положения, а порядок повторяется в пространстве. Если мысленно выделить одинаковые участки и повторить их в разных направлениях, получится модель строения всего кристалла. Поэтому вещество сохраняет упорядоченность не только у поверхности, но и в глубине.

В узлах могут находиться атомы, молекулы или ионы — это зависит от вещества. Частицы удерживаются взаимодействиями разной природы: ковалентными связями, притяжением между молекулами, взаимодействием ионов или металлической связью. Именно состав узлов и характер этих взаимодействий определяют, к какому типу относится решётка.

Свойства кристалла зависят от того, насколько прочно связаны его частицы и могут ли они перемещаться. Прочные связи обычно затрудняют изменение формы и требуют значительной энергии для плавления, а подвижные заряженные частицы позволяют проводить ток. Хрупкость возникает, например, когда смещение слоёв приводит к сближению одноимённо заряженных ионов и отталкиванию.

В атомной решётке в узлах находятся атомы, соединённые прочными ковалентными связями. Такая сеть связей проходит через весь кристалл, поэтому для её разрушения требуется много энергии. Алмаз и кремний имеют атомную решётку; алмаз очень твёрдый, а кремний, как и алмаз, плавится при высокой температуре.

Молекулярную решётку образуют молекулы, удерживаемые сравнительно слабыми межмолекулярными силами. При нагревании обычно легче преодолеть притяжение между молекулами, чем разорвать прочные внутримолекулярные связи. Поэтому многие такие вещества имеют невысокую температуру плавления и могут быть летучими, хотя конкретные свойства зависят от вещества.

В ионной решётке чередуются положительные и отрицательные ионы, притягивающиеся друг к другу. Такие кристаллы обычно твёрдые и хрупкие, а при плавлении проводят ток, потому что ионы могут двигаться. В металлической решётке положительные ионы окружены подвижными электронами; их движение объясняет электропроводность металлов, а особенности связи позволяют слоям частиц смещаться без мгновенного разрушения кристалла.

Типы кристаллических решёток и свойства веществ

Сравнивайте решётки по частицам в узлах и по тому, какие силы их удерживают: так проще объяснить свойства, а не заучивать их отдельно. В таблице приведены характерные, но не абсолютно обязательные признаки: свойства конкретного вещества зависят также от его строения.

Разбор задач

Задача 1. Определить тип решётки алмаза, если в узлах находятся атомы, соединённые прочными ковалентными связями.

Сначала выделим признаки, которые описывают строение, а не только свойства вещества. Название типа решётки выбирают по частицам в узлах и характеру связи между ними. Затем сопоставим их с известными признаками четырёх типов решёток.

1. В узлах указаны атомы.
2. Атомы соединены прочными ковалентными связями.
3. Такое сочетание характерно для атомной решётки.

Ответ: алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. Прочные связи между атомами распространяются по кристаллу и помогают объяснить его высокую твёрдость. Поэтому решётку определяют по устройству, а не только по названию вещества.

Задача 2. Какое вещество легче плавится: йод или поваренная соль?

Чтобы ответить, сравним не агрегатные состояния, а типы решёток и взаимодействия частиц. Йод образует молекулярную решётку, а соль — ионную. При плавлении нужно ослабить взаимодействия, удерживающие частицы в кристалле.

1. В кристалле йода находятся молекулы, связанные между собой межмолекулярными силами.
2. В соли ионы удерживаются сильным электростатическим притяжением противоположных зарядов.
3. Для разрушения порядка в молекулярном кристалле обычно требуется меньше энергии, чем в ионном.

Ответ: легче плавится йод. Сравнение основано на типичном различии между межмолекулярными силами и притяжением ионов. Температура плавления конкретного вещества определяется всем его строением, но здесь тип решётки позволяет сделать вывод.

Задача 3. Почему твёрдая поваренная соль не проводит ток, а её расплав проводит?

Для проведения электрического тока в веществе должны быть носители заряда, способные перемещаться. Соль состоит из заряженных ионов, но их подвижность зависит от состояния вещества. Поэтому нужно сравнить расположение ионов в твёрдом кристалле и в расплаве.

1. В твёрдой соли ионы занимают определённые узлы и удерживаются в решётке.
2. Они колеблются около своих положений, но не перемещаются по всему кристаллу.
3. При плавлении порядок решётки разрушается, и ионы получают возможность двигаться, перенося заряд.

Ответ: твёрдая соль ток не проводит из-за неподвижности ионов, а расплав проводит благодаря их движению. Заряды в обоих случаях есть, но для тока необходим их направленный перенос. Этот вывод применим и к другим ионным веществам, если их ионы становятся подвижными.

Типичные ошибки

Считать решётку настоящей сеткой внутри вещества — ошибка: это модель, показывающая повторяющееся расположение частиц. Так думают, потому что слово «решётка» вызывает образ каркаса. Проверь себя: в описании структуры речь идёт о положениях частиц, а не о дополнительных нитях или стенках.

Полагать, что в узлах любой решётки находятся только атомы, неверно: там могут быть также молекулы или ионы. Ошибка возникает, если переносить представление об атомном строении на все вещества. Проверка проста: назови частицы и силы взаимодействия, характерные для данного типа решётки.

Смешивать кристаллическое строение с агрегатным состоянием тоже неправильно. Твёрдость сама по себе не определяет тип решётки, а термин «кристаллический» указывает на упорядочение частиц. Чтобы проверить рассуждение, отдельно выясни состояние вещества и отдельно — как расположены его частицы.

Объяснять проводимость твёрдой соли свободным движением ионов — ошибка: в твёрдой решётке они закреплены около узлов. Такое объяснение появляется, если помнить о заряде ионов, но не учитывать их подвижность. Проверь себя вопросом: могут ли частицы перемещаться по веществу; в расплаве могут, а в твёрдом кристалле — нет.

Связь с другими темами

Для понимания кристаллических решёток нужно знать агрегатные состояния вещества, представления о частицах и виды химической связи. Эти знания помогают определить, какие частицы образуют кристалл и за счёт чего они взаимодействуют. Без них трудно связать строение с физическими свойствами.

Типы решёток используют, чтобы объяснять свойства веществ, а не только классифицировать их. Эти представления пригодятся при изучении металлов, ионных соединений и молекулярных веществ: они помогают понять их твёрдость, плавление и электропроводность. Так строение вещества связывается с наблюдаемыми свойствами.

Что запомнить

• Кристаллы отличаются упорядоченным расположением частиц.
• Кристаллическая решётка — модель периодического расположения частиц в пространстве.
• В узлах решётки могут находиться атомы, молекулы или ионы.
• Различают атомную, молекулярную, ионную и металлическую решётки.
• Тип решётки и характер связей влияют на свойства кристалла.
• Ионные кристаллы проводят ток, когда ионы могут свободно перемещаться, например в расплаве.