§ 23. Кристаллические решётки

Определения и обозначения

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристаллическом веществе. Её изображение показывает повторяющееся строение кристалла: один и тот же порядок частиц продолжается в разных направлениях. Такая модель нужна, чтобы связать внутреннее устройство вещества с его физическими свойствами.

Узел кристаллической решётки — место, в котором условно располагается частица вещества. Частицей в узле может быть атом, молекула или ион, а не обязательно отдельный атом. По тому, какие частицы занимают узлы, определяют тип решётки.

Ионная кристаллическая решётка — решётка, в узлах которой находятся положительные и отрицательные ионы. Они удерживаются силами электростатического притяжения. Такое строение характерно, например, для кристалла хлорида натрия.

Молекулярная кристаллическая решётка — решётка, в узлах которой находятся молекулы. Между молекулами действуют сравнительно слабые силы, поэтому свойства таких веществ отличаются от свойств атомных и ионных кристаллов. Примерами могут служить сахар, лёд и йод.

Как это устроено

В кристалле частицы располагаются не случайно, а в таком порядке, при котором силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. Для каждой частицы существует определённое окружение, которое повторяется в других участках кристалла. Повторяющийся порядок и называют кристаллической решёткой.

В узлах могут находиться атомы, молекулы или ионы, потому что вещества имеют разное строение. Если частицы соединены в единую сеть атомных связей, образуется атомная решётка; если сохраняются отдельные молекулы, возникает молекулярная. В ионных и металлических кристаллах особый состав частиц и характер их взаимодействия создают соответствующие типы решёток.

Атомная решётка представляет собой непрерывную пространственную сеть атомов. Прочные связи между соседними атомами трудно разрушить, поэтому многие вещества с такой решёткой отличаются большой твёрдостью и высокими температурами плавления. Например, алмаз очень твёрд, потому что его атомы углерода прочно связаны во всех направлениях.

В ионной решётке чередуются положительные и отрицательные ионы, а их притяжение удерживает кристалл. Поэтому ионные вещества обычно твёрдые и хрупкие: при смещении слоёв рядом могут оказаться одноимённые ионы, и кристалл раскалывается. В молекулярной решётке сами молекулы остаются целыми, а связи между ними слабее, поэтому многие молекулярные вещества легче плавятся и могут быть летучими.

Металлическая решётка состоит из положительных частиц металла, между которыми свободно перемещаются электроны. Эти электроны не принадлежат одному атому и переносят электрический заряд по всему кристаллу. Поэтому металлы хорошо проводят ток и тепло, а под действием силы их слои могут смещаться без разрушения решётки, что объясняет пластичность.

Типы кристаллических решёток и свойства веществ

Пользуясь таблицей, сначала определите частицы в узлах, а затем рассмотрите, что их связывает. После этого можно предположить свойства вещества, но не следует считать их абсолютно одинаковыми для всех представителей одного типа.

Например, наличие молекул в узлах указывает на молекулярную решётку, а свободные электроны — на металлическую. Для окончательного вывода сопоставляйте несколько признаков: твёрдость, температуру плавления, хрупкость и электропроводность.

Разбор задач

Задача 1. Определите тип кристаллической решётки вещества, если в её узлах расположены молекулы. Нужно использовать главный признак классификации — частицы, находящиеся в узлах. Свойства вещества в условии для этого вывода не требуются.

1. Находим частицу, указанную в условии: это молекула.
2. Сопоставляем её с определением молекулярной решётки.
3. Не путаем молекулу с атомом: молекула состоит из связанных атомов, но в узле рассматриваемой решётки находится именно целая молекула.

Ответ: вещество имеет молекулярную кристаллическую решётку.

Задача 2. Сравните решётки поваренной соли и сахара: назовите частицы в узлах и объясните различие типов. Оба вещества являются твёрдыми кристаллами, но одинаковое агрегатное состояние ещё не означает одинаковое внутреннее строение.

1. В поваренной соли в узлах расположены ионы Na⁺ и Cl⁻.
2. В сахаре в узлах находятся целые молекулы сахарозы.
3. Следовательно, соль имеет ионную решётку, а сахар — молекулярную.

Ответ: у соли ионная решётка, у сахара молекулярная, потому что состав частиц в узлах различается.

Задача 3. Одно вещество проводит ток в твёрдом состоянии и пластично, второе твёрдое и тугоплавкое, третье имеет сравнительно низкую температуру плавления. Нужно предположить тип решётки по совокупности свойств, помня, что это не безошибочный признак.

1. Проводимость в твёрдом состоянии и пластичность характерны для металлов, поэтому первое вещество, вероятно, имеет металлическую решётку.
2. Твёрдость и тугоплавкость указывают на прочные связи; второе вещество предположительно имеет атомную решётку.
3. Низкая температура плавления чаще связана с молекулярной решёткой, поэтому третье вещество предположительно молекулярное.

Ответ: наиболее вероятны металлическая, атомная и молекулярная решётки соответственно. Для точного определения нужны дополнительные сведения о составе и других свойствах веществ.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что в узлах любой решётки находятся атомы. Так думают, потому что атом часто принимают за главную частицу вещества. Проверьте себя вопросом: «Что именно указано в узле — атом, молекула или ион?»

Ошибка 2. Путать решётку с внешней формой кристалла. Внешние грани показывают форму образца, а решётка описывает порядок частиц внутри него. Для проверки мысленно рассмотрите кристалл изнутри, а не его очертания.

Ошибка 3. Считать, что ионное вещество проводит ток в твёрдом состоянии. Ионы в узлах закреплены и не могут переносить заряд по кристаллу. Вспомните: подвижными они становятся в расплаве или растворе.

Ошибка 4. Приписывать всем веществам одного типа совершенно одинаковые свойства. На свойства влияют не только тип решётки, но и состав частиц, их размеры и прочность взаимодействия. Сравнивайте несколько признаков и используйте вывод как предположение.

Связь с другими темами

Для изучения решёток нужно различать атомы, молекулы и ионы. Эти понятия помогают правильно определить частицу в узле и не перепутать тип кристалла.

Тема показывает связь строения вещества с его физическими свойствами: твёрдостью, температурой плавления, хрупкостью и электропроводностью. Такой подход учит объяснять свойства, а не просто запоминать их.

Знание решёток пригодится при изучении химической связи, свойств веществ и различий между простыми и сложными веществами. По строению можно лучше понять поведение вещества в разных условиях.

Что запомнить

• Кристаллическая решётка — модель упорядоченного расположения частиц в кристалле.
• В узлах решётки могут находиться атомы, молекулы или ионы.
• Различают атомные, молекулярные, ионные и металлические решётки.
• Тип решётки связан с характером взаимодействия между частицами.
• Строение решётки помогает объяснить свойства вещества.
• Ионные твёрдые вещества обычно проводят ток в расплаве или растворе, но не в твёрдом состоянии.