§ 23. Кристаллические решётки

Определения и обозначения

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристаллическом веществе. Частицы повторяют определённый порядок, поэтому кристалл имеет устойчивое строение. Это понятие помогает объяснить, почему твёрдые вещества различаются по твёрдости, хрупкости и другим свойствам.

Узлы кристаллической решётки — места, в которых расположены частицы вещества. Узлы показывают, какие именно частицы образуют кристалл, но не означают, что всё вещество состоит только из отдельных точек. Определив частицы в узлах, можно установить тип решётки и сравнить вещества.

Ионная решётка — решётка, в узлах которой находятся положительные и отрицательные ионы, удерживаемые электростатическим притяжением. Ионы — заряженные частицы, образующиеся из атомов при отдаче или присоединении электронов. Такое определение помогает распознавать строение солей, например хлорида натрия.

Молекулярная решётка имеет в узлах молекулы, между которыми действуют сравнительно слабые силы притяжения. Атомная решётка образована атомами, связанными прочными ковалентными связями, то есть связями за счёт общих электронов. В металлической решётке узлы занимают атомы или положительные ионы металла, а взаимодействие с общими подвижными электронами удерживает структуру. Различия между этими решётками помогают связать строение вещества с его свойствами.

Как это устроено

Свойства кристалла зависят от частиц в узлах и сил, которые удерживают их вместе. Если взаимодействие между частицами сильное, обычно требуется больше энергии, чтобы нарушить порядок и расплавить вещество. Если оно слабее, кристалл легче разрушается при нагревании. Поэтому одного слова «твёрдое» недостаточно, чтобы предсказать свойства вещества.

В ионной решётке положительные и отрицательные ионы чередуются, а притяжение действует между зарядами противоположных знаков. Чтобы сдвинуть слои ионов, нужно приложить значительную силу, поэтому соли обычно твёрдые. При сдвиге рядом могут оказаться одноимённо заряженные ионы: они отталкиваются, из-за чего кристалл раскалывается и становится хрупким. Сильное притяжение ионов также объясняет высокую температуру плавления многих солей.

Молекулы в молекулярной решётке сохраняют свой состав, а между самими молекулами действуют силы, обычно более слабые, чем связи внутри атомных решёток. Поэтому для разделения молекул часто хватает меньшего нагрева, и многие молекулярные вещества имеют низкие температуры плавления. Твёрдый углекислый газ состоит из молекул CO₂; при обычном давлении он не плавится, а переходит прямо в газ. Это тоже связано с тем, что решётку удерживают сравнительно слабые взаимодействия между молекулами.

В атомной решётке атомы соединены друг с другом прочными ковалентными связями, которые тянутся через весь кристалл. Чтобы расплавить или поцарапать такое вещество, нужно нарушить множество этих связей, поэтому многие вещества с атомной решёткой очень твёрдые и тугоплавкие. Алмаз — пример такой структуры: его атомы углерода образуют прочную пространственную сеть. Свойства определяются не отдельными молекулами, а всей связанной сетью атомов.

В металлической решётке атомы металла отдают часть электронов в общее пользование; электроны могут перемещаться между положительно заряженными частицами. Когда к металлу подключают источник тока, подвижные электроны направленно движутся и переносят заряд. Слои частиц при деформации могут смещаться, не разрушая металлическую связь полностью, поэтому металлы пластичны. Эта подвижность электронов объясняет и электропроводность металлов.

Типы кристаллических решёток и свойства веществ

Сначала сравни частицы в узлах с составом вещества, а затем проверь, соответствует ли предполагаемый тип решётки его свойствам. В таблице приведены характерные, а не обязательные для каждого вещества свойства. Для надёжного вывода используй несколько признаков одновременно.

Разбор задач

Задача 1. Определи тип решётки хлорида натрия и назови частицы в её узлах. Учитывай, что формула NaCl обозначает соединение натрия и хлора, а не отдельные молекулы NaCl в кристалле. Нужно выяснить, какие частицы образуют упорядоченную структуру соли.

1. Натрий и хлор образуют ионы: Na⁺ и Cl⁻.
2. Соединение положительных и отрицательных ионов указывает на ионный тип решётки.
3. Значит, в узлах кристалла находятся оба вида ионов, а не нейтральные атомы и не молекулы.

Ответ: у хлорида натрия ионная решётка; в её узлах расположены ионы Na⁺ и Cl⁻.

Задача 2. Сопоставь углекислый газ в твёрдом состоянии и алмаз по типу решётки и температуре плавления. Не делай вывод только по тому, что оба вещества являются твёрдыми кристаллами. Сначала определи частицы в узлах, затем оцени прочность взаимодействий.

1. Твёрдый CO₂ состоит из молекул, поэтому его решётка молекулярная.
2. Алмаз образован атомами углерода, соединёнными прочными ковалентными связями; решётка атомная.
3. Межмолекулярные силы в CO₂ слабее связей в алмазе, поэтому переход CO₂ в газ происходит при намного меньшей температуре. При обычном давлении CO₂ сублимирует, а не плавится.

Ответ: у твёрдого CO₂ молекулярная решётка, у алмаза атомная. Алмаз гораздо более тугоплавкий; CO₂ при обычном давлении переходит из твёрдого состояния в газ.

Задача 3. Вещество твёрдое, хрупкое и тугоплавкое. Оно не проводит ток в твёрдом состоянии, но проводит в расплаве. Определи тип решётки и обоснуй вывод по всем признакам, а не только по одному из них.

1. Хрупкость и высокая температура плавления согласуются с сильным притяжением частиц в ионном кристалле.
2. В твёрдом веществе ионы закреплены в узлах и не могут свободно переносить заряд, поэтому ток не проходит.
3. После плавления ионы получают возможность перемещаться; это объясняет электропроводность расплава.

Ответ: наиболее вероятна ионная решётка. Этот вывод подтверждают одновременно хрупкость, тугоплавкость и проводимость расплава при отсутствии проводимости твёрдого вещества.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что в узлах любой решётки находятся атомы. Так думают, потому что атомы знакомы как частицы вещества, но в ионной решётке узлы занимают ионы, а в молекулярной — молекулы. Проверяй себя вопросом: какие частицы сохраняются в кристалле согласно его типу? Для соли называй ионы, а не отдельные молекулы.

Ошибка — путать молекулярную и атомную решётки, хотя в обоих случаях вещество может состоять из неметаллов. Причина путаницы — не состав, а невнимание к размеру частицы в узле: молекула состоит из связанных атомов, а в атомной решётке сами атомы соединены в общую сеть. Проверка: выясни, есть ли в узлах отдельные молекулы или атомы связаны друг с другом по всему кристаллу.

Ошибка — полагать, что любой твёрдый материал проводит электрический ток. Обычно так рассуждают, перенося свойства металлов на все твёрдые вещества, но заряженные частицы в решётке могут быть неподвижны. Проверь, имеются ли в веществе подвижные носители заряда: у соли ионы в твёрдом кристалле закреплены, зато в расплаве могут перемещаться.

Ошибка — считать металлическую решётку набором только нейтральных атомов. Такое представление упускает общие подвижные электроны, без которых нельзя объяснить электропроводность металлов. Для самопроверки назови обе составляющие металлического строения: частицы в узлах и электроны, перемещающиеся между ними.

Связь с другими темами

Для изучения решёток нужно различать атомы, молекулы и ионы, а также понимать основные виды химической связи. Эти знания позволяют объяснить, почему, например, хлорид натрия образует ионный кристалл, а алмаз — атомный. Представления о решётках пригодятся при сравнении простых и сложных веществ и объяснении их физических свойств. Позже они помогут разбирать строение вещества, химическую связь и закономерности изменения свойств веществ.

Что запомнить

• Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристалле.
• Тип решётки определяют по частицам в её узлах.
• В ионной решётке узлы занимают положительные и отрицательные ионы.
• В молекулярной решётке узлы занимают молекулы.
• В атомной решётке атомы соединены прочными ковалентными связями.
• В металлической решётке подвижные электроны объясняют электропроводность металлов.
• Строение решётки связано со свойствами вещества.