21. Кристаллические решетки

Определения и обозначения

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристалле, повторяющееся в пространстве. Частицы не собраны в случайную массу: их положение закономерно повторяется в разных направлениях. Эта модель помогает представить строение твёрдого вещества и связать его с наблюдаемыми свойствами. Например, по типу решётки можно объяснить твёрдость и электропроводность кристалла.

Узел кристаллической решётки — место, в котором расположена частица или группа частиц. Узлы показывают, какие именно частицы образуют структуру вещества. В зависимости от вещества это могут быть атомы, молекулы или ионы. Поэтому, определяя тип решётки, сначала выясняют, что находится в её узлах.

Атомная кристаллическая решётка — решётка, в узлах которой находятся атомы, соединённые прочными ковалентными связями. Каждый атом связан с соседними, поэтому весь кристалл можно представить как единую сеть. Такое строение объясняет, почему многие вещества с атомной решёткой трудно разрушить и расплавить. Алмаз — пример вещества с такой решёткой.

Молекулярная, ионная и металлическая кристаллические решётки — решётки, в узлах которых находятся соответственно молекулы, ионы и атомы или катионы металлов с общими электронами. Для каждого типа важны не только частицы, но и взаимодействие между ними. Оно определяет, насколько прочно удерживаются частицы и могут ли перемещаться заряды. Поэтому эти решётки имеют разные физические свойства.

Как это устроено

В кристалле частицы располагаются упорядоченно, потому что между ними действуют силы притяжения и отталкивания. В устойчивом состоянии частицы занимают такие положения, при которых их взаимодействие в среднем выгодно. Повторение этого расположения создаёт пространственный порядок, а не случайный набор точек. В аморфных веществах дальнего повторяющегося порядка нет, хотя они тоже могут быть твёрдыми.

Тип решётки зависит от того, какие частицы находятся в узлах и как они связаны. Атомы, соединённые ковалентными связями, образуют атомную сеть; молекулы удерживаются друг возле друга межмолекулярными силами. В ионном кристалле притягиваются разноимённо заряженные ионы, а в металле катионы связаны с общими подвижными электронами. Такое различие в устройстве позволяет объяснить свойства, не смешивая состав вещества с формой его кристалла.

Атомные кристаллы часто отличаются высокой твёрдостью и высокой температурой плавления, потому что для разрушения структуры нужно нарушить прочные ковалентные связи. Связи охватывают весь кристалл, а не только отдельные пары молекул. Поэтому нагревание должно передать веществу много энергии, прежде чем оно расплавится. Однако твёрдость зависит от конкретного строения: например, графит тоже имеет атомную решётку, но его слои могут скользить друг относительно друга.

Молекулярные кристаллы обычно мягкие и легко плавятся, потому что отдельные молекулы связаны друг с другом слабее, чем атомы внутри молекул. При нагревании достаточно ослабить взаимодействия между молекулами, не разрывая их внутренние химические связи. В обычных условиях молекулы не переносят заряд по кристаллу, поэтому такие вещества, как правило, не проводят электрический ток. Лёд — пример молекулярного кристалла.

Ионные кристаллы хрупкие: при смещении слоёв рядом могут оказаться одноимённо заряженные ионы, которые отталкиваются, и кристалл раскалывается. Чтобы расплавить такую решётку, нужно преодолеть сильное притяжение между ионами, поэтому температура плавления обычно высокая. В твёрдом состоянии ионы закреплены на местах, но в расплаве и растворе могут двигаться и переносить заряд. В металлах общие подвижные электроны переносят заряд, а слои частиц могут смещаться без разрушения всей связи, что помогает объяснить проводимость и пластичность.

Типы кристаллических решёток и их свойства

Пользуйся таблицей как набором подсказок: сначала определи частицы и связи, затем проверь физические свойства. Значения «обычно» показывают распространённую закономерность, но отдельные вещества могут отличаться. Для уверенного вывода сопоставляй несколько признаков сразу.

Разбор задач

Задача 1

Определите тип кристаллической решётки алмаза, льда, хлорида натрия и железа. Названия веществ подсказывают их состав, но для ответа нужно установить, какие частицы образуют кристалл. Затем сопоставьте частицы с определениями четырёх типов решёток.

1. В алмазе узлы образуют атомы углерода, соединённые ковалентными связями, значит, решётка атомная.
2. Лёд состоит из молекул воды, поэтому его решётка молекулярная.
3. Хлорид натрия образован ионами натрия и хлора, значит, решётка ионная; отдельных молекул соли в узлах нет.
4. Железо — металл с общими подвижными электронами, поэтому решётка металлическая.

Ответ: алмаз — атомная, лёд — молекулярная, хлорид натрия — ионная, железо — металлическая решётка. Решение основано прежде всего на составе частиц и характере связи, а не только на том, что все четыре вещества твёрдые. Такой порядок рассуждений позволяет не принять, например, ионы соли за молекулы.

Задача 2

Объясните, почему поваренная соль твёрдая и хрупкая, а железо твёрдое и пластичное. В обоих случаях речь идёт о кристаллических веществах, поэтому важно не ограничиваться словом «кристалл». Сравните частицы в узлах и то, что происходит при смещении слоёв.

1. Соль имеет ионную решётку: в ней чередуются положительные и отрицательные ионы, которые сильно притягиваются.
2. Это притяжение удерживает кристалл и делает его твёрдым; при смещении слоёв рядом оказываются одноимённые ионы, они отталкиваются, и соль раскалывается.
3. В железе металлическая решётка, где катионы связаны с общими подвижными электронами.
4. При смещении слоёв металлическая связь сохраняется, поэтому металл может менять форму, не раскалываясь сразу.

Ответ: соль твёрдая из-за сильного притяжения ионов, но хрупкая из-за отталкивания одноимённых ионов при сдвиге. Железо твёрдое, а пластичность ему придаёт металлическая связь, сохраняющаяся при перемещении слоёв. Различие свойств объясняется не агрегатным состоянием, а устройством решётки.

Задача 3

Вещество имеет высокую температуру плавления, очень большую твёрдость и не проводит электрический ток. Предположите тип решётки и приведите пример. Каждый из этих признаков нужно использовать вместе с остальными: высокая температура плавления сама по себе не даёт однозначного ответа. Особенно полезно проверить, какие связи способны объяснить одновременно твёрдость и тугоплавкость.

1. Очень большая твёрдость указывает на прочную структуру, которую трудно разрушить.
2. Высокая температура плавления согласуется с тем, что для разрушения структуры требуется много энергии.
3. Отсутствие электропроводности не противоречит атомной решётке: в ней обычно нет подвижных заряженных частиц.
4. Подходящий пример — алмаз, в котором атомы углерода соединены прочными ковалентными связями.

Ответ: вероятнее всего, это атомная кристаллическая решётка; пример — алмаз. Вывод является предположением по совокупности свойств, а не строгим доказательством: для точного определения полезны сведения о составе вещества. Если бы речь шла об ионном веществе, следовало бы дополнительно проверить проводимость его расплава или раствора.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любое твёрдое вещество имеет кристаллическую решётку. Так думают, потому что кристаллы и аморфные тела оба сохраняют форму, но у аморфных веществ нет дальнего порядка расположения частиц. Проверяй себя вопросом: повторяется ли расположение частиц в пространстве? Стекло, например, твёрдое, но не имеет кристаллической решётки.

Ошибка — помещать молекулы соли в узлы ионной решётки. Это происходит, если слово «вещество» автоматически воспринимать как набор молекул, хотя хлорид натрия состоит из ионов. Проверь состав: ионы натрия и хлора образуют общую структуру, а формула NaCl показывает их соотношение. Если узлы заняты ионами, решётка ионная.

Ошибка — определять тип решётки по одному свойству, например только по высокой температуре плавления. Такие признаки могут встречаться у разных типов, поэтому одного наблюдения недостаточно. Учитывай состав вещества, твёрдость и электропроводность в разных состояниях. Если признаки не складываются в одну картину, пересмотри предположение.

Ошибка — считать, что все кристаллические вещества проводят ток в твёрдом состоянии. Кристаллический порядок сам по себе не означает наличие подвижных зарядов: в твёрдом ионном кристалле ионы закреплены, а молекулярные вещества обычно не имеют переносчиков заряда. Проверь, есть ли в веществе подвижные заряженные частицы. Для соли сравни твёрдое состояние с расплавом или раствором.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в кристаллических решётках, нужны знания о строении атома и понятия «атом», «молекула» и «ион». Также пригодится различие между ионной и ковалентной связями: оно помогает понять, какие частицы образуют кристалл и как они удерживаются. Металлическое строение связывает эту тему с представлением об общих электронах. Позже решётки помогут объяснять физические свойства веществ, типы химической связи, агрегатные состояния и растворимость.

Что запомнить

• Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристалле.
• Тип решётки определяется частицами в её узлах и связями между ними.
• Для атомной решётки характерны прочные связи, высокая твёрдость и высокая температура плавления.
• Молекулярные кристаллы обычно мягкие, легкоплавкие и не проводят электрический ток.
• Ионные кристаллы твёрдые и хрупкие; их расплавы и растворы проводят ток.
• Металлическая решётка обеспечивает электропроводность, теплопроводность и пластичность металлов.