§ 5. Типы кристаллических решёток

Определения и обозначения

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. Её изображают как пространственную модель: узлы показывают положения частиц, а не пустые точки внутри кристалла. Такое представление помогает описать строение вещества и связать его с наблюдаемыми свойствами.

Узлы кристаллической решётки — места, в которых находятся частицы, образующие кристалл. В зависимости от вещества это могут быть атомы, ионы или молекулы. Определив, какие частицы находятся в узлах, можно перейти к распознаванию типа решётки.

Атомная кристаллическая решётка — решётка, в узлах которой находятся атомы, связанные прочными ковалентными связями. Атомы соединены не только внутри отдельных групп, а образуют общую структуру кристалла. Это определение нужно, чтобы отличать атомные вещества от тех, которые состоят из отдельных молекул.

Ионная, молекулярная и металлическая решётки — типы решёток, различающиеся частицами в узлах и характером связи между ними. В ионной решётке расположены катионы и анионы, в молекулярной — молекулы, а в металлической — положительные ионы металла и обобществлённые электроны. Различение типов позволяет объяснять, почему твёрдые вещества ведут себя по-разному.

Как это устроено

Одного знания расположения частиц недостаточно, чтобы определить тип решётки: нужно выяснить и состав узлов, и характер взаимодействия. Например, одинаковые на первый взгляд упорядоченные структуры могут содержать атомы, молекулы или ионы. Именно частицы и связи между ними задают прочность кристалла и его физические свойства.

В атомной решётке каждый атом ковалентными связями соединён с соседними атомами, и такие связи продолжаются через весь кристалл. Чтобы отделить частицы друг от друга или расплавить вещество, нужно нарушить большое количество прочных связей. Поэтому вещества с атомной решёткой обычно твёрдые и имеют высокие температуры плавления; пример — алмаз.

Ионная решётка состоит из катионов — положительно заряженных ионов — и анионов, имеющих отрицательный заряд. Притяжение противоположных зарядов удерживает частицы вместе, а отталкивание одинаково заряженных ионов влияет на то, как они располагаются в структуре. Поэтому в кристалле ионного вещества, например хлорида натрия, узлы занимают ионы обоих знаков, а не молекулы NaCl.

В молекулярной решётке в узлах находятся отдельные молекулы. Между ними действуют межмолекулярные силы — взаимодействия, которые обычно слабее ковалентных связей внутри молекул. Поэтому для разделения молекул часто требуется меньше энергии, чем для разрушения атомной решётки; такие вещества нередко плавятся при сравнительно низкой температуре.

В металле положительные ионы металла образуют упорядоченные узлы, а часть электронов становится общей для всего кристалла. Эти обобществлённые электроны могут перемещаться между ионами, тогда как сами ионы остаются около своих мест. При подаче напряжения электроны начинают двигаться направленно и переносят электрический заряд, поэтому металл проводит ток в твёрдом состоянии.

Типы кристаллических решёток и свойства веществ

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите, какие частицы образуют вещество и занимают узлы, а затем сопоставьте их с типом решётки. Последний столбец помогает проверить вывод на знакомых примерах. Свойства в таблице характерны для типов решёток, но конкретное вещество может иметь дополнительные особенности.

Разбор задач

Задача 1. Определить тип кристаллической решётки алмаза и назвать частицы в её узлах.

1. Установим, из каких частиц состоит алмаз: его химический состав — углерод.
2. В алмазе атомы углерода соединены друг с другом ковалентными связями в единую структуру, а не собраны в отдельные молекулы.
3. Сопоставим это строение с определением: если узлы занимают атомы, связанные по всему кристаллу, решётка атомная.

Ответ: у алмаза атомная кристаллическая решётка, в её узлах находятся атомы углерода.

Задача 2. Для хлорида натрия определить тип решётки и объяснить, какие частицы занимают её узлы.

1. Хлорид натрия состоит из натрия и хлора; в соединении натрий образует катионы Na⁺, а хлор — анионы Cl⁻.
2. Проверим, что удерживает частицы: противоположно заряженные ионы притягиваются. В кристалле они образуют упорядоченное расположение.
3. Такое строение соответствует ионной решётке. Формула NaCl показывает соотношение ионов, но не означает, что узлы заняты молекулами NaCl.

Ответ: у хлорида натрия ионная решётка; в узлах находятся катионы Na⁺ и анионы Cl⁻.

Задача 3. Сравнить твёрдые йод, натрий и кремний по типу решётки и определить, какое вещество проводит ток в твёрдом состоянии.

1. Йод состоит из молекул I₂, поэтому его кристалл имеет молекулярную решётку. Натрий — металл: его решётка металлическая, с положительными ионами и обобществлёнными электронами.
2. Кремний образует общую структуру из атомов, соединённых ковалентными связями, поэтому его решётка атомная. Нельзя относить его к молекулярным веществам только потому, что он состоит из атомов.
3. Для проводимости в твёрдом состоянии ищем подвижные заряженные частицы. В металлической решётке натрия есть подвижные электроны, тогда как в кристаллах йода и кремния таких электронов, характерных для металлической проводимости, нет.

Ответ: йод имеет молекулярную, натрий — металлическую, кремний — атомную решётку. Из этих веществ в твёрдом состоянии электрический ток проводит натрий.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что тип решётки определяется только химическим составом вещества. Одинаковый набор элементов сам по себе не говорит, какие частицы находятся в узлах и как они связаны; эту путаницу допускают, когда судят только по формуле. Проверьте себя: назовите частицы в кристалле и взаимодействие между ними, а потом определяйте тип решётки.

Ошибка — называть узлы ионной решётки молекулами. В формуле соединения видны символы элементов, и их легко принять за обозначение отдельной молекулы, но в ионном кристалле упорядочены катионы и анионы. Проверка простая: если частицы заряжены, назовите оба вида ионов и не приписывайте им молекулярное строение.

Ошибка — путать атомную решётку с молекулярной. В обоих случаях речь может идти о веществах из атомов, но атомы в молекулярном веществе собраны в отдельные молекулы, а в атомном связаны в общую структуру. Чтобы проверить ответ, выясните, есть ли в твёрдом веществе отдельные молекулы или ковалентные связи продолжаются через весь кристалл.

Ошибка — утверждать, что всякое твёрдое вещество проводит электрический ток. Твёрдое состояние не гарантирует наличия свободно движущихся зарядов, поэтому такая догадка не учитывает устройство решётки. Проверьте, есть ли подвижные заряженные частицы: в металлах ток переносят обобществлённые электроны, а для остальных веществ нужно отдельно учитывать их строение и состояние.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно различать атомы, молекулы и ионы, а также понимать, чем ковалентная связь отличается от ионной. Эти знания помогают определить, какие частицы образуют кристалл, а не только прочитать его химическую формулу. Позже тип решётки пригодится при объяснении физических свойств веществ, типов химической связи и электропроводности металлов и растворов. Так строение вещества связывается с его поведением в опыте.

Что запомнить

• Тип решётки задают частицы в узлах и взаимодействие между ними.
• В атомной решётке узлы занимают атомы.
• В ионной решётке узлы занимают катионы и анионы.
• В молекулярной решётке узлы занимают молекулы.
• В металлической решётке положительные ионы удерживаются обобществлёнными электронами.
• Строение решётки связано с твёрдостью, температурами плавления и электропроводностью вещества.