"Химия", Журин А.А.
Кристаллы — твёрдые вещества, в которых частицы занимают упорядоченные положения и образуют повторяющуюся структуру. Кристаллическая решётка помогает представить это расположение и понять, какие частицы удерживают вещество. Различают ионные, атомные, молекулярные и металлические решётки. Их строение объясняет твёрдость, хрупкость, температуру плавления, электропроводность и другие свойства веществ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кристалл — твёрдое вещество, частицы которого расположены упорядоченно и образуют повторяющуюся структуру. Такой порядок не виден непосредственно, но именно он влияет на форму, твёрдость и другие свойства вещества. Понятие помогает отличать кристаллические вещества от аморфных.
Кристаллическая решётка — мысленная пространственная модель расположения частиц в кристалле. На ней удобно изображать повторяющийся порядок, не прорисовывая каждую частицу настоящего образца. По решётке можно объяснить свойства вещества.
Узел кристаллической решётки — место, в котором находится частица или группа частиц кристалла. В узле могут располагаться атом, ион или молекула, поэтому узлы разных решёток имеют разное содержание. Это позволяет определить тип кристаллической решётки.
Тип кристаллической решётки — способ классификации кристаллов по частицам в узлах и характеру связи между ними. Выделяют ионную, атомную, молекулярную и металлическую решётки. Такая классификация связывает строение вещества с его физическими свойствами.
В кристаллах частицы расположены закономерно: их положения повторяются на больших расстояниях. В аморфных веществах частицы сохраняют порядок только среди ближайших соседей, а дальнего порядка нет. Поэтому кристалл можно описать повторяющейся решёткой, а аморфное вещество — нет.
Ионная решётка возникает, когда положительные и отрицательные ионы чередуются в пространстве. Противоположно заряженные частицы притягиваются, а одинаково заряженные отталкиваются, поэтому ионы занимают устойчивые положения. Сильное электростатическое притяжение делает такие кристаллы твёрдыми, но при смещении слоёв одинаковые заряды оказываются рядом и кристалл раскалывается.
Атомная решётка образуется, если атомы соединены прочными ковалентными связями в единую пространственную сеть. Для разрушения такой сети нужно разорвать множество связей, поэтому вещества обычно имеют высокие температуры плавления и большую твёрдость. Свойства зависят также от геометрии сети: разные способы соединения атомов могут давать разные вещества.
Молекулярная решётка состоит из отдельных молекул, находящихся в узлах. Внутри молекулы связи могут быть прочными, но между молекулами действуют значительно более слабые силы. Поэтому для разделения молекул требуется меньше энергии, и такие вещества обычно легче плавятся или испаряются.
Металлическая решётка включает положительные ионы металла и общие электроны, которые могут перемещаться по всему кристаллу. Подвижные электроны переносят электрический заряд и энергию, поэтому металлы проводят ток и тепло. Связь не направлена строго между двумя соседями, поэтому слои ионов могут смещаться без разрушения всей решётки, что объясняет пластичность металлов.
Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите частицы в узлах, затем сравните характер связи и свойства. Если нужно определить решётку неизвестного вещества, начинайте с его состава и строения, а не только с внешнего вида.
| Тип решётки | Частицы в узлах | Связь между частицами | Основные свойства | Примеры веществ |
|---|---|---|---|---|
| Ионная кристаллическая решётка | Положительные и отрицательные ионы | Электростатическое притяжение | Твёрдость, хрупкость, высокие температуры плавления; ток проводят расплавы и растворы | NaCl, KBr, MgO |
| Атомная кристаллическая решётка | Атомы | Прочные ковалентные связи | Большая твёрдость и тугоплавкость; обычно не проводят ток | Алмаз, SiO₂ |
| Молекулярная кристаллическая решётка | Молекулы | Слабые межмолекулярные силы | Невысокие температуры плавления и кипения; летучесть | I₂, лёд, твёрдый CO₂ |
| Металлическая кристаллическая решётка | Положительные ионы металла и общие электроны | Притяжение ионов и свободных электронов | Электро- и теплопроводность, пластичность, металлический блеск | Cu, Fe, Mg |
Нужно соотнести каждое вещество с частицами, образующими его кристалл. Одна только запись формулы не всегда показывает тип решётки, поэтому учитываем строение вещества. Рассуждаем последовательно.
Ответ: NaCl — ионная, алмаз — атомная, I₂ — молекулярная, Cu — металлическая.
Сначала определяем строение соли, затем связываем его с каждым свойством. Ионы натрия и хлора прочно притягиваются в решётке, но сами узлы не могут свободно перемещаться. Это даёт три вывода.
Ответ: свойства NaCl объясняются ионной решёткой и неподвижностью ионов в твёрдом кристалле.
Определяем не только элементы в формуле, но и форму существования частиц. CO₂ образует отдельные молекулы, SiO₂ — пространственную сеть атомов, Mg — металл, а KBr — соль. После этого свойства предсказываются по типу решётки.
Ответ: CO₂ — молекулярное, SiO₂ — атомное, Mg — металлическое, KBr — ионное вещество.
Считать, что в узлах любой решётки находятся только атомы. Узлы могут занимать ионы или молекулы, поэтому нужно назвать частицы, а не просто посмотреть на химическую формулу. Проверка: спросите себя, что реально образует кристалл.
Путать ионную и атомную решётки. Наличие атомов в составе вещества ещё не означает атомную сеть: в соли атомы превращены в ионы. Проверка: выясните, есть ли отдельные ионы или прочная ковалентная сеть.
Считать, что твёрдая соль проводит ток из-за свободного движения ионов. В кристалле ионы закреплены в узлах и могут лишь колебаться около них. Проверка: различайте твёрдую соль, расплав и раствор.
Называть слабой связью внутри молекулы взаимодействие молекулярной решётки. Внутри молекулы связь может быть прочной, а слабыми обычно являются силы между молекулами. Проверка: отдельно анализируйте молекулу и промежутки между молекулами.
Для изучения кристаллов нужны знания о строении атома, а также об ионной, ковалентной и металлической связях. Нужно различать атомы, ионы и молекулы, потому что именно эти частицы могут находиться в узлах решётки. Без этого трудно определить тип кристалла по составу вещества.
Знание решёток помогает объяснять растворимость, электролитическую диссоциацию и физические свойства веществ. Оно пригодится при изучении применения металлов, солей и неметаллов. Строение кристалла связывает микромир частиц с наблюдаемыми свойствами вещества.
Почему у одного вещества может быть кристаллическая решётка, а у другого — нет?
Кристаллическая решётка возникает, если частицы твёрдого вещества расположены закономерно и образуют повторяющийся порядок. В аморфных веществах частицы могут быть близко друг к другу, но дальнего регулярного порядка у них нет.
Чем атомная решётка отличается от молекулярной?
В атомной решётке отдельные атомы соединены прочными ковалентными связями в единую пространственную сеть. В молекулярной решётке узлы занимают готовые молекулы, а между ними действуют сравнительно слабые силы.
Почему твёрдые соли обычно не проводят электрический ток?
В кристалле соли ионы закреплены в узлах решётки и не могут свободно перемещаться. В расплаве или водном растворе ионы становятся подвижными, поэтому вещество начинает проводить ток.
Почему алмаз и графит состоят из атомов углерода, но имеют разные свойства?
У алмаза атомы углерода образуют прочную пространственную сеть, поэтому он очень твёрдый. В графите атомы соединены в слои, между которыми связь слабее; это делает графит мягким и позволяет ему проводить электрический ток.
Как по формуле вещества определить тип его кристаллической решётки?
Сначала определяют, какие частицы образуют вещество: ионы, атомы, молекулы или частицы металла. Затем учитывают строение вещества: соль обычно имеет ионную решётку, металл — металлическую, отдельное молекулярное вещество — молекулярную, а вещества с атомной сетью, например SiO₂, — атомную.
5. Строение кристаллов
