Типы кристаллических решеток

На этой странице вы узнаете

• Кто скрывается за решеткой в химическом мире, и удалось ли кому-то этого избежать?
• Что объединяет любителей шоколада и украшений?
• Почему углерод может быть и драгоценным камнем, и ключевой деталью пишущей принадлежности?

В человеческом мире за решеткой находятся преступники. Но решетки бывают разные. За одними сидят особо опасные преступники, за другими менее опасные. В химическом мире тоже есть «преступники», которые скрываются за разными типами решеток. С видами таких решеток нам предстоит сегодня познакомиться.

Кристаллическая решетка

Кристаллическая решетка — это схема, показывающая, как расположены частицы (атомы, молекулы, ионы) в кристалле.

По расположению частиц выделяют аморфные и кристаллические вещества.

Кто скрывается за решеткой в химическом мире, и удалось ли кому-то этого избежать? Теперь мы понимаем, что аморфным веществам удалось избежать строгого тюремного режима, поэтому их частицы располагаются так, как хотят — хаотично. Кристаллическим веществам повезло не так сильно, потому что им приказывают строиться в строгой последовательности.

Аморфные вещества

Для начала определимся, что же такое аморфные вещества.

Аморфные вещества — вещества, не имеющие кристаллической решетки, в которых частицы расположены хаотично.

Стабильно-аморфные вещества не затвердевают с образованием кристаллических граней. И обладают изотропией свойств, то есть не обнаруживают различия свойств в разных направлениях. Такая конструкция не является устойчивой и, постепенно видоизменяясь, имеет склонность к переходу в кристаллическую.

Что объединяет любителей шоколада и украшений? По сути, и те и другие любят аморфные вещества. Потому что они входят в состав и шоколада, и украшений с жемчугом, например. А также аморфные соединения можно встретить в: — воске; — янтаре; — полиэтилене; — стекле и т.д.

Состав кристаллических решеток

У каждой кристаллической решетки (КР) есть узлы, именно в них и находятся частицы кристаллических веществ. То есть узлы решетки — места расположения частиц.

Что зависит от частиц? От них зависит тип кристаллической решетки.

Какие бывают типы кристаллических решеток? 

• атомная;
• молекулярная;
• ионная;
• металлическая.

Типы кристаллических решеток

Но для начала важно понять, как не путаться во всех типах решеток? Как запомнить все их свойства? 

Достаточно вспомнить по одному представителю от каждой кристаллической решетки и тогда все сразу станет понятно.

Например, типичный представитель ионной решетки — NaCl. Это поваренная соль, которая есть почти у каждого в доме.

• Вспоминаем, какая она на ощупь? Твердая, прочная.
• А куда мы ее добавляем? Например, в суп. Что она там делает? Растворяется. Значит, у веществ с ионной кристаллической решеткой хорошая растворимость в воде. 
• А что мы почувствуем, если понюхаем соль? Почти ничего. Значит, запах отсутствует.

Вот и все, не так уж и сложно, согласитесь?

Атомная решетка

Что для нее характерно?

• Самая высокая твердость, прочность, а также t° плавления и кипения = тугоплавкость. Запоминаем, что все «самое лучшее» забирает себе атомная решетка.
• Нерастворимость, нелетучесть, нет запаха. Вспомним песок, который имеет атомную КР. Он не растворяется в воде, иначе пляжа бы не существовало бы. Песок не летуч, у него нет запаха, вот и все, ничего даже учить не придется.
• Отсутствие электропроводности и желания с кем-то реагировать (химически инертны).

Что находится в узлах решетки?

Все очень логично: в узлах атомной решетки находятся атомы, связанные прочными ковалентными связями.

Какие есть примеры веществ с атомной кристаллической решеткой?

1. Кремнезем = песок = кварц = горный хрусталь (SiO₂), карборунд = карбид кремния (SiC), графит и алмаз (С).
2. Красный и черный фосфор (Р).
3. Оксид бора B₂O₃, нитрид бора BN.

Молекулярная решетка

Что для нее характерно?

• Малая твердость и прочность => хрупкость.
• Самые низкие t° плавления и кипения. Молекулярную кристаллическую решетку имеют газы, для которых характерны как раз самые низкие температуры плавления и кипения, все логично.
• Плохая растворимость и электропроводность. Исключения: растворы аминов, NH₃ — аммиака и кислот.
• Летучесть, способность к возгонке, то есть переходу из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Так, вода при особых условиях может изо льда превратиться сразу в газ, минуя стадию воды.
• Легкоплавкость.

Что находится в узлах решетки?

И снова все очень логично: в узлах молекулярной решетки находятся молекулы, внутри которых связи прочные, а между ними прочность связи слабая.

Какие есть примеры веществ с молекулярной решеткой?

1. Все вещества с ковалентными связями, то есть газы, жидкости, кислоты.
2. Белый фосфор (Р₄), оксид фосфора (V) P₂O₅.
3. Фуллерен (C₆₀), пероксид водорода H₂O₂.
4. Хлорид кремния (IV) SiCl₄, cилан SiH₄.

Ионная решетка

Что для нее характерно?

• Твердость, но хрупкость.
• Высокие t° плавления и кипения.
• Хорошая растворимость в воде. Снова вспоминаем поваренную соль, она легко растворяется в воде.
• Малая летучесть и отсутствие запаха. Опять же поваренная соль не летуча и не имеет никакого характерного запаха.
• Проводят ток. Только растворы и расплавы за счет диссоциации — распада на ионы.

Что находится в узлах решетки?

В узлах ионной решетки находятся ионы, соединенные ионными связями.

Какие есть примеры веществ с атомной кристаллической решеткой?

1. Неорганические соли (NaCl, K₂SO₄).
2. Некоторые органические соли: соли карбоновых кислот — CН3COOK, соли аммония — NН4Cl, соли аминов — CH3NH3Br.
3. Оксиды и гидроксиды металлов (Ме + неМе).

Металлическая решетка

Что для нее характерно?

• Высокая твердость, прочность, t° плавления и кипения.
• Нерастворимость в воде.
• Металлический блеск, пластичность, ковкость. Вспоминаем золотые сережки и понимаем, что все эти свойства подходят для них.
• Тепло— и электропроводность.

Что находится в узлах решетки?

Здесь уже чуть посложнее: в узлах металлической решетки находятся металлы (атомы) и их положительно заряженные катионы (ионы металлов), а между ними блуждают электроны.

Какие есть примеры веществ с атомной кристаллической решеткой?

1. Все металлы — Na, Mg, Ca и т.д.
2. Сплавы металлов — бронза, латунь, сталь и др.

Мы рассмотрели все типы кристаллических решеток. Но у некоторых химических веществ есть суперспособность — менять свои химические и физические свойства в зависимости от расположения атомов в кристаллической решетке. 

Почему углерод может быть и драгоценным камнем, и ключевой деталью пишущей принадлежности? Все дело в аллотропии. Что это за слово? У человека это называется раздвоением личности, а у веществ аллотропией. Это значит, что один и тот же элемент может образовывать два и более вида простых веществ. Алмаз (драгоценный камень) и графит (стержень простого карандаша) образованы одним и тем же элементом — углеродом. Поэтому в зависимости от расположения частиц в кристаллической решетке углерод будет либо алмазом, либо графитом.

Что еще скрывает от нас углерод. Оказывается, у него есть еще третья личность — фуллерен (С60). Кстати, он применяется в изготовлении косметики и лекарств.

• 

• 

• 

Все, больше у углерода не осталось секретов. 

Еще один многоликий хитрец — фосфор.

У фосфора тоже есть три личности: красный, белый и черный. 

• Красный фосфор самый распространенный. Он применяется в производстве спичек, взрывчатых веществ. 
• Черный фосфор используется в полупроводниках.
• Белый фосфор используется для изготовления снарядов, которые светятся в темноте.

• 

• 

• 

Оказывается, что и у серы есть от нас секретики: она бывает ромбическая, пластическая и моноклинная. Используется в производстве резины, красителей и спичек.

И последний элемент, чьи секреты мы сейчас узнаем — это кислород. У него есть только две личности: кислород (О₂) и озон (О₃), который образует озоновый слой. 

Кислород (О2)	Озон (О3)
Газ без цвета, вкуса, запаха.	Газ без цвета, с сильным характерным запахом.
Мало растворим в воде.	Хорошо растворим в воде.
Жидкий — светло-голубой, твердый — синий.	Жидкий — синий, твердый — темно-фиолетовый.

Современные представления о веществах

А теперь поговорим о современных представлениях о строении твердых, жидких и газообразных веществ. Все, что нужно знать об их отличиях видно в сравнительной таблице, приведенной ниже.

	Твердое тело	Жидкость	Газ
Строение
Расстояния между молекулами	Сравнимо с размером молекул	Чуть больше, чем в твердом теле	Многократно превышает размеры молекул
Характер движения	Колебательное	Скачкообразное	Хаотическое
Скорости молекул	Малы	Скорее малы	Огромны
Взаимодействие между молекулами	Наибольшее	Меньше, чем у твердых тел	Наименьшее

В 1861 году Александр Михайлович Бутлеров предложил миру свою Теорию химического строения веществ. Она господствует в химии до сих пор. Главные положения этой теории следующие:

1. Атомы в молекулах веществ соединены друг с другом согласно их валентности, порядок распределения связей в молекуле называется химическим строением.
2. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.
3. Свойства веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от «химического строения», то есть от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой.
4. Атомы в молекулах оказывают влияние друг на друга, и это влияние приводит к химическим изменениям поведения атома.
5. Определить состав и строение химического вещества можно по продуктам химических превращений.

Фактчек

• Кристаллическая решетка — это то, как расположены частицы (атомы, молекулы, ионы) в кристалле.
• Выделяют четыре типа кристаллических решеток: молекулярную, атомную ионную и металлическую.
• Молекулярная КР содержит в узлах решетки — молекулы, атомная — атомы, ионная — ионы, металлическая — атомы и ионы металлов.
• Не все вещества имеют КР. Например, аморфные вещества (воск, стекло, шоколад) КР не имеют.
• Чтобы не приходилось заучивать очень длинные списки веществ для каждого типа решетки, запоминаем, что металлическую КР имеют все металлы, их сплавы и все; молекулярную — почти вся органика, большинство газов и жидкостей, ионную — соли; атомную — остальное.

Проверь себя

Задание 1.
Какая кристаллическая решетка у хлорида калия?

1. молекулярная
2. атомная
3. ионная
4. металлическая

Задание 2.
Какая кристаллическая решетка у хлора?

1. молекулярная
2. атомная
3. ионная
4. металлическая

Задание 3.
Какая кристаллическая решетка у меди?

1. молекулярная
2. атомная
3. ионная
4. металлическая

Задание 4.
Какая кристаллическая решетка алмаза?

1. молекулярная
2. атомная
3. ионная
4. металлическая

Ответы: 1. — 3; 2. — 1; 3. — 4; 4. — 2.