Molekulárna a nemolekulárna štruktúra látok. Štruktúra hmoty
Do chemických interakcií nevstupujú jednotlivé atómy alebo molekuly, ale látky. Látky sú klasifikované podľa typu väzby molekulárne A nemolekulárna štruktúra. Látky zložené z molekúl sa nazývajú molekulárne látky. Väzby medzi molekulami v takýchto látkach sú veľmi slabé, oveľa slabšie ako medzi atómami vo vnútri molekuly a už pri relatívne nízkych teplotách sa lámu – látka sa mení na kvapalinu a následne na plyn (sublimácia jódu). Teploty topenia a varu látok pozostávajúcich z molekúl sa zvyšujú so zvyšujúcou sa molekulovou hmotnosťou. TO molekulárne látky patria látky s atómovou štruktúrou (C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W), medzi nimi sú kovy a nekovy. K látkam nemolekulárna štruktúra zahŕňajú iónové zlúčeniny. Väčšina zlúčenín kovov s nekovmi má túto štruktúru: všetky soli (NaCl, K 2 SO 4), niektoré hydridy (LiH) a oxidy (CaO, MgO, FeO), zásady (NaOH, KOH). Iónové (nemolekulárne) látky majú vysoké teploty topenia a varu.
Pevné látky: amorfné a kryštalické
Pevné látky sa delia na kryštalické a amorfné.
Amorfné látky nemajú jasný bod topenia - pri zahrievaní postupne mäknú a prechádzajú do tekutého stavu. Napríklad plastelína a rôzne živice sú v amorfnom stave.
Kryštalické látky charakterizované správnym usporiadaním častíc, z ktorých pozostávajú: atómov, molekúl a iónov - v presne definovaných bodoch v priestore. Keď sú tieto body spojené priamymi čiarami, vytvorí sa priestorový rámec nazývaný kryštálová mriežka. Body, v ktorých sa nachádzajú častice kryštálov, sa nazývajú uzly mriežky. V závislosti od typu častíc nachádzajúcich sa v uzloch kryštálovej mriežky a povahy spojenia medzi nimi sa rozlišujú štyri typy kryštálových mriežok: iónové, atómové, molekulárne a kovové.
Kryštálové mriežky sa nazývajú iónové, v uzloch ktorých sú ióny. Sú tvorené látkami s iónovými väzbami, ktoré môžu viazať ako jednoduché ióny Na+, Cl -, tak aj komplexné SO 4 2-, OH -. V dôsledku toho majú soli a niektoré oxidy a hydroxidy kovov iónové kryštálové mriežky. Napríklad kryštál chloridu sodného je vytvorený zo striedajúcich sa kladných iónov Na + a záporných Cl -, čím sa vytvára mriežka v tvare kocky. Väzby medzi iónmi v takomto kryštáli sú veľmi stabilné. Preto sa látky s iónovou mriežkou vyznačujú pomerne vysokou tvrdosťou a pevnosťou, sú žiaruvzdorné a neprchavé.
Kryštalická mriežka - a) a amorfná mriežka - b).
Kryštalická mriežka - a) a amorfná mriežka - b). Atómové kryštálové mriežky
Atómový sa nazývajú kryštálové mriežky, v ktorých uzloch sa nachádzajú jednotlivé atómy. V takýchto mriežkach sú atómy navzájom spojené veľmi silné kovalentné väzby. Príkladom látok s týmto typom kryštálových mriežok je diamant, jedna z alotropných modifikácií uhlíka. Väčšina látok s atómovou kryštálovou mriežkou má veľmi vysoké teploty topenia (napr. u diamantu je to nad 3500 °C), sú pevné a tvrdé a prakticky nerozpustné.
Molekulové kryštálové mriežky
Molekulárna nazývané kryštálové mriežky, v uzloch ktorých sa nachádzajú molekuly. Chemické väzby v týchto molekulách môžu byť polárne (HCl, H 2 O) aj nepolárne (N 2, O 2). Napriek tomu, že atómy vnútri molekúl sú spojené veľmi silnými kovalentnými väzbami, medzi molekulami samotnými pôsobia slabé sily medzimolekulovej príťažlivosti. Preto látky s molekulárnymi kryštálovými mriežkami majú nízku tvrdosť, nízke teploty topenia a sú prchavé. Väčšina pevných organických zlúčenín má molekulárne kryštálové mriežky (naftalén, glukóza, cukor).
Molekulárna kryštálová mriežka (oxid uhličitý) Kovové kryštálové mriežky
Látky s kovová väzba majú kovové kryštálové mriežky. V uzloch takýchto mriežok sú atómov a iónov(buď atómy, alebo ióny, na ktoré sa atómy kovov ľahko transformujú a odovzdajú svoje vonkajšie elektróny „na bežné použitie“). Táto vnútorná štruktúra kovov určuje ich charakteristické fyzikálne vlastnosti: kujnosť, ťažnosť, elektrická a tepelná vodivosť, charakteristický kovový lesk.
Cheat listy
Štruktúra hmoty je určená nielen vzájomným usporiadaním atómov v chemických časticiach, ale aj umiestnením týchto chemických častíc v priestore. Najviac usporiadané usporiadanie atómov, molekúl a iónov je v kryštály(z gréčtiny" crystallos" - ľad), kde sú chemické častice (atómy, molekuly, ióny) usporiadané v určitom poradí, tvoriace v priestore kryštálovú mriežku. Za určitých podmienok vzniku môžu mať prirodzený tvar pravidelných symetrických mnohostenov. Kryštalický stav je charakterizované prítomnosťou usporiadania na veľké vzdialenosti v usporiadaní častíc a symetriou kryštálovej mriežky.
Amorfný stav je charakterizovaný prítomnosťou len krátkodosahového poriadku. Štruktúry amorfných látok pripomínajú kvapaliny, ale majú oveľa menšiu tekutosť. Amorfný stav je zvyčajne nestabilný. Pod vplyvom mechanického zaťaženia alebo teplotných zmien môžu amorfné telesá kryštalizovať. Reaktivita látok v amorfnom stave je oveľa vyššia ako v kryštalickom stave.
Amorfné látky
Hlavné znamenie amorfný(z gréčtiny" amorphos" - beztvarý) stav hmoty - neprítomnosť atómovej alebo molekulárnej mriežky, to znamená trojrozmerná periodicita štruktúry charakteristickej pre kryštalický stav.
Keď sa kvapalná látka ochladí, nie vždy kryštalizuje. za určitých podmienok môže vzniknúť nerovnovážny pevný amorfný (sklovitý) stav. Sklovitý stav môže obsahovať jednoduché látky (uhlík, fosfor, arzén, síra, selén), oxidy (napríklad bór, kremík, fosfor), halogenidy, chalkogenidy a mnohé organické polyméry.
V tomto stave môže byť látka stabilná po dlhú dobu, napríklad vek niektorých sopečných skiel sa odhaduje na milióny rokov. Fyzikálne a chemické vlastnosti látky v sklovitom amorfnom stave sa môžu výrazne líšiť od vlastností kryštalickej látky. Napríklad sklovitý oxid germániitý je chemicky aktívnejší ako kryštalický. Rozdiely vo vlastnostiach kvapalného a tuhého amorfného stavu sú dané povahou tepelného pohybu častíc: v amorfnom stave sú častice schopné iba oscilačných a rotačných pohybov, ale nemôžu sa pohybovať v rámci látky.
Existujú látky, ktoré môžu existovať iba v pevnej forme v amorfnom stave. To sa týka polymérov s nepravidelným poradím jednotiek.
Amorfné telá izotropný, to znamená, že ich mechanické, optické, elektrické a iné vlastnosti nezávisia od smeru. Amorfné telesá nemajú pevnú teplotu topenia: topenie prebieha v určitom teplotnom rozsahu. Prechod amorfnej látky z pevného do kvapalného stavu nie je sprevádzaný náhlou zmenou vlastností. Fyzikálny model amorfného stavu ešte nebol vytvorený.
Kryštalické látky
Pevné kryštály- trojrozmerné útvary vyznačujúce sa prísnou opakovateľnosťou rovnakého konštrukčného prvku ( jednotková bunka) vo všetkých smeroch. Základná bunka je najmenší objem kryštálu vo forme rovnobežnostena, ktorý sa v kryštáli opakuje nekonečne veľakrát.
Geometricky správny tvar kryštálov je určený predovšetkým ich striktne pravidelnou vnútornou štruktúrou. Ak namiesto atómov, iónov alebo molekúl v kryštáli znázorníme body ako ťažiská týchto častíc, dostaneme trojrozmerné pravidelné rozloženie takýchto bodov, ktoré sa nazýva kryštálová mriežka. Samotné body sa nazývajú uzly kryštálová mriežka.
Typy kryštálových mriežok
Podľa toho, z akých častíc je tvorená kryštálová mriežka a aká je povaha chemickej väzby medzi nimi, sa rozlišujú rôzne typy kryštálov.
Iónové kryštály sú tvorené katiónmi a aniónmi (napríklad soli a hydroxidy väčšiny kovov). V nich existuje iónová väzba medzi časticami.
Iónové kryštály môžu pozostávať z monatomický ióny. Takto sa stavajú kryštály chlorid sodný, jodid draselný, fluorid vápenatý.
Monatomické katióny kovov a polyatomické anióny, napríklad dusičnanový ión NO 3 −, síranový ión SO 4 2−, uhličitanový ión CO 3 2−, sa podieľajú na tvorbe iónových kryštálov mnohých solí.
V iónovom kryštáli nie je možné izolovať jednotlivé molekuly. Každý katión je priťahovaný ku každému aniónu a odpudzovaný inými katiónmi. Celý kryštál možno považovať za obrovskú molekulu. Veľkosť takejto molekuly nie je obmedzená, pretože môže rásť pridávaním nových katiónov a aniónov.
Väčšina iónových zlúčenín kryštalizuje v niektorom zo štruktúrnych typov, ktoré sa navzájom líšia hodnotou koordinačného čísla, teda počtom susedov okolo daného iónu (4, 6 alebo 8). Pre iónové zlúčeniny s rovnakým počtom katiónov a aniónov sú známe štyri hlavné typy kryštálových mriežok: chlorid sodný (koordinačné číslo oboch iónov je 6), chlorid cézny (koordinačné číslo oboch iónov je 8), sfalerit a wurtzit. (oba štruktúrne typy sú charakterizované koordinačným číslom katiónu a aniónu rovným 4). Ak je počet katiónov polovičný než počet aniónov, potom koordinačný počet katiónov musí byť dvojnásobkom koordinačného počtu aniónov. V tomto prípade sa realizujú štruktúrne typy fluoritu (koordinačné čísla 8 a 4), rutilu (koordinačné čísla 6 a 3) a cristobalitu (koordinačné čísla 4 a 2).
Iónové kryštály sú zvyčajne tvrdé, ale krehké. Ich krehkosť je spôsobená skutočnosťou, že aj pri miernej deformácii kryštálu sa katióny a anióny vytesnia takým spôsobom, že odpudivé sily medzi podobnými iónmi začnú prevládať nad príťažlivými silami medzi katiónmi a aniónmi a kryštál sa zničí.
Iónové kryštály majú vysoké teploty topenia. V roztavenom stave sú látky, ktoré tvoria iónové kryštály, elektricky vodivé. Po rozpustení vo vode sa tieto látky disociujú na katióny a anióny a vzniknuté roztoky vedú elektrický prúd.
Vysoká rozpustnosť v polárnych rozpúšťadlách sprevádzaná elektrolytickou disociáciou je spôsobená skutočnosťou, že v prostredí rozpúšťadla s vysokou dielektrickou konštantou ε klesá príťažlivá energia medzi iónmi. Dielektrická konštanta vody je 82-krát vyššia ako dielektrická konštanta vákua (podmienečne existujúca v iónovom kryštáli) a príťažlivosť medzi iónmi vo vodnom roztoku klesá o rovnakú hodnotu. Účinok zosilňuje solvatácia iónov.
Atómové kryštály pozostávajú z jednotlivých atómov držaných pohromade kovalentnými väzbami. Z jednoduchých látok majú takéto kryštálové mriežky len bór a prvky skupiny IVA. Často zlúčeniny nekovov medzi sebou (napríklad oxid kremičitý) tiež vytvárajú atómové kryštály.
Rovnako ako iónové kryštály, aj atómové kryštály možno považovať za obrovské molekuly. Sú veľmi odolné a tvrdé a zle vedú teplo a elektrinu. Látky, ktoré majú atómové kryštálové mriežky, sa topia pri vysokých teplotách. Sú prakticky nerozpustné v akýchkoľvek rozpúšťadlách. Vyznačujú sa nízkou reaktivitou.
Molekulové kryštály sú postavené z jednotlivých molekúl, v rámci ktorých sú atómy spojené kovalentnými väzbami. Medzi molekulami pôsobia slabšie medzimolekulové sily. Ľahko sa zničia, takže molekulárne kryštály majú nízke teploty topenia, nízku tvrdosť a vysokú prchavosť. Látky, ktoré tvoria molekulové kryštálové mriežky, nemajú elektrickú vodivosť a ich roztoky a taveniny tiež nevedú elektrický prúd.
Medzimolekulové sily vznikajú v dôsledku elektrostatickej interakcie záporne nabitých elektrónov jednej molekuly s kladne nabitými jadrami susedných molekúl. Sila medzimolekulových interakcií je ovplyvnená mnohými faktormi. Najdôležitejšia z nich je prítomnosť polárnych väzieb, to znamená posun v hustote elektrónov z jedného atómu na druhý. Okrem toho sú medzimolekulové interakcie silnejšie medzi molekulami s väčším počtom elektrónov.
Väčšina nekovov vo forme jednoduchých látok (napr. jód I 2, argón Ar, síra S 8) a zlúčeniny medzi sebou (napríklad voda, oxid uhličitý, chlorovodík), ako aj takmer všetky pevné organické látky tvoria molekulové kryštály.
Kovy sa vyznačujú kovovou kryštálovou mriežkou. Obsahuje kovovú väzbu medzi atómami. V kovových kryštáloch sú jadrá atómov usporiadané tak, aby ich balenie bolo čo najhustejšie. Väzba v takýchto kryštáloch je delokalizovaná a siaha cez celý kryštál. Kovové kryštály majú vysokú elektrickú a tepelnú vodivosť, kovový lesk a nepriehľadnosť a ľahkú deformovateľnosť.
Klasifikácia kryštálových mriežok zodpovedá limitujúcim prípadom. Väčšina kryštálov anorganických látok patrí k intermediárnym typom - kovalentne iónové, molekulárne kovalentné atď. Napríklad v kryštáli grafit V rámci každej vrstvy sú väzby kovalentno-kovové a medzi vrstvami sú intermolekulárne.
Izomorfizmus a polymorfizmus
Mnohé kryštalické látky majú rovnakú štruktúru. Zároveň tá istá látka môže vytvárať rôzne kryštálové štruktúry. To sa odráža vo javoch izomorfizmus A polymorfizmus.
Izomorfizmus spočíva v schopnosti atómov, iónov alebo molekúl vzájomne sa nahradiť v kryštálových štruktúrach. Tento výraz (z gréčtiny " isos" - rovné a " morfe" - forma) navrhol E. Mitscherlich v roku 1819. Zákon izomorfizmu sformuloval E. Mitscherlich v roku 1821 takto: „Rovnaké počty atómov, spojené rovnakým spôsobom, dávajú rovnaké kryštalické formy; Navyše, kryštalická forma nezávisí od chemickej povahy atómov, ale je určená iba ich počtom a relatívnou polohou.
Mitscherlich pri práci v chemickom laboratóriu Berlínskej univerzity upozornil na úplnú podobnosť kryštálov síranov olova, bária a stroncia a podobnosť kryštalických foriem mnohých iných látok. Jeho pozorovania upútali pozornosť slávneho švédskeho chemika J.-Ya. Berzelius, ktorý navrhol, aby Mitscherlich potvrdil pozorované vzorce na príklade zlúčenín kyseliny fosforečnej a arzénu. V dôsledku štúdie sa dospelo k záveru, že „dve rady solí sa líšia iba tým, že jedna obsahuje arzén ako kyslý radikál a druhá obsahuje fosfor“. Mitscherlichov objav veľmi skoro zaujal mineralógov, ktorí začali výskum problému izomorfnej substitúcie prvkov v mineráloch.
Pri spoločnej kryštalizácii látok náchylných na izomorfizmus ( izomorfný látok), vznikajú zmesové kryštály (izomorfné zmesi). To je možné len vtedy, ak sa častice, ktoré sa navzájom nahrádzajú, líšia veľkosťou len málo (nie viac ako 15 %). Okrem toho musia mať izomorfné látky podobné priestorové usporiadanie atómov alebo iónov, a teda podobné kryštály vonkajšieho tvaru. Medzi takéto látky patrí napríklad kamenec. V kryštáloch kamenca draselného KAl(SO 4) 2 . Draselné katióny 12H 2 O môžu byť čiastočne alebo úplne nahradené katiónmi rubídia alebo amónia a katióny hliníka katiónmi trojmocného chrómu alebo trojmocného železa.
Izomorfizmus je v prírode rozšírený. Väčšina minerálov sú izomorfné zmesi komplexného, variabilného zloženia. Napríklad v minerále sfalerit ZnS môže byť až 20 % atómov zinku nahradených atómami železa (zatiaľ čo ZnS a FeS majú rôzne kryštálové štruktúry). Izomorfizmus je spojený s geochemickým správaním vzácnych a stopových prvkov, ich distribúciou v horninách a rudách, kde sú obsiahnuté vo forme izomorfných nečistôt.
Izomorfná substitúcia určuje mnohé užitočné vlastnosti umelých materiálov modernej technológie - polovodičov, feromagnetík, laserových materiálov.
Mnohé látky môžu vytvárať kryštalické formy, ktoré majú rôzne štruktúry a vlastnosti, ale rovnaké zloženie ( polymorfnýúpravy). Polymorfizmus- schopnosť pevných látok a tekutých kryštálov existovať v dvoch alebo viacerých formách s rôznymi kryštálovými štruktúrami a vlastnosťami s rovnakým chemickým zložením. Toto slovo pochádza z gréčtiny „ polymorfov"- rôznorodé. Fenomén polymorfizmu objavil M. Klaproth, ktorý v roku 1798 zistil, že dva rôzne minerály - kalcit a aragonit - majú rovnaké chemické zloženie CaCO 3.
Polymorfizmus jednoduchých látok sa zvyčajne nazýva alotropia, zatiaľ čo pojem polymorfizmus sa nevzťahuje na nekryštalické alotropné formy (napríklad plynný O 2 a O 3). Typickým príkladom polymorfných foriem sú modifikácie uhlíka (diamant, lonsdaleit, grafit, karabíny a fullerény), ktoré sa výrazne líšia vlastnosťami. Najstabilnejšou formou existencie uhlíka je grafit, avšak jeho ďalšie modifikácie za normálnych podmienok môžu pretrvávať donekonečna. Pri vysokých teplotách sa menia na grafit. V prípade diamantu k tomu dochádza pri zahriatí nad 1000 o C bez prítomnosti kyslíka. Opačný prechod je oveľa ťažšie dosiahnuť. Vyžaduje sa nielen vysoká teplota (1200-1600 o C), ale aj obrovský tlak - až 100 tisíc atmosfér. Premena grafitu na diamant je jednoduchšia v prítomnosti roztavených kovov (železo, kobalt, chróm a iné).
V prípade molekulových kryštálov sa polymorfizmus prejavuje v rôznom balení molekúl v kryštáli alebo v zmenách tvaru molekúl a v iónových kryštáloch - v rôznych vzájomných polohách katiónov a aniónov. Niektoré jednoduché a zložité látky majú viac ako dva polymorfy. Napríklad oxid kremičitý má desať modifikácií, fluorid vápenatý - šesť, dusičnan amónny - štyri. Polymorfné modifikácie sa zvyčajne označujú gréckymi písmenami α, β, γ, δ, ε,... počnúc modifikáciami, ktoré sú stabilné pri nízkych teplotách.
Pri kryštalizácii z vodnej pary, roztoku alebo taveniny látky, ktorá má viacero polymorfných modifikácií, vzniká najskôr modifikácia, ktorá je za daných podmienok menej stabilná, ktorá sa potom mení na stabilnejšiu. Napríklad pri kondenzácii pár fosforu vzniká biely fosfor, ktorý sa za normálnych podmienok pomaly, ale pri zahriatí rýchlo mení na červený fosfor. Pri dehydratácii hydroxidu olovnatého najskôr (asi 70 o C) vzniká žlté β-PbO, ktoré je pri nízkych teplotách menej stabilné, pri asi 100 o C sa mení na červené α-PbO a pri 540 o C sa mení na späť na β-PbO.
Prechod z jedného polymorfu do druhého sa nazýva polymorfná transformácia. Tieto prechody sa vyskytujú pri zmene teploty alebo tlaku a sú sprevádzané náhlou zmenou vlastností.
Proces prechodu z jednej modifikácie na druhú môže byť reverzibilný alebo nezvratný. Keď sa teda biela mäkká látka podobná grafitu zloženia BN (nitrid bóru) zahreje na 1500-1800 o C a tlak niekoľko desiatok atmosfér, vznikne jej vysokoteplotná modifikácia - borazón, tvrdosťou blízka diamantu. Keď sa teplota a tlak znížia na hodnoty zodpovedajúce normálnym podmienkam, borazón si zachováva svoju štruktúru. Príkladom reverzibilného prechodu sú vzájomné premeny dvoch modifikácií síry (ortorombickej a monoklinickej) pri 95 o C.
Polymorfné transformácie môžu prebiehať bez výrazných zmien v štruktúre. Niekedy nedôjde k žiadnej zmene kryštálovej štruktúry, napríklad pri prechode α-Fe na β-Fe pri 769 o C sa štruktúra železa nemení, ale zanikajú jeho feromagnetické vlastnosti.
Pevné kryštály si možno predstaviť ako trojrozmerné štruktúry, v ktorých sa rovnaká štruktúra zreteľne opakuje vo všetkých smeroch. Geometricky správny tvar kryštálov je spôsobený ich striktne pravidelnou vnútornou štruktúrou. Ak sú stredy príťažlivosti iónov alebo molekúl v kryštáli znázornené ako body, potom získame trojrozmerné pravidelné rozloženie takýchto bodov, ktoré sa nazýva kryštálová mriežka a samotné body sú uzlami kryštálovej mriežky. Špecifický vonkajší tvar kryštálov je dôsledkom ich vnútornej štruktúry, ktorá je spojená špecificky s kryštálovou mriežkou.
Kryštálová mriežka je imaginárny geometrický obraz na analýzu štruktúry kryštálov, čo je objemovo-priestorová sieťová štruktúra, v ktorej uzloch sa nachádzajú atómy, ióny alebo molekuly látky.
Na charakterizáciu kryštálovej mriežky sa používajú tieto parametre:
- kryštálová mriežka E cr [KJ/mol] je energia uvoľnená pri vzniku 1 molu kryštálu z mikročastíc (atómov, molekúl, iónov), ktoré sú v plynnom stave a sú od seba oddelené na takú vzdialenosť, že možnosť ich interakcia je vylúčená.
- Mriežková konštanta d je najmenšia vzdialenosť medzi stredmi dvoch častíc v susedných miestach kryštálovej mriežky spojených pomocou .
- Koordinačné číslo- počet blízkych častíc obklopujúcich centrálnu časticu v priestore a spájajúcich sa s ňou prostredníctvom chemickej väzby.
Základom kryštálovej mriežky je jednotková bunka, ktorá sa v kryštáli opakuje nekonečne veľakrát.
Základná bunka je najmenšia štruktúrna jednotka kryštálovej mriežky, ktorá vykazuje všetky vlastnosti svojej symetrie.
Jednoducho povedané, jednotkovú bunku možno definovať ako malú časť kryštálovej mriežky, ktorá stále odhaľuje charakteristické znaky svojich kryštálov. Charakteristiky jednotkovej bunky sú opísané pomocou troch Brevetových pravidiel:
- symetria jednotkovej bunky musí zodpovedať symetrii kryštálovej mriežky;
- jednotková bunka musí mať maximálny počet rovnakých hrán A,b, S a rovnaké uhly medzi nimi a, b, g. ;
- za predpokladu, že sú splnené prvé dve pravidlá, základná bunka musí zaberať minimálny objem.
Na opis tvaru kryštálov sa používa systém troch kryštalografických osí a, b, c, ktoré sa od bežných súradnicových osí líšia tým, že ide o segmenty určitej dĺžky, pričom uhly medzi ktorými a, b, g môžu byť buď priame alebo nepriame.
Model kryštálovej štruktúry: a) kryštálová mriežka so zvýraznenou základnou bunkou; b) jednotková bunka s označením fazetových uhlov
Tvar kryštálu študuje veda o geometrickej kryštalografii, ktorej jedným z hlavných ustanovení je zákon o stálosti fazetových uhlov: pre všetky kryštály danej látky zostávajú uhly medzi zodpovedajúcimi plochami vždy rovnaké.
Ak vezmete veľké množstvo elementárnych buniek a naplníte nimi určitý objem tesne k sebe, pričom sa zachová rovnobežnosť plôch a hrán, vytvorí sa jeden kryštál s ideálnou štruktúrou. V praxi však najčastejšie existujú polykryštály, v ktorých v určitých medziach existujú pravidelné štruktúry, pozdĺž ktorých sa orientácia pravidelnosti prudko mení.
V závislosti od pomeru dĺžok hrán a, b, c a uhlov a, b, g medzi plochami základnej bunky sa rozlišuje sedem systémov - takzvané kryštálové syngónie. Elementárna bunka však môže byť konštruovaná aj tak, že má ďalšie uzly, ktoré sa nachádzajú vo vnútri jej objemu alebo na všetkých jej plochách – takéto mriežky sa nazývajú body-centered a face-centered, resp. Ak sú dodatočné uzly iba na dvoch protiľahlých plochách (horná a spodná), potom ide o mriežku so základňou. S prihliadnutím na možnosť ďalších uzlov existuje celkom 14 typov kryštálových mriežok.
Vonkajší tvar a vlastnosti vnútornej štruktúry kryštálov sú určené princípom hustého „balenia“: najstabilnejšia, a preto najpravdepodobnejšia štruktúra bude tá, ktorá zodpovedá najhustejšiemu usporiadaniu častíc v kryštáli a v v ktorom zostáva najmenší voľný priestor.
Typy kryštálových mriežok
V závislosti od povahy častíc obsiahnutých v uzloch kryštálovej mriežky, ako aj od povahy chemických väzieb medzi nimi, existujú štyri hlavné typy kryštálových mriežok.
Iónové mriežky
Iónové mriežky sú konštruované z odlišných iónov umiestnených na miestach mriežky a spojených silami elektrostatickej príťažlivosti. Preto by štruktúra mriežky iónových kryštálov mala zabezpečiť jej elektrickú neutralitu. Ióny môžu byť jednoduché (Na +, Cl -) alebo komplexné (NH 4 +, NO 3 -). V dôsledku nenasýtenosti a nesmerovosti iónových väzieb sa iónové kryštály vyznačujú veľkými koordinačnými číslami. V kryštáloch NaCl sú teda koordinačné čísla iónov Na + a Cl - 6 a iónov Cs + a Cl - v kryštáli CsCl je 8, pretože jeden ión Cs + je obklopený ôsmimi iónmi Cl - a každý Cl - ión je obklopený ôsmimi iónmi Cs, resp. Iónové kryštálové mriežky sú tvorené veľkým množstvom solí, oxidov a zásad.
Príklady iónových kryštálových mriežok: a) NaCl; b) CsCl Látky s iónovými kryštálovými mriežkami majú pomerne vysokú tvrdosť, sú dosť žiaruvzdorné a neprchavé. Naproti tomu iónové zlúčeniny sú veľmi krehké, takže aj malý posun v kryštálovej mriežke približuje podobne nabité ióny k sebe, odpudzovanie medzi nimi vedie k rozbitiu iónových väzieb a v dôsledku toho k vzniku trhlín. v kryštáli alebo k jeho zničeniu. V pevnom stave sú látky s iónovou kryštálovou mriežkou dielektriká a nevedú elektrický prúd. Pri roztavení alebo rozpustení v polárnych rozpúšťadlách sa však naruší geometricky správna orientácia iónov voči sebe, chemické väzby sa najskôr oslabia a potom zničia, a preto sa menia aj vlastnosti. V dôsledku toho začnú taveniny iónových kryštálov a ich roztoky viesť elektrický prúd.
Atómové mriežky
Tieto mriežky sú postavené z atómov spojených navzájom. Na druhej strane sú rozdelené do troch typov: rámové, vrstvené a reťazové štruktúry.
Rámová štruktúra má napríklad diamant – jednu z najtvrdších látok. Vďaka sp 3 hybridizácii atómu uhlíka sa vybuduje trojrozmerná mriežka, ktorá pozostáva výlučne z atómov uhlíka spojených kovalentnými nepolárnymi väzbami, ktorých osi sú umiestnené v rovnakých väzbových uhloch (109,5 o).
Rámcová štruktúra atómovej kryštálovej mriežky diamantu Vrstvené štruktúry možno považovať za obrovské dvojrozmerné molekuly. Vrstvené štruktúry sú charakterizované kovalentnými väzbami v každej vrstve a slabými van der Waalsovými interakciami medzi susednými vrstvami.
Vrstvené štruktúry atómových kryštálových mriežok: a) CuCl 2 ; b) PbO. Elementárne bunky sú na modeloch zvýraznené pomocou obrysov rovnobežnostenov Klasickým príkladom látky s vrstvenou štruktúrou je grafit, v ktorom je každý atóm uhlíka v stave hybridizácie sp 2 a v jednej rovine tvorí tri kovalentné s-väzby s tromi ďalšími atómami C. Štvrté valenčné elektróny každého atómu uhlíka sú nehybridizované, vďaka čomu sú medzi vrstvami veľmi slabé van der Waalsove väzby. Preto pri pôsobení čo i len malej sily sa jednotlivé vrstvy po sebe ľahko začnú kĺzať. To vysvetľuje napríklad schopnosť grafitu písať. Na rozdiel od diamantu grafit dobre vedie elektrinu: vplyvom elektrického poľa sa nelokalizované elektróny môžu pohybovať po rovine vrstiev a naopak, grafit takmer nevedie elektrický prúd v kolmom smere.
Vrstvená štruktúra atómovej kryštálovej mriežky grafitu Reťazové štruktúry charakteristické napríklad pre oxid sírový (SO 3) n, rumelkový HgS, chlorid berýlium BeCl 2, ako aj mnohé amorfné polyméry a niektoré silikátové materiály, ako je azbest.
Reťazcová štruktúra atómovej kryštálovej mriežky HgS: a) bočná projekcia b) čelná projekcia Existuje pomerne málo látok s atómovou štruktúrou kryštálových mriežok. Ide spravidla o jednoduché látky tvorené prvkami podskupín IIIA a IVA (Si, Ge, B, C). Často majú zlúčeniny dvoch rôznych nekovov atómové mriežky, napríklad niektoré polymorfy kremeňa (oxid kremíka Si02) a karborunda (karbid kremíka SiC).
Všetky atómové kryštály sa vyznačujú vysokou pevnosťou, tvrdosťou, žiaruvzdornosťou a nerozpustnosťou v takmer akomkoľvek rozpúšťadle. Tieto vlastnosti sú spôsobené silou kovalentnej väzby. Látky s atómovou kryštálovou mriežkou majú široký rozsah elektrickej vodivosti od izolantov a polovodičov až po elektronické vodiče.
Atómové kryštálové mriežky niektorých polymorfných modifikácií karborundum - karbid kremíka SiC Kovové mriežky
Tieto kryštálové mriežky obsahujú vo svojich uzloch atómy kovov a ióny, medzi ktorými sa elektróny (elektrónový plyn) spoločné pre všetky voľne pohybujú a vytvárajú kovovú väzbu. Zvláštnosťou kovových kryštálových mriežok sú ich veľké koordinačné čísla (8-12), ktoré naznačujú významnú hustotu zloženia atómov kovu. Vysvetľuje to skutočnosť, že „jadrá“ atómov, bez vonkajších elektrónov, sú umiestnené v priestore ako gule s rovnakým polomerom. Pri kovoch sa najčastejšie vyskytujú tri typy kryštálových mriežok: plošne centrované kubické s koordinačným číslom 12, kubické centrované na telo s koordinačným číslom 8 a šesťuholníkové, tesne zbalené s koordinačným číslom 12.
Špeciálne vlastnosti kovových väzieb a kovových mriežok určujú také dôležité vlastnosti kovov, ako sú vysoké teploty topenia, elektrická a tepelná vodivosť, kujnosť, ťažnosť a tvrdosť.
Kryštálové mriežky kovu: a) kubické centrované na telo (Fe, V, Nb, Cr) b) kubické centrované plošne (Al, Ni, Ag, Cu, Au) c) šesťhranné (Ti, Zn, Mg, Cd) Molekulové mriežky
Molekulárne kryštálové mriežky obsahujú vo svojich uzloch molekuly, ktoré sú navzájom spojené slabými medzimolekulovými silami – van der Waalsovými alebo vodíkovými väzbami. Napríklad ľad pozostáva z molekúl vody držaných v kryštálovej mriežke vodíkovými väzbami. K rovnakému typu patria kryštálové mriežky mnohých látok prenesených do pevného skupenstva, napr.: jednoduché látky H 2, O 2, N 2, O 3, P 4, S 8, halogény (F 2, Cl 2, Br 2, I 2), „suchý ľad“ CO2, všetky vzácne plyny a väčšina organických zlúčenín.
Molekulové kryštálové mriežky: a) jód I2; b) ľadová H2O Pretože sily medzimolekulovej interakcie sú slabšie ako sily kovalentných alebo kovových väzieb, molekulárne kryštály majú malú tvrdosť; Sú taviteľné a prchavé, nerozpustné a nevykazujú elektrickú vodivosť.
Väčšina látok sa vyznačuje schopnosťou, v závislosti od podmienok, byť v jednom z troch stavov agregácie: tuhá látka, kvapalina alebo plyn.
Napríklad voda pri normálnom tlaku v rozmedzí teplôt 0-100 o C je kvapalina, pri teplotách nad 100 o C môže existovať len v plynnom skupenstve a pri teplotách pod 0 o C je tuhá látka.
Látky v pevnom stave sa delia na amorfné a kryštalické.
Charakteristickým znakom amorfných látok je absencia jasného bodu topenia: ich tekutosť sa postupne zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Medzi amorfné látky patria zlúčeniny ako vosk, parafín, väčšina plastov, sklo atď.
Napriek tomu majú kryštalické látky špecifickú teplotu topenia, t.j. látka s kryštalickou štruktúrou prechádza z pevného do kvapalného stavu nie postupne, ale náhle, po dosiahnutí určitej teploty. Príklady kryštalických látok zahŕňajú stolovú soľ, cukor a ľad.
Rozdiel vo fyzikálnych vlastnostiach amorfných a kryštalických pevných látok je spôsobený predovšetkým štruktúrnymi vlastnosťami takýchto látok. Aký je rozdiel medzi látkou v amorfnom a kryštalickom stave, možno najjednoduchšie pochopiť z nasledujúcej ilustrácie:
Ako vidíte, v amorfnej látke, na rozdiel od kryštalickej, nie je poriadok v usporiadaní častíc. Ak v kryštalickej látke mentálne spojíte dva atómy blízko seba priamou čiarou, môžete zistiť, že rovnaké častice budú ležať na tejto čiare v presne definovaných intervaloch:
V prípade kryštalických látok teda môžeme hovoriť o takom koncepte ako kryštálová mriežka.
Kryštálová mriežka nazývaný priestorový rámec spájajúci body v priestore, v ktorom sa nachádzajú častice tvoriace kryštál.
Body v priestore, v ktorých sa nachádzajú častice tvoriace kryštál, sa nazývajú uzly kryštálovej mriežky .
V závislosti od toho, ktoré častice sa nachádzajú v uzloch kryštálovej mriežky, sa rozlišujú: molekulárne, atómové, iónové A kovové kryštálové mriežky .
V uzloch molekulárna kryštálová mriežka
Kryštálová mriežka ľadu ako príklad molekulárnej mriežkyExistujú molekuly, v ktorých sú atómy spojené silnými kovalentnými väzbami, ale samotné molekuly sú držané pri sebe slabými medzimolekulovými silami. V dôsledku takýchto slabých medzimolekulových interakcií sú kryštály s molekulárnou mriežkou krehké. Takéto látky sa líšia od látok s inými typmi štruktúry výrazne nižšími bodmi topenia a varu, nevedú elektrický prúd a môžu, ale nemusia sa rozpúšťať v rôznych rozpúšťadlách. Roztoky takýchto zlúčenín môžu alebo nemusia viesť elektrický prúd, v závislosti od triedy zlúčeniny. Medzi zlúčeniny s molekulovou kryštálovou mriežkou patria mnohé jednoduché látky - nekovy (vytvrdený H 2, O 2, Cl 2, ortorombická síra S 8, biely fosfor P 4), ako aj mnohé zložité látky - vodíkové zlúčeniny nekovov, kyseliny, oxidy nekovov, väčšina organických látok. Je potrebné poznamenať, že ak je látka v plynnom alebo kvapalnom stave, je nevhodné hovoriť o molekulovej kryštálovej mriežke: správnejšie je použiť termín molekulový typ štruktúry.
Diamantová kryštálová mriežka ako príklad atómovej mriežkyV uzloch atómová kryštálová mriežka
existujú atómy. Navyše, všetky uzly takejto kryštálovej mriežky sú spolu „prepojené“ silnými kovalentnými väzbami do jediného kryštálu. V skutočnosti je takýto kryštál jedna obrovská molekula. Všetky látky s atómovou kryštálovou mriežkou sú vďaka svojim štruktúrnym vlastnostiam pevné, majú vysoké teploty topenia, sú chemicky neaktívne, nerozpustné ani vo vode, ani v organických rozpúšťadlách a ich taveniny nevedú elektrický prúd. Malo by sa pamätať na to, že látky s atómovým typom štruktúry zahŕňajú bór B, uhlík C (diamant a grafit), kremík Si z jednoduchých látok a oxid kremičitý SiO 2 (kremeň), karbid kremíka SiC, nitrid bóru BN z komplexných látok.
Pre látky s iónová kryštálová mriežka
mriežkové miesta obsahujú ióny navzájom spojené iónovými väzbami.
Keďže iónové väzby sú dosť silné, látky s iónovou mriežkou majú relatívne vysokú tvrdosť a žiaruvzdornosť. Najčastejšie sú rozpustné vo vode a ich roztoky, podobne ako taveniny, vedú elektrický prúd.
Látky s iónovou kryštálovou mriežkou zahŕňajú kovové a amónne soli (NH4+), zásady a oxidy kovov. Nepochybným znakom iónovej štruktúry látky je prítomnosť v jej zložení ako atómov typického kovu, tak aj nekovu.
Kryštalická mriežka chloridu sodného ako príklad iónovej mriežky
pozorované v kryštáloch voľných kovov, napríklad sodíka Na, železa Fe, horčíka Mg atď. V prípade kovovej kryštálovej mriežky jej uzly obsahujú katióny a atómy kovov, medzi ktorými sa pohybujú elektróny. V tomto prípade sa pohybujúce sa elektróny periodicky viažu na katióny, čím neutralizujú ich náboj a jednotlivé neutrálne kovové atómy na oplátku „uvoľňujú“ niektoré zo svojich elektrónov, čím sa zase menia na katióny. V skutočnosti „voľné“ elektróny nepatria jednotlivým atómom, ale celému kryštálu.
Takéto konštrukčné vlastnosti vedú k tomu, že kovy dobre vedú teplo a elektrický prúd a často majú vysokú ťažnosť (kujnosť).
Rozpätie teplôt topenia kovov je veľmi veľké. Napríklad bod topenia ortuti je približne mínus 39 ° C (za normálnych podmienok kvapalina) a volfrámu je 3422 ° C. Treba poznamenať, že za normálnych podmienok sú všetky kovy okrem ortuti pevné látky.
Ako už vieme, látka môže existovať v troch stavoch agregácie: plynný, ťažké A kvapalina. Kyslík, ktorý je za normálnych podmienok v plynnom stave, sa pri teplote -194 °C premení na modrastú kvapalinu a pri teplote -218,8 °C sa zmení na snehovú hmotu s modrými kryštálmi.
Teplotný rozsah pre existenciu látky v pevnom stave je určený teplotami varu a topenia. Pevné látky sú kryštalický A amorfný.
U amorfné látky neexistuje pevná teplota topenia - pri zahrievaní postupne mäknú a prechádzajú do tekutého stavu. V tomto stave sa nachádzajú napríklad rôzne živice a plastelíny.
Kryštalické látky Vyznačujú sa pravidelným usporiadaním častíc, z ktorých pozostávajú: atómov, molekúl a iónov, v presne definovaných bodoch v priestore. Keď sú tieto body spojené priamymi čiarami, vzniká priestorový rámec, nazývaný kryštálová mriežka. Body, v ktorých sa nachádzajú častice kryštálov, sa nazývajú mriežkové uzly.
Uzly mriežky, ktorú si predstavujeme, môžu obsahovať ióny, atómy a molekuly. Tieto častice vykonávajú oscilačné pohyby. Pri zvyšovaní teploty sa zväčšuje aj rozsah týchto kmitov, čo vedie k tepelnej rozťažnosti telies.
V závislosti od typu častíc nachádzajúcich sa v uzloch kryštálovej mriežky a povahy spojenia medzi nimi sa rozlišujú štyri typy kryštálových mriežok: iónový, atómový, molekulárne A kov.
Iónový Tieto sa nazývajú kryštálové mriežky, v ktorých sú ióny umiestnené v uzloch. Sú tvorené látkami s iónovými väzbami, ktoré môžu viazať ako jednoduché ióny Na+, Cl-, tak aj komplexné SO24-, OH-. Teda iónové kryštálové mriežky majú soli, niektoré oxidy a hydroxyly kovov, t.j. tie látky, v ktorých existuje iónová chemická väzba. Uvažujme kryštál chloridu sodného; pozostáva z kladne sa striedajúcich iónov Na+ a záporných CL-, spolu tvoria mriežku v tvare kocky. Väzby medzi iónmi v takomto kryštáli sú mimoriadne stabilné. Z tohto dôvodu majú látky s iónovou mriežkou relatívne vysokú pevnosť a tvrdosť, sú žiaruvzdorné a neprchavé.
Atómový Kryštálové mriežky sú tie kryštálové mriežky, ktorých uzly obsahujú jednotlivé atómy. V takýchto mriežkach sú atómy navzájom spojené veľmi silnými kovalentnými väzbami. Napríklad diamant je jednou z alotropných modifikácií uhlíka.
Látky s atómovou kryštálovou mriežkou nie sú v prírode veľmi bežné. Patria sem kryštalický bór, kremík a germánium, ako aj zložité látky, napríklad obsahujúce oxid kremičitý - SiO 2: oxid kremičitý, kremeň, piesok, horský krištáľ.
Prevažná väčšina látok s atómovou kryštálovou mriežkou má veľmi vysoké teploty topenia (u diamantu presahuje 3500 °C), takéto látky sú pevné a tvrdé, prakticky nerozpustné.
Molekulárna Tieto sa nazývajú kryštálové mriežky, v ktorých sú molekuly umiestnené v uzloch. Chemické väzby v týchto molekulách môžu byť aj polárne (HCl, H 2 0) alebo nepolárne (N 2, O 3). A hoci sú atómy vo vnútri molekúl spojené veľmi silnými kovalentnými väzbami, medzi molekulami samotnými pôsobia slabé sily medzimolekulovej príťažlivosti. Preto sa látky s molekulovými kryštálovými mriežkami vyznačujú nízkou tvrdosťou, nízkou teplotou topenia a prchavosťou.
Príklady takýchto látok zahŕňajú tuhú vodu – ľad, tuhý oxid uhoľnatý (IV) – „suchý ľad“, tuhý chlorovodík a sírovodík, tuhé jednoduché látky tvorené jedným – (vzácne plyny), dvomi – (H 2, O 2, CL 2, N 2, I 2), tri - (O 3), štyri - (P 4), osematómové (S 8) molekuly. Prevažná väčšina pevných organických zlúčenín má molekulárne kryštálové mriežky (naftalén, glukóza, cukor).
blog.site, pri kopírovaní celého materiálu alebo jeho časti je potrebný odkaz na pôvodný zdroj.
