Андрей Смирнов
Время чтения: ~15 мин.
Просмотров: 0

Кристаллические решетки

Ионные кристаллические решетки

Электрическое поле иона равномерно распределено в пространстве, поэтому ионная связь характеризуется отсутствием направленности и насыщаемости. Энергетически наиболее выгодно, чтобы каждый ион был окружен наибольшим числом ионов противоположного знака. Но одноименно заряженные ионы отталкиваются, поэтому устойчивыми будут только такие кристаллические решетки, для которых выполняются следующие два условия: разноименные ионы максимально сближены; одинаково заряженные ионы максимально удалены друг от друга.

Радиусы ионов играют основную роль при образовании тех или иных кристаллических форм. Так, если отношение радиуса катиона (rк) к радиусу аниона (rа) превышает 0,73, геометрически легко показать, что каждый ион может быть окружен восемью ионами противоположного знака. При чк: ча=0,41÷0,73 наблюдается октаэдрическая координация: вокруг каждого иона располагаются шесть противоположно заряженных ионов. И наконец, при чк: ча<0,41 окружение составляют только четыре иона. В таблице 8 приведены численные значения радиусов ионов некоторых щелочных металлов и галогенов. В случае хлорида натрия отношение чк : ча равно 0,52, поэтому катион Na+ в кристалле NaCl окружен шестью ионами хлора, а каждый анион Сl—— шестью ионами натрия. За счет равномерного распределения электронной плотности в пространстве все шесть связей оказываются совершенно равноценными. В кристалле хлорида натрия нельзя выделить отдельных ионных молекул Na+Cl—; его необходимо рассматривать как гигантскую макромолекулу, построенную из равного числа катионов Na+ и анионов Сl— (рис.).

Таблица 8 Ионные радиусы галогенов и щелочных металлов

КатионРадиус, нмАнионРадиус, нм
Li+0,078F—0,133
Na+0,095Сl—0,181
К+0,133Вr—0,196
Cs+0,165I—0,220

Для хлорида цезия отношение чка равно 0,91. Восемь катионов Cs+ занимают вершины куба, в центре которого находится ион хлора.

При обычных условиях ионные соединения представляют собой хрупкие твердые вещества с высокими температурами плавления. Их переход в жидкое состояние происходит обычно с увеличением объема.

Рис.2. Структура алмаза

Ионные кристаллы, как правило, легко растворяются в жидкостях, состоящих из полярныхмолекул, например, в воде. Расположенные на поверхности ионы окружаются молекулами растворителя, отрываются от кристалла и переходят в раствор. Для одного и того же ионного соединения растворимость возрастает с увеличением взаимодействия между молекулами растворителя и соответствующими ионами кристалла, т. е. с увеличением полярности растворителя (табл.9).

Таблица 9

Растворимость кристаллических ионных соединений в различных полярных растворителях

(температура 25°С; растворимость выражена в граммах растворенного вещества на 100 грастворителя; е — диэлектрическая проницаемость)

СоединениеРастворимость в спиртах
метиловом (ε = 33)этиловом (ε= 24)пропиловом (ε= 20)
KI904628
NaCl0,530,020,00
Sr(NO3)21,260,02

Кристаллическое и аморфное вещество

Кристаллическое вещество: твердое вещество, у которого атомы или молекулы образуют правильную упорядоченную решетку. Большинство твердых веществ существует в кристаллическом состоянии, которое отличается повышенной стабильностью, но это не означает, что они имеют кристаллы в прямом смысле этого слова; например, чистая медь является кристаллической только потому, что ее атомы расположены в регулярном порядке.

Аморфное вещество: твердое вещество, не имеющее кристаллической структуры. Его атомы и молекулы расположены без соблюдения регулярности. Переохлажденные жидкости, такие как стекло, резина и некоторые пластмассы, являются аморфными.

Кристаллическая структура

Аморфная структура

Сейчас мы будем рассматривать только кристаллические вещества.

В зависимости от того, из каких частицы построена кристаллическая решетка и каков характер химической связи между ними, выделяют различные типы кристаллов. Выделяют 4 типа кристаллических решеток (КР): Молекулярная, ионная, металлическая и атомная.

Типы кристаллических решеток

Тип кристаллической решеткиЧастицы в узлах решеткиХарактеристикиВеществатип связи
МолекулярнаяМолекулыНе прочный, низкая Тпл(температура плавления), летучиеБлагородные газы: Ne, Ar …

Галогены: F2, Cl2

Галогеноводороды: HF, HCl …

Простые вещества неметаллы:

О2, Н2, N2, P(белый)

Оксиды и водородные соединения неметаллов: SO2, CO2, NH3, PH3

Ковалентная (полярная и неполярная)
ИоннаяИоныПрочная,

Высокая Тпл,

Нелетучие,

Расплавы и растворы проводят эл.ток

Соли, оксиды и гидроксиды металловИонная
МеталлическаяАтомы и ионыПластичные

Электро- и теплопроводные

Металлы и сплавыМеталлическая
АтомнаяАтомыОчень прочная,

Очень высокие Тпл

С (алмаз, графит), Si ,Ge, B,

SiO2(кремнезем, кварц)

Al2O3

CaC2, SiC (карборунд),

BN, Fe3C, P черный и красные

Ковалентная

Ионные кристаллы

Ионные кристаллы образованы катионами и анионами (например, соли и гидроксиды большинства металлов). В них между частицами имеется ионная связь. Ионные кристаллы могут состоять из одноатомных ионов. Так построены кристаллы хлорида натрия, иодида калия, фторида кальция.

В ионном кристалле невозможно выделить одиночные молекулы. Каждый катион притягивается к каждому аниону и отталкивается от других катионов.

Атомные кристаллы

Атомные кристаллы состоят из отдельных атомов, объединенных ковалентными связями. Из простых веществ только бор и элементы IVA-группы имеют такие кристаллические решетки. Нередко соединения неметаллов друг с другом (например, диоксид кремния) также образуют атомные кристаллы. Они очень прочные и твердые, плохо проводят теплоту и электричество.

Молекулярные кристаллы

Молекулярные кристаллы построены из отдельных молекул, внутри которых атомы соединены ковалентными связями. Между молекулами действуют более слабые межмолекулярные силы. Они легко разрушаются, поэтому молекулярные кристаллы имеют низкие температуры плавления, малую твердость, высокую летучесть.

Для металлов характерна металлическая кристаллическая решетка. В ней имеется металлическая связь между атомами. В металлических кристаллах ядра атомов расположены таким образом, чтобы их упаковка была как можно более плотной. Связь в таких кристаллах является делокализованной и распространяется на весь кристалл.

Кристаллическая решетка — а-железо

Кристаллическая решетка а-железа — объемно центрированный куб с периодом решетки 0 28606 нм.

Кристаллическая решетка а-железа объемно-центрированная кубическая с периодом решетки 0 286 нм. До температуры 768 С железо ферромагнитно. Температуру 768 С, соответствующую переходу а-железа из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри. Кристаллическая решетка у-железа гранецентрированная кубическая.

Влияние скорости охлаждения на структуру стали.

При больших скоростях охлаждения аустенита кристаллическая решетка — [ — железа перестраивается в кристаллическую решетку а-железа, однако углерод не успевает ее покинуть. Углерод существенно искажает решетку, так как о-железо практически его не растворяет. Поэтому мартенсит обладает повышенной прочностью, твердостью и хрупкостью. Он неустойчив и способен к распаду при повышенных температурах.

Метастабильные структуры стали. а — мартенсит. б — троостит.

При — начальной скорости охлаждения, превышающей 200 град в секунду, успевает произойти только бездиффузио нное превращение аустенита, при котором кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка у-железа перестраивается в кубическую пространственно-центрированную кристаллическую решетку а-железа.

Схема микроструктуры Микроструктура твердого механической смеси. раствора цинка в меди ( латунь.

На рис. 20, а показана элементарная кристаллическая решетка твердого раствора замещения хрома в железе. Отдельные узлы в кристаллической решетке а-железа заняты ионами хрома. Ионы обоих металлов располагаются в узлах кристаллической решетки в произвольном порядке.

Элементарные кристалличе — Искажения кристаллической ские решетки твердых растворов. решетки при образовании твердого рас-а — твердый раствор замещения хрома в ТВОра замещения.

На рис. 22, а показана элементарная кристаллическая решетка твердого раствора замещения хрома в железе. Отдельные узлы в кристаллической решетке а-железа заняты ионами хрома. Ионы обоих металлов располагаются в узлах кристаллической решетки произвольно.

Мартенситное превращение аустенита сопровождается перегруппировкой атомов из у-в а-решетку, при этом весь углерод остается в а-фазе и образуется пересыщенный твердый раствор — мартенсит. В результате значительного искажения кристаллической решетки а-железа углеродом твердость стали значительно возрастает.

При образовании мартенсита из аустенита, что связано с переходом у-железа, в котором растворимость углерода высока ( 2 %) в а-железо, в котором равновесная растворимость углерода крайне низка 0 01 %), весь содержавшийся в аустените углерод фиксируется в сс-железе, образуя сильно пересыщенный неравновесный раствор. Такое пересыщение а-твердого раствора углеродом приводит к сильным искажениям кристаллической решетки а-железа, сдвигам в атомных плоскостях, и, как следствие, к созданию высокой плотности дислокаций.

Якоби объяснил высокую твердость электролитического железа повышенным содержанием в нем водорода. Причиной высокой твердости электролитического железа М. И. Замоторин и И. Н. Агеева считают деформацию кристаллической решетки а-железа в результате внедрения в нее атомов водорода.

Сплав № 2 обладает рядом замечательных свойств, которых не имеют составляющие его металлы. Единственно, что сохраняется неизменным при сплавлении хрома и алюминия с железом как основой сплава, это объемно центрированная кристаллическая решетка а-железа и магнитные свойства.

КРИТИЧЕСКИЕ ТОЧКИ ( металлов) — температуры, при которых происходят изменения агрегатного состояния вещества или типа кристаллической решетки, а также магнитные превращения в металлах и металлических сплавах при нагреве и охлаждении. Введение в железо углерода и легирующих элементов изменяет па диаграмме состояния положение точек ( или температурных интервалов): А3 превращения а — у, при котором объемноцентрированная кристаллическая решетка а-железа перестраивается в гранецентрированную решетку у-же-леза и А4 превращения у — а ( в), при котором решетка у-железа перестраивается в высокотемпературную объемноцентри-рованную решетку б-железа. При этом появляется еще одна критическая точка А, соответствующая превращению перлита в аустенит. Кюри) связана с магнитным превращением.

Что такое металл и чем он отличается от неметалла?

Иными словами, как можно понять, что перед нами находится металлический материал? Ответы на все эти вопросы можно получить, если рассмотреть уникальные свойства металлов. К ним относятся следующие основные:

  • Наличие металлического блеска при полировке поверхности. Все металлы блестят, в своем большинстве они имеют серый цвет, однако, некоторые металлы обладают специфической окраской, например, висмут розовый, медь красноватая, а золото желтое.
  • Высокая теплопроводность и электропроводность. При комнатной температуре наиболее высокие показатели для этих физических свойств характерны для меди и серебра.
  • При комнатной температуре практически все металлы находятся в твердом агрегатном состоянии материи. Исключение составляет ртуть, которая плавится уже при -39 oC.
  • Будучи в твердом состоянии, металлы кристаллическим строением характеризуются. Если расплав рассматриваемого материала слишком быстро охлаждать, то он приобретает аморфную структуру, в которой все же сохраняется ближний порядок.
  • Температуры плавления и плотности металлов варьируются в широких пределах. Так, элемент вольфрам является самым тугоплавким (3410 oC). Самым же тяжелым считается осмий (в 22,6 раза плотнее воды), а самым легким — литий (почти в 2 раза менее плотный, чем вода).
  • Все металлы химически активны. Поскольку они обладают низкой электроотрицательностью, то в химических реакциях их атомы отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы (катионы).

Выше в списке были перечислены основные свойства металлов, которые их отличают от неметаллических материалов. Примерами последних являются кислород, азот, благородные газы, сера, кремний, углерод и некоторые другие. Заметим, что все живые организмы состоят в основном из неметаллов.

Литература

  • Henry Cohn, Abhinav Kumar, Stephen D. Miller, Danylo Radchenko, Maryna Viazovska. The sphere packing problem in dimension 24. — 2017. — Февраль. — arXiv:1603.06518v2.
  • John Horton Conway, Neil James Alexander Sloane. Section 6.3 // Sphere packings, lattices, and groups. — Springer, 1998. — Т. 290. — (Grundlehren der mathematischen Wissenschaften). — ISBN 0-387-98585-9.
  • William Barlow. Probable Nature of the Internal Symmetry of Crystals // Nature. — 1883. — Т. 29.
  • Isabelle Cantat, Sylvie Cohen-Addad, Florence Elias, François Graner, Reinhard Höhler, Ruth Flatman, Olivier Pitois. Foams, Structure and Dynamics. — Oxford: Oxford University Press, 2013. — ISBN 9780199662890.

Молекулярно-кинетическая теория

Все молекулы состоят из мельчайших частиц – атомов. Все открытые на настоящий момент атомы собраны в таблице Менделеева.

Атом – это мельчайшая, химически неделимая частица вещества, сохраняющая его химические  свойства. Атомы соединяются между собой химическими связями. Ранее мы уже рассматривали виды химических связей и их свойства. Обязательно озучите теорию по теме: Типы химических связей, перед тем, как изучать эту статью!

Теперь рассмотрим, как могут соединяться частицы в веществе.

В зависимости от расположения частиц друг относительно друга свойства образуемых ими веществ могут очень сильно различаться. Так, если частицы расположены друг от друга далеко (расстояние между частицами намного больше размеров самих частиц), между собой практически не взаимодействуют, перемещаются в пространстве хаотично и непрерывно, то мы имеем дело с газом.

Если частицы расположены близко друг к другу, но хаотично, больше взаимодействуют между собой, совершают интенсивные колебательные движения в одном положении, но могут перескакивать в другое положение, то это модель строения жидкости.

Если же частицы расположены близко к друг другу, но более упорядоченно, и больше взаимодействуют между собой, а двигаются только в пределах одного положения равновесия, практически не перемещаясь в другиеположения, то мы имеем дело с твердым веществом.

Большинство известных химических веществ и смесей могут существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Самый простой пример – это вода. При нормальных условиях она жидкая, при 0 оС она замерзает – переходит из жидкого состояния в твердое, и при 100 оС закипает – переходит в газовую фазу – водяной пар. При этом многие вещества при нормальных условиях – газы, жидкости или твердые. Например, воздух – смесь азота и кислорода – это газ при нормальных условиях. Но при высоком давлении и низкой температуре азот и кислород конденсируются и переходят в жидкую фазу. Жидкий азот активно используют в промышленности. Иногда выделяют плазму, а также жидкие кристаллы, как отдельные фазы.

Очень многие свойства индивидуальных веществ и смесей объясняются взаимным расположением частиц в пространстве друг относительно друга!

Данная статья рассматривает свойства твердых тел, в зависимости от их строения. Основные физические свойства твердых веществ: температура плавления, электропроводность, теплопроводность, механическая прочность, пластичность и др.

Температура плавления – это такая температура, при которой вещество переходит из твердой фазы в жидкую, и наоборот.

Пластичность – это способность вещества деформироваться без разрушения.

Электропроводность – это способность вещества проводить ток.

Ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Таким образом, ток могут проводить только такие вещества, в которых присутствуют подвижные заряженные частицы. По способности проводить ток вещества делят на проводники и диэлектрики. Проводники – это вещества, которые могут проводить ток (т.е. содержат подвижные заряженные частицы). Диэлектрики – это вещества, которые практически не проводят ток.

В твердом веществе частицы вещества могут располагаться хаотично, либо более упорядоченно. Если частицы твердого вещества расположены в пространстве хаотично, вещество называют аморфным. Примеры аморфных веществ – уголь, слюдяное стекло.

Аморфный бор

Если частицы твердого вещества расположены в пространстве упорядоченно, т.е. образуют повторяющиеся трехмерные геометрические структуры, такое вещество называют кристаллом, а саму структуру – кристаллической решеткой. Большинство известных нам веществ – кристаллы. Сами частицы при этом расположены в узлах кристаллической решетки.

Кристаллические вещества различают, в частности, по типу химической связи между частицами в кристалле – атомные, молекулярные, металлические, ионные; по геометрической форме простейшей ячейки кристаллической решетки – кубическая, гексагональная и др.

В зависимости от типа частиц, образующих кристаллическую решетку, различают атомную, молекулярную, ионную и металлическую кристаллическую структуру.

Дефекты кристаллического строения металлов

Однако все рассмотренные типы ячеек могут иметь и естественные недостатки, или так называемые дефекты. Это может быть связано с разными причинами: посторонними атомами и примесями в металлах, внешними воздействиями и прочим.

Поэтому существует классификация, отражающая дефекты, которые могут иметь кристаллические решетки. Химия как наука изучает каждый из них с целью выявления причины и способа устранения, чтобы свойства материала не были изменены. Итак, дефекты следующие.

  1. Точечные. Они бывают трех основных видов: вакансии, примеси или дислоцированные атомы. Приводят к ухудшению магнитных свойств металла, электро- и теплопроводности его.
  2. Линейные, или дислокационные. Выделяют краевые и винтовые. Ухудшают прочность и качество материала.
  3. Поверхностные дефекты. Влияют на внешний вид и структуру металлов.

В настоящее время разработаны методики устранения дефектов и получения чистых кристаллов. Однако совсем искоренить их не удается, идеальной кристаллической решетки не существует.

Смотреть галерею

Молекулярные кристаллические решетки

В узлах молекулярной кристаллической решетки находятся молекулы, связанные между собой силами Ван-дер-Ваальса. Такие решетки образуют водород, хлор, азот, оксид углерода (IV) и многие органические соедини. Вследствие небольшой энергии взаимодействия частиц молекулярные кристаллы плавятся при низких температурах и легко растворяются в различных жидкостях (табл. 10).

Молекулы, имеющие разветвленное строение, образуетболее компактную кристаллическую структуру. Силы Взаимодействия между ними оказываются при этом гораздо выше, чем для не разветвленных молекул. Поэтому соединения с близкой молекулярной массой, но неодинаковым строением имеют различные температуры плавления (сравним, например, «-гептан и 2, 2, 3-триметилбутанв таблице 10).

Взаимодействие между молекулами усиливается также с усложнением строения их электронных оболочек и увеличением полярности. Температуры плавления полярных веществ существенно выше температур плавления неполярных соединений. От полярности молекул сильно зависит растворимость молекулярных кристаллов. Большое значение при этом играет соотношение между размерами полярной и неполярной части молекул. Например, уксусная кислота Н3С—СООН смешивается с водой в любых отношениях, в то время как растворимость стеариновой кислоты составляет при 25°С всего лишь 0,03 г на 100 г Н2О.

Для соединений, молекулы которых имеют полярные группы О—Н, N—Н, S—Н, структура кристаллов определяется в основном энергией водородных связей и характером их расположения в пространстве. Наличием большого числа водородных связей 

объясняется, в частности, своеобразная структура льда.

Поскольку каждая молекула воды имеет два атома водорода и две не поделенные пары электронов, она может образовать четыре водородные связи:

В изолированной молекуле воды расстояние между ядрами атомов водорода и кислорода составляет примерно 0, 096 нм, а угол между направлениями связей О — Н равен 105°. В твердом и жидком состояниях параметры молекул Н2О незначительно изменяются. В кристаллической решетке льда вследствие образования водородных связей угол НОН приближается к тетраэдрическому (109,5°), а расстояние между ядрами атомов водорода и кислорода увеличивается до 0,099 нм.

Кристаллы льда принадлежат к гексагональной системе. Каждая молекула воды связана водородными связями с четырьмя другими молекулами. Вследствие относительно большой длины этих связей упаковка молекул Н2О оказывается очень неплотной, в структуре льда на каждые 46 молекул воды приходится шесть пустот диаметром 0,59 нм и две пустоты диаметром 0,52 нм.

За счет включения в полости кристалла молекул хлора, аргона, ксенона и некоторых других газов возникают так называемые клатратные соединения или соединения включения. Их образование с последующим разрушением применяется для разделения углеводородов и некоторых других веществ. Клатраты используют также как удобную форму хранения газов.

Если внедряющиеся молекулы газа сравнительно невелики (Аr, Хе, СН4, СO2), то они занимают все восемь пустот. Образующиеся при этом клатраты имеют состав X•5,75Н2О (8:46= 1:5,75). Более крупные частицы занимает только шесть пустот. Предельное отношение числа внедренных молекул к числу молекул воды составляет в этом случае 6:46=1:7,67. Например, при охлаждении Хлорной воды выпадают кристаллы гидрата хлора, имеющие состав Сl2•8Н2O.

При атмосферном давлении лед плавится при 0°С. С точки зрения молекулярно-кинетической теории плавление льда происходит при такой температуре, когда энергия теплового движения молекул оказывается достаточной для разрыва большинства водородных связей. Тетраэдрическая структура льда разрушается, и вода переходит в жидкое состояние. В жидкой воде существует подвижное равновесие: действие водородных связей воссоздает в каждый момент времени в каждом элементе объема тетраэдрическую структуру льда, а тепловое движение молекул эту структуру разрушает.

Плавление льда сопровождается поглощением тепловой энергии в количестве 6,01 кдж/моль.Большая часть ее расходуется на разрыв водородных связей.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации