Atomi kristályrácsos kémiai elemek. Kristályrácsok a kémiában

A legtöbb szilárd anyag kristályos. Kristály sejt ismétlődő azonos szerkezeti egységekből épül fel, minden kristályhoz külön -külön. Ezt a szerkezeti egységet „elemi cellának” nevezik. Más szóval, a kristályrács a szilárd anyag térbeli szerkezetének tükröződése.

A kristályrácsok különböző módon osztályozhatók.

ÉN. Kristályszimmetria alapján a rácsokat köbös, négyszögletű, rombikus, hatszögletű osztályba soroljuk.

Ez a besorolás alkalmas a kristályok optikai tulajdonságainak és katalitikus aktivitásának értékelésére.

II. A részecskék jellegéből adódóan a rács csomópontjainál helyezkedik el és kémiai kötés típusa szerint különbséget tenni közöttük atomi, molekuláris, ionos és fém kristályrácsok... A kristályban lévő kötés típusa határozza meg a keménység, a vízben való oldhatóság, az oldódási hő és az olvadási hő, az elektromos vezetőképesség különbségét.

A kristály fontos jellemzője kristályrács energia, kJ / mol – az energiát, amelyet ennek a kristálynak a megsemmisítésére kell fordítani.

Molekuláris rács

Molekuláris kristályok molekulákból állnak, amelyeket a kristályrács bizonyos pozícióiban gyenge intermolekuláris kötések (van der Waals -erők) vagy hidrogénkötések tartanak. Ezek a rácsok a kovalens kötéssel rendelkező anyagokra jellemzőek.

Nagyon sok molekularácsos anyag létezik. Ez nagyszámú szerves vegyület (cukor, naftalin stb.), Kristályos víz (jég), szilárd szén -dioxid („szárazjég”), szilárd hidrogén -halogenidek, jód, szilárd gázok, beleértve a nemeseket is,

A kristályrács minimális energiája olyan anyagokban van, amelyek nem poláris és alacsony poláros molekulákkal rendelkeznek (CH 4, CO 2 stb.).

A polárisabb molekulák által alkotott rácsoknak is nagyobb a kristályrács energiája. A legnagyobb energiát hidrogénkötéseket (H 2 O, NH 3) alkotó anyagokkal rendelkező rácsok birtokolják.

A molekulák közötti gyenge kölcsönhatás miatt ezek az anyagok illékonyak, olvadók, alacsony keménységűek, nem vezetnek elektromos áramot (dielektrikumok) és alacsony a hővezető képességük.

Atomrács

Csomókban atom kristályrács mindhárom tengely mentén kovalens kötésekkel összekapcsolt egy vagy különböző elemek atomjai vannak. Ilyen kristályok, amelyeket ún kovalens viszonylag kevés a számuk.

Ilyen típusú kristályok például a gyémánt, a szilícium, a germánium, az ón, valamint az összetett anyagok kristályai, például a bór -nitrid, az alumínium -nitrid, a kvarc, a szilícium -karbid. Mindezeknek az anyagoknak gyémántszerű rácsuk van.

Az ilyen anyagok kristályrácsának energiája gyakorlatilag egybeesik a kémiai kötés energiájával (200 - 500 kJ / mol). Ez határozza meg fizikai tulajdonságaikat is: magas keménység, olvadáspont és forráspont.

Ezeknek a kristályoknak az elektromos vezetőképessége sokrétű: gyémánt, kvarc, bór -nitrid - dielektrikumok; szilícium, germánium - félvezetők; a fémes szürke ón jól vezeti az elektromos áramot.

Az atomi kristályrácsú kristályokban különálló szerkezeti egység nem különböztethető meg. Az egész egykristály az egy óriási molekula.

Ionikus rács

Csomókban ionos rács váltakozó pozitív és negatív ionok, amelyek között elektrosztatikus erők hatnak. Az ionos kristályok ionos kötéssel rendelkező vegyületeket képeznek, például nátrium -klorid -NaCl -ot, kálium -fluoridot és KF -t stb. Az ionos vegyületek összetételében komplex ionok is szerepelhetnek, például NO 3 -, SO 4 2 -.

Az ionos kristályok szintén óriási molekulák, amelyekben minden ion erősen befolyásolja az összes többi iont.

Az ionos kristályrács energiája jelentős értékeket érhet el. Tehát E (NaCl) = 770 kJ / mol és E (BeO) = 4530 kJ / mol.

Az ionos kristályok magas olvadási és forráspontúak és nagy szilárdságúak, de törékenyek. Sokan közülük rosszul vezetik az elektromos áramot szobahőmérsékleten (körülbelül húsz nagyságrenddel alacsonyabb, mint a fémeké), de a hőmérséklet emelkedésével az elektromos vezetőképesség növekedése figyelhető meg.

Fém grill

Fémek kristályai mondjon példákat a legegyszerűbb kristályszerkezetekre.

A fémionok a fémkristály rácsában nagyjából gömbök formájában tekinthetők. Szilárd fémekben ezek a golyók maximális sűrűséggel vannak ellátva, amint azt a legtöbb fém jelentős sűrűsége is jelzi (0,97 g / cm 3 nátriumnál, 8,92 g / cm 3 réznél 19,30 g / cm 3 volfrámnál és aranynál). A golyók sűrűbb csomagolása egy rétegben egy hatszögletű csomagolás, amelyben minden golyót hat másik golyó vesz körül (ugyanabban a síkban). Bármely három szomszédos golyó középpontja egyenlő oldalú háromszöget alkot.

A fémek olyan tulajdonságai, mint a nagy rugalmasság és hajlékonyság jelzik a merevség hiányát a fémrácsokban: síkjaik meglehetősen könnyen eltolódnak egymáshoz képest.

A valenciaelektronok részt vesznek az atomokkal való kötések kialakításában, szabadon mozognak egy fémdarab teljes térfogatában. Ezt jelzi az elektromos vezetőképesség és a hővezető képesség magas értéke.

A kristályrács energiáját tekintve a fémek köztes pozíciót foglalnak el a molekuláris és kovalens kristályok között. A kristályrács energiája:

Így a szilárd anyagok fizikai tulajdonságai jelentősen függenek a kémiai kötés típusától és szerkezetétől.

A szilárd anyagok szerkezete és tulajdonságai

Specifikációk	Kristályok
Fémes	ión	Molekuláris	Atom
Példák	K, Al, Cr, Fe	NaCl, KNO 3	I 2, naftalin	gyémánt, kvarc
Szerkezeti részecskék	Pozitív ionok és mobil elektronok	Kationok és anionok	Molekulák	Atomok
Kémiai kötés típusa	Fém	ión	A molekulákban - kovalens; molekulák között - van der Waals erők és hidrogénkötések	Atomok között - kovalens
olvadás t	Magas	Magas	Alacsony	Nagyon magas
forráspont	Magas	Magas	Alacsony	Nagyon magas
Mechanikai tulajdonságok	Kemény, képlékeny, viszkózus	Kemény, törékeny	Puha	Nagyon nehéz
Elektromos vezetőképesség	Jó útmutatók	Szilárd formában - dielektrikumok; olvadékban vagy oldatban - vezetők	Dielektrikák	Dielektrikumok (kivéve a grafitot)
Oldhatóság
vízben	Oldhatatlan	Oldódó	Oldhatatlan	Oldhatatlan
nem poláris oldószerekben	Oldhatatlan	Oldhatatlan	Oldódó	Oldhatatlan

(Minden definíció, képlet, grafikon és reakcióegyenlet a rekord alatt található.)

A legtöbb anyagot az jellemzi, hogy a körülményektől függően három aggregációs állapot egyikében lehet: szilárd, folyékony vagy gáznemű.

Például a 0-100 ° C hőmérséklettartományban lévő víz normál nyomáson folyadék, 100 ° C feletti hőmérsékleten csak gáz halmazállapotú, 0 ° C alatti hőmérsékleten pedig szilárd anyag.

A szilárd halmazállapotú anyagokat megkülönböztetik amorf és kristályos anyagoktól.

Az amorf anyagok jellemző tulajdonsága, hogy nincs tiszta olvadáspontjuk: folyékonyságuk fokozatosan növekszik a hőmérséklet emelkedésével. Az amorf anyagok közé tartoznak olyan vegyületek, mint a viasz, paraffin, a legtöbb műanyag, üveg stb.

Pedig a kristályos anyagoknak meghatározott olvadáspontjuk van, azaz a kristályos szerkezetű anyag szilárd anyagból folyékony állapotba kerül nem fokozatosan, hanem hirtelen, amikor eléri a meghatározott hőmérsékletet. A kristályos anyagok például az asztali só, a cukor, a jég.

Az amorf és kristályos szilárd anyagok fizikai tulajdonságainak különbsége elsősorban az ilyen anyagok szerkezeti jellemzőinek köszönhető. Mi a különbség az amorf és kristályos állapotú anyagok között, a legkönnyebben megérthető az alábbi illusztrációból:

Amint láthatja, egy amorf anyagban, szemben a kristályos anyaggal, nincs rend a részecskék elrendezésében. Ha egy kristályos anyagban mentálisan összekötünk két, egymáshoz szorosan elhelyezkedő atomot egyenes vonallal, akkor megállapítható, hogy ugyanazok a részecskék fognak ezen a vonalon feküdni szigorúan meghatározott időközönként:

Így a kristályos anyagok esetében beszélhetünk olyan fogalomról, mint a kristályrács.

Kristályrács térbeli keretnek nevezzük, amely összeköti a tér azon pontjait, amelyekben a kristályt alkotó részecskék találhatók.

Azokat a térbeli pontokat nevezzük, amelyekben a kristályt alkotó részecskék találhatók rácsos csomópontok .

Attól függően, hogy mely részecskék vannak a kristályrács csomópontjaiban, megkülönböztetik őket: molekuláris, atomi, ionos és fém kristályrács .

Csomókban molekuláris kristályrács

A jég kristályrácsja a molekuláris rács példája

vannak molekulák, amelyeken belül az atomokat erős kovalens kötések kötik, de magukat a molekulákat gyenge intermolekuláris erők tartják egymás közelében. Ezen gyenge intermolekuláris kölcsönhatások miatt a molekuláris rácsos kristályok törékenyek. Az ilyen anyagok lényegesen alacsonyabb olvadási és forráspontúak, különböznek a más típusú szerkezetű anyagoktól, nem vezetnek elektromos áramot, és vagy oldódnak, vagy nem oldódnak fel különböző oldószerekben. Az ilyen vegyületek oldatai vezethetnek vagy nem vezethetnek elektromos áramot, a vegyület osztályától függően. A molekuláris kristályrácsos vegyületek sok egyszerű anyagot tartalmaznak - nemfémeket (edzett H 2, O 2, Cl 2, rombikus kén S 8, fehér foszfor P 4), valamint sok összetett anyagot - nemfémek hidrogénvegyületeit, savak, nemfém-oxidok, a legtöbb szerves anyag. Meg kell jegyezni, hogy ha egy anyag gáz halmazállapotú vagy folyékony állapotban van, akkor nem illik molekuláris kristályrácsról beszélni: helyesebb a kifejezés - a molekuláris típusú szerkezet használata.

A gyémánt kristályrács az atomrács példájaként

Csomókban atom kristályrács

atomok. Ezenkívül az ilyen kristályrács összes csomópontja "keresztkötéses" egymással erős kovalens kötések révén egyetlen kristállyá. Valójában egy ilyen kristály egy óriási molekula. Szerkezeti jellemzői miatt minden atomkristályrácsos anyag szilárd, magas olvadáspontú, kémiailag kevéssé aktív, nem oldódik sem vízben, sem szerves oldószerekben, és olvadékaik nem vezetnek elektromos áramot. Emlékeztetni kell arra, hogy az egyszerű anyagok atomi szerkezetével rendelkező anyagok közé tartozik a bór B, szén C (gyémánt és grafit), szilícium Si, összetett anyagokból - szilícium -dioxid SiO2 (kvarc), szilícium -karbid SiC, bór -nitrid.

Azokkal az anyagokkal, amelyek ionos kristályrács

a rácshelyek ionos kötéseken keresztül egymáshoz kapcsolódó ionokat tartalmaznak.

Mivel az ionos kötések elég erősek, az ionrácsos anyagok viszonylag nagy keménységűek és tűzállóak. Leggyakrabban vízben oldódnak, és oldataik, például az olvadékok, elektromos áramot vezetnek.

Az ionos típusú kristályrácsos anyagok közé tartoznak a fém- és ammóniumsók (NH 4 +), bázisok, fém -oxidok. Az anyag ionos szerkezetének biztos jele, hogy összetételében mind a tipikus fém, mind a nemfém atomok jelen vannak.

A nátrium -klorid kristályrács mint egy ionos rács

Meg kell azonban jegyezni, hogy az ionos szerkezetű anyagokban gyakran lehetséges az ionos mellett kovalens poláris kötések megtalálása is. Ez megfigyelhető komplex ionok esetén, azaz két vagy több kémiai elemből áll (SO 4 2-, NH 4 +, PO 4 3- stb.). Az ilyen komplex ionokon belül az atomok kovalens kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz.

megfigyelték a szabad fémek kristályaiban, például nátrium -nátrium, vas Fe, magnézium Mg stb. Fémes kristályrács esetén helyei kationokat és fématomokat tartalmaznak, amelyek között elektronok mozognak. Ebben az esetben a mozgó elektronok időszakosan kötődnek a kationokhoz, így semlegesítik a töltésüket, és az egyes semleges fém atomok ehelyett "felszabadítják" elektronjaik egy részét, és kationokká alakulnak. Valójában a "szabad" elektronok nem az egyes atomokhoz, hanem az egész kristályhoz tartoznak.

Az ilyen szerkezeti jellemzők azt eredményezik, hogy a fémek jól vezetik a hőt és az elektromos áramot, gyakran nagy rugalmassággal (hajlékonysággal) rendelkeznek.
A fémek olvadási hőmérsékleteinek értékei nagyon nagyok. Így például a higany olvadáspontja megközelítőleg mínusz 39 ° C (normál körülmények között folyékony), a wolfram pedig 3422 ° C. Meg kell jegyezni, hogy normál körülmények között a higany kivételével minden fém szilárd anyag.

Kristályos rácsok Rács típusa Részecsketípusok rácshelyeken A részecskék közötti kötés típusa Példák az anyagokra Az anyagok fizikai tulajdonságai Ionikus ionok Ionikus Ezek bináris fémvegyületek (I А és II A), tipikus fémek sói, oxidjai és hidroxidjai. Szilárd, tartós, nem illékony, törékeny, tűzálló, sokan vízben oldódnak, az oldatok és az olvadékok elektromos áramot vezetnek.

Kristályrácsok A rács típusa A rácshelyeken lévő részecskék típusa A részecskék közötti kötés típusa Az anyagok példái Az anyagok fizikai tulajdonságai Atomatomok 1. Kovalentes nempoláris - a kötés nagyon erős 2. Kovalentes poláris - erős kötés Egyszerű anyagok: gyémánt (C ), grafit (C), bór (B), szilícium (Si), vörös foszfor. Összetett anyagok: alumínium -oxid (Al 2 O 3), szilícium -oxid (IY) -SiO 2. Nagyon kemény, tűzálló, nem illékony, vízben oldhatatlan.

Kristályrács A rács típusa A részecskék típusai a rácshelyeken A részecskék közötti kötés típusa Példák az anyagokra Az anyagok fizikai tulajdonságai Molekuláris molekulák A molekulák között gyenge az intermolekuláris vonzóerő, és a molekulák belsejében erős a kovalens kötés. Szilárd anyagok alacsony hőmérsékleten. A szokásosnál - gázok vagy folyadékok - O 2, H 2, Cl 2, N 2, Br 2, H 2 O, CO 2, HCl, nemesgázok, kén, fehér foszfor P 4, jód; szerves anyag. Törékenyek, illékonyak, olvadóak és csekély keménységűek.

Kristályos rácsok Rács típusa Részecsketípusok rácscsomópontokban A részecskék közötti kötés típusa Anyagok példái Az anyagok fizikai tulajdonságai Fém atomok, ionok Fémes, különböző szilárdságú Fémek és ötvözetek. Az I.A., IIA., IIIA. Osztályba tartozó fémek (a bór kivételével) és a temperálható alcsoportok fémei fémes csillogással, hő- és elektromos vezetőképességgel rendelkeznek

A legtöbb szilárd anyagnak van kristályszerkezet, amelyben a részecskék, amelyekből "épül", bizonyos sorrendben vannak, ezáltal létrejönnek kristályrács... Ismétlődő azonos szerkezeti egységekből épül fel - elemi sejtek, amely összeköt a szomszédos sejtekkel, további csomópontokat képezve. Ennek eredményeként 14 különböző kristályrács létezik.

A kristályrácsok típusai.

A rácshelyeken álló részecskék függvényében a következők vannak:

• fém kristályrács;
• ionos kristályrács;
• molekuláris kristályrács;
• makromolekuláris (atom) kristályrács.

Fémkötés kristályrácsokban.

Az ionos kristályok nagyon törékenyek, mert a kristályrács eltolódása (még jelentéktelen is) ahhoz vezet, hogy a hasonló töltésű ionok taszítani kezdik egymást, és a kötések megszakadnak, repedések és hasadások keletkeznek.

Kristályrácsok molekuláris kötése.

Az intermolekuláris kötés fő jellemzője a "gyengesége" (van der Waals, hidrogén).

Ez a jég szerkezete. Minden vízmolekula hidrogénkötésben van 4 környező molekulával, ami tetraéderes szerkezetet eredményez.

A hidrogénkötés magyarázza a magas forráspontot, olvadáspontot és alacsony sűrűséget;

Kristályrácsok makromolekuláris kötése.

Az atomok a kristályrács helyén helyezkednek el. Ezek a kristályok fel vannak osztva 3 típus:

• keret;
• lánc;
• réteges szerkezetek.

Drótváz szerkezet gyémántot tartalmaz - az egyik legkeményebb anyag a természetben. A szénatom 4 azonos kovalens kötést képez, ami egy szabályos tetraéder alakját jelzi ( sp 3 - hibridizáció). Minden atomnak van egy magányos elektronpárja, amely a szomszédos atomokhoz is kötődhet. Ennek eredményeként háromdimenziós rács keletkezik, amelynek csomópontjaiban csak szénatomok vannak.

Egy ilyen szerkezet elpusztításához sok energiára van szükség, az ilyen vegyületek olvadáspontja magas (gyémánt esetében 3500 ° C).

Réteges szerkezetek beszéljünk a kovalens kötések jelenlétéről minden rétegen belül és a gyenge van der Waals kötésekről a rétegek között.

Vegyünk egy példát: grafit. Minden szénatom benne van sp 2 - hibridizáció. A negyedik párosítatlan elektron van der Waals kötést képez a rétegek között. Ezért a negyedik réteg nagyon mobil:

A kötések gyengék, ezért könnyen megszakíthatók, ami ceruzával - "írási tulajdonság" - figyelhető meg - a 4. réteg marad a papíron.

A grafit kiváló elektromos áramvezető (az elektronok képesek mozogni a réteg síkja mentén).

Láncszerkezetek oxidokat tartalmaz (pl. ÍGY 3 ), amely fényes tűk, polimerek, egyes amorf anyagok, szilikátok (azbeszt) formájában kristályosodik.

A kémia csodálatos tudomány. Annyi hihetetlen lehet a hétköznapinak tűnő dolgokban.

Minden anyag, ami körülvesz minket mindenütt, több aggregációs állapotban létezik: gázok, folyadékok és szilárd anyagok. A tudósok azonosították a 4. plazmát is. Egy bizonyos hőmérsékleten bármely anyag változhat egyik állapotból a másikba. Például víz: 100 fölé melegítve folyékony formából gőzzé alakul. 0 alatti hőmérsékleten átalakul a következő aggregátum szerkezetévé - jéggé.

Kapcsolatban áll

Az egész anyagi világ összetételében azonos részecskék tömege van, amelyek egymással össze vannak kötve. Ezek a legkisebb elemek szigorúan sorakoznak a térben, és alkotják az úgynevezett térbeli keretet.

Meghatározás

A kristályrács a szilárd anyag speciális szerkezete, amelyben a részecskék geometriailag szigorú sorrendben helyezkednek el a térben. Ebben megtalálhatók a csomópontok - az elemek helyei: atomok, ionok és molekulák, valamint a csomópontok közötti tér.

Szilárd anyagok A magas és az alacsony hőmérséklet tartományától függően kristályosak vagy amorfok - jellemzőek az adott olvadáspont hiánya. Magas hőmérsékletnek kitéve lágyulnak és fokozatosan folyékony formává alakulnak. Ezek az anyagok a következők: gyanta, gyurma.

Ebben a tekintetben több típusra osztható:

• atom;
• ión;
• molekuláris;
• fém.

De különböző hőmérsékleten egy anyagnak különböző formái lehetnek, és különböző tulajdonságai lehetnek. Ezt a jelenséget allotróp módosításnak nevezik.

Atomi típus

Ebben a típusban a csomópontok egy anyag atomjai, amelyeket kovalens kötések kötnek össze. Ezt a kötéstípust két szomszédos atomból álló elektronpár alkotja. Ez lehetővé teszi számukra az egyenletes és szigorú kötést.

Az atomi kristályrácsos anyagokat a következő tulajdonságok jellemzik: szilárdság és magas olvadáspont. Ez a fajta kötés megtalálható a gyémántban, a szilíciumban és a bórban..

Ion típusú

Az ellentétesen töltött ionok a csomópontokban találhatók, amelyek elektromágneses mezőt hoznak létre, amely az anyag fizikai tulajdonságait jellemzi. Ide tartoznak: elektromos vezetőképesség, tűzálló képesség, sűrűség és keménység. Az asztali sót és a kálium -nitrátot ionos kristályrács jellemzi.

Ne hagyja ki: Az oktatás mechanizmusa, konkrét példák.

Molekuláris típus

Az ilyen típusú csomópontokban vannak olyan ionok, amelyeket van der Waals erők kötnek össze. A gyenge intermolekuláris kötések miatt az ilyen anyagokra, például a jégre, a szén -dioxidra és a paraffinra a plaszticitás, az elektromos és a hővezető képesség jellemző.

Fém típus

Szerkezetében molekulárishoz hasonlít, de még mindig erősebb kötésekkel rendelkezik. Ennek a típusnak a különbsége az, hogy pozitív töltésű kationok találhatók a helyükön. Elektronok, amelyek a helyek között vannak térben, részt vesz egy elektromos mező kialakításában. Ezeket elektromos gáznak is nevezik.

Az egyszerű fémeket és ötvözeteket fémrács típus jellemzi. Fémes csillogás, plaszticitás, hő- és elektromos vezetőképesség jellemzi őket. Különböző hőmérsékleteken megolvadhatnak.