Compuestos iónicos(por ejemplo, cloruro NaCl de sodio) - duros y refractarios porque existen poderosas fuerzas de atracción electrostática entre las cargas de sus iones ("+" y "-").
El ion cloro cargado negativamente atrae no sólo “su” ion Na+, sino también otros iones de sodio a su alrededor. Esto lleva al hecho de que cerca de cualquiera de los iones hay más de un ion con signo opuesto, sino varios (Fig. 1).
Arroz. 1
De hecho, hay 6 iones de sodio alrededor de cada ion de cloro y 6 iones de cloruro alrededor de cada ion de sodio.
Este empaquetamiento ordenado de iones se llama cristal iónico. Si aislas en un cristal átomo único cloro, entonces entre los átomos de sodio que lo rodean ya no es posible encontrar aquel con el que reaccionó el cloro. Atraídos entre sí por fuerzas electrostáticas, los iones son extremadamente reacios a cambiar de ubicación bajo la influencia de fuerzas externas o un aumento de temperatura. Pero si la temperatura es muy alta (alrededor de 1500°C), entonces el NaCl se evapora, formando moléculas diatómicas. Esto sugiere que las fuerzas de enlace covalente nunca se desactivan por completo.
Los cristales iónicos se caracterizan por altas temperaturas de fusión, generalmente una banda prohibida significativa, tienen conductividad iónica a altas temperaturas y una serie de propiedades ópticas específicas (por ejemplo, transparencia en la región del espectro infrarrojo cercano). Pueden construirse a partir de iones monoatómicos y poliatómicos. Un ejemplo de cristales iónicos del primer tipo son los cristales de haluros de metales alcalinos y alcalinotérreos; Los aniones están dispuestos según la ley del empaquetamiento esférico denso o apilamiento esférico denso, los cationes ocupan los huecos correspondientes. Mayoría estructuras características este tipo es NaCl, CsCl, CaF2. Los cristales iónicos del segundo tipo se construyen a partir de cationes monoatómicos de los mismos metales y fragmentos aniónicos finitos o infinitos. Aniones terminales (residuos ácidos) - NO3-, SO42-, СО32-, etc. Los residuos ácidos se pueden conectar en cadenas interminables, capas o formar una estructura tridimensional en cuyas cavidades se ubican los cationes, como, por ejemplo, en las estructuras cristalinas de los silicatos. Para cristales iónicos, es posible calcular la energía de la estructura cristalina U (ver tabla), que es aproximadamente igual a la entalpía de sublimación; los resultados concuerdan bien con los datos experimentales. Según la ecuación de Born-Mayer, para un cristal formado por iones formalmente cargados individualmente:
U = -A/R + Be-R/r - C/R6 - D/R8 + E0
- (R es la distancia interiónica más corta, A es la constante de Madelung, dependiendo de la geometría de la estructura, B y r son parámetros que describen la repulsión entre partículas, C/R6 y D/R8 caracterizan los correspondientes dipolo-dipolo y dipolo-cuadrupolo interacción de iones, E
- 0 - energía de punto cero, e
- - carga de electrones). A medida que el catión crece, aumenta la contribución de las interacciones dipolares.
Las transiciones de fase son de dos tipos: primer y segundo orden. Las transiciones de fase de primer orden incluyen un cambio en el estado de agregación de una sustancia: procesos de fusión y cristalización, evaporación y condensación, sublimación o sublimación, mientras que la densidad cambia abruptamente, energía interna, entropía.
Cabe señalar que se considera sólido estado cristalino, es decir. Estado en el que los átomos están ubicados en los sitios de una red cristalina. En la figura. 2-5.1 muestra la red cristalina de la sal gema. NaCl. Como puede verse en la figura, el cristal, debido a la periodicidad espacial de la estructura, consta de partes repetidas.
En un cristal de 1 mm, se produce una disposición repetida de átomos cientos de miles de veces. Por lo tanto, el término “ orden de largo alcance" Mayoría sólidos Son sólidos cristalinos. En condiciones normales, están formados por granos fusionados con un tamaño de aproximadamente 0,001 mm. En tal grano, el orden de largo alcance se expresa claramente.
Sin embargo, en la naturaleza existen sólidos con complejos estructura molecular, por ejemplo, vidrio, resinas, plásticos que no tengan estructura periódica. Se trata de sólidos amorfos que en realidad son líquidos con una viscosidad anormalmente alta. Tales cuerpos adquieren la propiedad de fluidez no de manera abrupta, sino mediante disminución gradual viscosidad, que es causada por un aumento de temperatura. Los sólidos amorfos se contrastan con los cristales, que tienen la forma poliedro regular. Cabe destacar que la cristalinidad no necesariamente se manifiesta en las características de su forma externa, sino en la estructura reticular (una pieza de metal no tiene forma correcta, pero no es amorfo).
¿Cuál es la característica principal de los cristales? Este signo es la presencia de un punto de fusión pronunciado. Si se aplica calor a un cuerpo cristalino, su temperatura aumentará hasta que comience a fundirse. Después de lo cual el aumento de temperatura se detendrá y todo el proceso de fusión se producirá a una temperatura constante estrictamente definida, llamada punto de fusión. t pl.
En la figura. La Figura 2-5.2 muestra diagramas de la estructura del cuarzo y del vidrio de cuarzo. Lo mismo en químicamente sustancia, pero uno en forma cristalina y el otro en forma amorfa. Naturaleza del medio ambiente vecinos más cercanos en ambos casos es igual, pero en el cuerpo amorfo no existe un orden de largo alcance; un cuerpo amorfo es un "cristal estropeado". Falta de orden a largo plazo rasgo característico cuerpos cristalinos es causa inmediata ausencia de un punto de fusión pronunciado. En el punto de fusión, se produce una transición en la que el orden de largo alcance desaparece y la red se fragmenta en regiones submicroscópicas fácilmente móviles que tienen la misma disposición de átomos que el cristal original, pero que están estáticamente orientadas aleatoriamente entre sí, dejando sólo cortos -orden de rango en la disposición de los átomos.
Diagrama de estructura de cuarzo.
a) cristalino, b) amorfo
(la figura corresponde a un modelo plano simplificado)
En los cuerpos amorfos, al aumentar la temperatura, la naturaleza de la disposición de los átomos no cambia; su movilidad aumenta; al aumentar la temperatura, los átomos "se escapan" de su entorno, cambiando de vecinos. Finalmente, el número de tales cambios por segundo llega a ser tan grande como para un líquido.
Dijimos anteriormente que durante todas las transformaciones agregadas se absorbe o libera energía. Por ejemplo, para convertir un kilogramo de agua en vapor, es necesario gastar 2,3 × 10 6 J de energía. Esta energía es necesaria para superar las fuerzas de atracción que actúan entre las moléculas de agua.
Los metales comienzan a fundirse sólo cuando su red cristalina comienza a colapsar, lo que también requiere energía. Esta energía se llama calor latente de fusión. El calor de fusión relacionado con la masa de una sustancia se llama calor latente de fusión específico. Por ejemplo, para el zinc es 1,11×10 5 J/kg, es decir la cantidad de calor requerida es 111 kJ/kg de modo que cuando t pl= 419,5°С convertir 1 kg de zinc de estado sólido en líquido. En la figura. 2-5.3 muestra la curva transición de fase sólido en líquido (1). La transformación inversa: la cristalización (2) ocurre a la misma temperatura y va acompañada de la absorción de la misma cantidad de energía que durante la fusión: el calor latente de cristalización. El calor latente de transición se llama latente porque el suministro (absorción) y la eliminación (liberación) de este calor no va acompañado de un efecto como un aumento o disminución de la temperatura. A pesar de que seguimos calentando el cuerpo (curva de control 1), durante la fusión la temperatura no aumenta, y durante la cristalización (curva de cristalización 2) la temperatura no disminuye, aunque seguimos enfriando el líquido. La transición líquido-sólido va acompañada de la liberación de energía. La energía de interacción de los cristales microscópicos se vuelve significativamente mayor que la energía de las vibraciones térmicas y el líquido cristaliza. Sin embargo, durante tal transición, no se forma inmediatamente una nueva fase en todo el volumen, primero se forman sus núcleos, que luego crecen y se extienden por todo el volumen.
Las transformaciones de fase del primer tipo también incluyen algunas transiciones de un sólido de una modificación cristalina a otra. Estas transformaciones se llaman polimórficas. Los cristales de diversas modificaciones consisten en la misma sustancia y se diferencian entre sí sólo en la estructura de la red cristalina. Por ejemplo, el grafito y el diamante están hechos del mismo elemento: el carbono. Diferentes estructuras significan diferentes propiedades fisicas. Las propiedades físicas del diamante son muy diferentes a las del grafito. El grafito es negro y completamente opaco, mientras que el diamante es transparente e incoloro; El grafito no arde ni siquiera a temperaturas muy altas (se funde a 385 °C), mientras que el diamante en una corriente de oxígeno arde a 720 °C. Otro ejemplo es el blanco y estaño gris. El estaño blanco es un metal brillante, ligero y muy dúctil, el estaño gris es quebradizo y se convierte fácilmente en polvo.
“Enrejado cristalino” - Tarea: Determinar el tipo enlace químico en estos compuestos: Clasificación de sólidos. Características de los principales tipos de redes cristalinas. El tema de la lección es CELOSÍAS DE CRISTAL. HCl, Cl2, H2O, NaBr, BaCl2, CaS, O2, NH3, CO2, C.
“Química de las redes cristalinas” - Tipos de redes cristalinas. Las sustancias con ACR tienen altos puntos de fusión y mayor dureza. Los puntos de ubicación de las partículas se denominan nodos de la red cristalina. Arriba se muestra la red cristalina de un diamante. Evaluando tu propio progreso. Ley de constancia de la composición. Atómico. Las redes cristalinas iónicas son aquellas cuyos nodos contienen iones.
“Sustancias cristalinas y amorfas” - Azufre S8. Yodo I2. Sólido. Ejemplos: sustancias simples(H2, N2, O2, F2, P4, S8, Ne, He), sustancias complejas (CO2, H2O, azúcar C12H22O11, etc.). El estado de agregación de una sustancia (usando el ejemplo del oxígeno O2). No existe una disposición estricta de las partículas, ni una red cristalina. Propiedades de las sustancias: 1) brillo metálico, 2) conductividad térmica y eléctrica, 3) maleabilidad y ductilidad, 4) opacidad.
Policristal de amatista (un tipo de cuarzo). Cuerpos amorfos. Chupete. Propiedades de los sólidos. Ámbar. Drusa de cristales de cristal de roca. Cristales. Metal policristalino. monocristal Sal de roca. Marion drusa. Monocristal de espato. Cuerpo amorfo. Monocristal de cristal de roca. Propiedades físicas de los cuerpos amorfos: 1. Informe 2. Ausencia de punto de fusión 3. Isotropía.
“Cuerpos cristalinos y amorfos” - Finalidad: identificar diferencias en las propiedades de los cristales y cuerpos amorfos. Los cristales tienen un punto de fusión. cuerpos amorfos– rango de temperatura (fluidez). Equipo: lupa, colección de minerales y rocas, colección de metales. Los policristales son isotrópicos. Los cristales son anisotrópicos, los cuerpos amorfos son isotrópicos. Disponibilidad temperatura constante fusión.
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La mayoría de los sólidos tienen estructura cristalina , en el que las partículas a partir de las cuales está “construido” están en en un cierto orden, creando así red cristalina. Se construye a partir de repeticiones idénticas. unidades estructurales - celdas unitarias, que se comunica con las células vecinas, formando nodos adicionales. Como resultado, hay 14 redes cristalinas diferentes.
Tipos de redes cristalinas.
Dependiendo de las partículas que se encuentran en los nodos de la red, se distinguen:
- red cristalina metálica;
- red cristalina iónica;
- red cristalina molecular;
- red cristalina macromolecular (atómica).
Enlace metálico en redes cristalinas.
Los cristales iónicos tienen una mayor fragilidad, porque un cambio en la red cristalina (aunque sea leve) conduce al hecho de que los iones con carga similar comienzan a repelerse entre sí y los enlaces se rompen, se forman grietas y escisiones.
Enlace molecular de redes cristalinas.
La característica principal del enlace intermolecular es su "debilidad" (van der Waals, hidrógeno).
Esta es la estructura del hielo. Cada molécula de agua está conectada por enlaces de hidrógeno a 4 moléculas que la rodean, lo que da como resultado una estructura tetraédrica.
El enlace de hidrógeno explica temperatura alta ebullición, fusión y baja densidad;
Conexión macromolecular de redes cristalinas.
Hay átomos en los nodos de una red cristalina. Estos cristales se dividen en 3 tipos:
- marco;
- cadena;
- estructuras en capas.
Estructura del marco El diamante es una de las sustancias más duras de la naturaleza. El átomo de carbono forma 4 enlaces covalentes idénticos, lo que indica la forma. tetraedro regular (sp 3 - hibridación). Cada átomo tiene un par de electrones solitarios, que también pueden unirse con los átomos vecinos. Como resultado, se forma una red tridimensional, en cuyos nodos solo hay átomos de carbono.
Se necesita mucha energía para destruir dicha estructura; el punto de fusión de estos compuestos es alto (en el caso del diamante es de 3500°C).
Estructuras en capas Hablamos de la presencia de enlaces covalentes dentro de cada capa y de enlaces débiles de van der Waals entre las capas.
Veamos un ejemplo: el grafito. Cada átomo de carbono está en sp 2 - hibridación. El cuarto electrón desapareado forma un enlace de van der Waals entre las capas. Por tanto, la cuarta capa es muy móvil:
Los enlaces son débiles, por lo que son fáciles de romper, lo que se puede observar en un lápiz - "propiedad de escritura" - la cuarta capa permanece en el papel.
El grafito es un excelente conductor. corriente eléctrica(Los electrones pueden moverse a lo largo del plano de la capa).
Estructuras de cadena tener óxidos (por ejemplo, ENTONCES 3 ), que cristaliza en forma de agujas brillantes, polímeros, algunos sustancias amorfas, silicatos (amianto).
Cómo explicar las propiedades de los cristales. teoría molecular? A principios del siglo XIX se sugirió por primera vez que la forma externa correcta de los cristales se determina internamente. ubicación correcta partículas que forman los cristales, es decir, átomos. Según estudios de rayos X, se encontró que esta suposición es cierta.
Las partículas que forman los cristales están ubicadas entre sí en un orden determinado, a determinadas distancias entre sí. Por supuesto, debido al movimiento térmico, las distancias entre partículas cambian ligeramente todo el tiempo, pero podemos hablar de una cierta distancia promedio para cada temperatura. El conjunto de nodos, es decir, puntos correspondientes a las posiciones medias de las partículas que forman el cristal, se denomina red espacial de este cristal.
Las partículas que forman los cristales son, en algunos casos, partículas cargadas eléctricamente: iones. Se denominan iones a los átomos (o grupos de átomos) que han perdido o, por el contrario, ganado uno, dos o más electrones. Si un átomo ha perdido electrones, es una partícula cargada positivamente. ion positivo. Si se añaden electrones al átomo, entonces es ion negativo. Los cristales formados por iones se llaman cristales iónicos.
Un ejemplo simple de la red espacial de un cristal iónico es la red de un cristal de cloruro de sodio ( sal de mesa). Imaginamos que la molécula de esta sustancia consta de un átomo de cloro y un átomo de sodio. Estas son las moléculas del vapor de sal. estudio experimental demostró que en un cristal sólido no hay moléculas en el sentido mencionado anteriormente. La red cristalina del cloruro de sodio no está formada por moléculas de cloruro de sodio, sino por iones de cloro y sodio alternos (Fig. 444). Cada ion de sodio está rodeado por seis iones de cloro ubicados en tres direcciones mutuamente perpendiculares, y cada ion de cloro está a su vez rodeado por seis iones de sodio.
Arroz. 444. Disposición de nodos en celosía espacial cristal de cloruro de sodio
Muchas sales que constan de dos átomos (bromuro de plata y cloruro de plata, yoduro de potasio, muchos metales azufrados, etc.) tienen redes similares. Las distancias entre las posiciones medias de los iones en las redes de diferentes sustancias no son las mismas. Para el cloruro de sodio, la distancia entre los iones vecinos es (para el cloruro de plata, para el yoduro de potasio, etc.). También hay más complejos cristales iónicos. Por ejemplo, la red del espato de Islandia está formada por iones e iones.
Además de los cristales iónicos, también hay cristales que consisten en partículas sin carga: átomos o moléculas. Por ejemplo, la red de diamantes está formada por átomos de carbono, la red de cristales de hielo, de moléculas de agua, la red de naftaleno, de grandes grupos moleculares, etc. Las distancias entre los átomos de tales cristales también son del orden de .
Los átomos o iones no siempre están ubicados en una red que representa una colección de cubos (redes cúbicas), como es el caso de otras redes que tienen muchos más. mirada compleja. Un ejemplo es la red de hielo (Fig. 445). ¿Cómo explicar la dependencia de las propiedades físicas de los cristales de la dirección?
Arroz. 445. Red espacial de cristales de hielo: a) vista superior; b) vista lateral. Las bolas representan átomos de oxígeno; No se muestran las posiciones de los átomos de hidrógeno.
Dejemos en la Fig. 446, y los círculos representan átomos de un líquido (por ejemplo, mercurio) ubicados en un plano determinado. Seleccionemos un átomo y dibujemos líneas rectas a través de él en diferentes direcciones. Está claro que debido a la completa aleatoriedad de la disposición de los átomos, en segmentos idénticos de cualquiera de estas rectas habrá prácticamente el mismo número de átomos. Esto significa que en una disposición caótica de los átomos, todas las direcciones son iguales.
Arroz. 446. a) Disposición aleatoria de las partículas en un líquido. cualquier linea recta 
, dibujado a través de una molécula, encuentra el mismo número de partículas (están marcadas con círculos negros), b) Disposición ordenada de los átomos en un cristal. Varios rectos pasan a través de la molécula se encuentran numero diferenteátomos
No será lo mismo si realizamos la misma construcción con la correcta disposición de los átomos propia de un cristal, por ejemplo, como se muestra en la Fig. 446, b. Se puede ver que las líneas rectas dibujadas en la dirección o se topan con muchos átomos, en la dirección, un poco menos, y en la dirección, muy pocos. Esto explica por qué las propiedades físicas de un cristal dependen de la dirección. Entonces, por ejemplo, en una red de sal de mesa, la división ocurre más fácilmente a lo largo de planos paralelos a o (Fig. 447). Por tanto, golpear un cubo de cristal de sal de mesa con un martillo lo romperá nuevamente en cubos regulares, mientras que golpear un trozo de vidrio amorfo lo romperá en fragmentos de las más variadas formas.
Arroz. 447. En un cristal de sal de mesa, la división se produce más fácilmente a lo largo de planos paralelos o a lo largo de cualquier otro plano, por ejemplo
En conclusión, observamos que en cristales reales La red no suele ser regular en todo el volumen del cristal. En algunos lugares la red está distorsionada, hay áreas donde los átomos están desordenados y en algunos lugares hay inclusiones de átomos extraños. Estas distorsiones locales juegan un papel importante a la hora de explicar algunas propiedades de los cristales reales.
