Įprastos atominės ir joninės kristalinės gardelės. Kristalinė gardelė: apibrėžimas, pagrindiniai jos tipai

Medžiagos struktūrą lemia ne tik santykinis atomų išsidėstymas cheminėse dalelėse, bet ir šių cheminių dalelių išsidėstymas erdvėje. Labiausiai tvarkingas atomų, molekulių ir jonų išdėstymas kristalai(iš graikų kalbos kristalai" – ledas), kur cheminės dalelės (atomai, molekulės, jonai) išsidėsčiusios tam tikra tvarka, erdvėje suformuodamos kristalinę gardelę. Tam tikromis formavimosi sąlygomis jos gali turėti natūralią taisyklingų simetriškų daugiakampių formą. Kristalinė būsena yra būdinga ilgalaikė tvarka dalelių išdėstyme ir simetrijos kristalinė gardelė.

Amorfinei būsenai būdinga tik trumpo nuotolio tvarka. Amorfinių medžiagų struktūros primena skysčius, tačiau turi daug mažiau sklandumo. Amorfinė būsena paprastai yra nestabili. Veikiant mechaninėms apkrovoms ar temperatūros pokyčiams, amorfiniai kūnai gali kristalizuotis. Medžiagų reaktyvumas amorfinėje būsenoje yra daug didesnis nei kristalinės būsenos.

Amorfinės medžiagos

Pagrindinis ženklas amorfinis(iš graikų kalbos amorfas" - beformė) medžiagos būsena - atominės ar molekulinės gardelės nebuvimas, tai yra, kristalinei būsenai būdingas trimatis struktūros periodiškumas.

Kai skysta medžiaga atšaldoma, ji ne visada kristalizuojasi. tam tikromis sąlygomis gali susidaryti nepusiausvyra kieta amorfinė (stiklinė) būsena. Stiklinėje būsenoje gali būti paprastų medžiagų (anglies, fosforo, arseno, sieros, seleno), oksidų (pavyzdžiui, boro, silicio, fosforo), halogenidų, chalkogenidų ir daugelio organinių polimerų.

Šioje būsenoje medžiaga gali būti stabili ilgą laiką, pavyzdžiui, kai kurių vulkaninių stiklų amžius vertinamas milijonais metų. Stiklinės amorfinės būsenos medžiagos fizinės ir cheminės savybės gali labai skirtis nuo kristalinės medžiagos savybių. Pavyzdžiui, stiklinis germanio dioksidas yra chemiškai aktyvesnis nei kristalinis. Skystos ir kietos amorfinės būsenos savybių skirtumus lemia dalelių šiluminio judėjimo pobūdis: amorfinėje būsenoje dalelės gali tik svyruoti ir suktis, bet negali judėti medžiagos viduje.

Yra medžiagų, kurios gali egzistuoti tik kietos formos amorfinėje būsenoje. Tai reiškia polimerus su netaisyklinga vienetų seka.

Amorfiniai kūnai izotropinis, tai yra, jų mechaninės, optinės, elektrinės ir kitos savybės nepriklauso nuo krypties. Amorfiniai kūnai neturi fiksuotos lydymosi temperatūros: lydymas vyksta tam tikrame temperatūrų intervale. Amorfinės medžiagos perėjimas iš kietos būsenos į skystą nėra lydimas staigių savybių pasikeitimų. Fizinis amorfinės būsenos modelis dar nesukurtas.

Kristalinės medžiagos

Tvirtas kristalai- trimačiai dariniai, kuriems būdingas griežtas to paties konstrukcinio elemento pakartojamumas ( vieneto ląstelė) visomis kryptimis. Vienetinė ląstelė yra mažiausias gretasienio formos kristalo tūris, kristale pasikartojantis be galo daug kartų.

Geometriškai teisingą kristalų formą, visų pirma, lemia griežtai taisyklinga vidinė struktūra. Jei vietoj atomų, jonų ar molekulių kristale vaizduosime taškus kaip šių dalelių svorio centrus, gautume trimatį reguliarų tokių taškų pasiskirstymą, vadinamą kristaline gardele. Patys taškai vadinami mazgai kristalinė gardelė.

Kristalinių gardelių rūšys

Priklausomai nuo to, iš kokių dalelių kristalinė gardelė sudaryta ir koks yra cheminis ryšys tarp jų, išskiriami skirtingi kristalų tipai.

Joninius kristalus sudaro katijonai ir anijonai (pavyzdžiui, daugumos metalų druskos ir hidroksidai). Juose tarp dalelių yra joninis ryšys.

Jonų kristalai gali būti sudaryti iš monatominis jonų. Taip statomi kristalai natrio chloridas, kalio jodidas, kalcio fluoridas.
Monatominiai metalų katijonai ir poliatominiai anijonai, pavyzdžiui, nitratų jonai NO 3 −, sulfato jonai SO 4 2−, karbonato jonai CO 3 2−, dalyvauja formuojant daugelio druskų joninius kristalus.

Joniniame kristale neįmanoma išskirti atskirų molekulių. Kiekvienas katijonas yra pritraukiamas prie kiekvieno anijono ir atstumiamas kitų katijonų. Visas kristalas gali būti laikomas didžiule molekule. Tokios molekulės dydis neribojamas, nes ji gali augti pridedant naujų katijonų ir anijonų.

Dauguma joninių junginių kristalizuojasi viename iš struktūrinių tipų, kurie skiriasi vienas nuo kito koordinacinio skaičiaus reikšme, tai yra, kaimynų skaičiumi aplink tam tikrą joną (4, 6 arba 8). Joniniams junginiams, turintiems vienodą katijonų ir anijonų skaičių, žinomi keturi pagrindiniai kristalų gardelių tipai: natrio chloridas (abiejų jonų koordinacinis skaičius yra 6), cezio chloridas (abiejų jonų koordinacinis skaičius yra 8), sfaleritas ir vurcitas. (abiems struktūriniams tipams būdingas katijono ir anijono koordinacinis skaičius lygus 4). Jei katijonų skaičius yra pusė anijonų skaičiaus, tai katijonų koordinacinis skaičius turi būti du kartus didesnis už anijonų koordinacinį skaičių. Šiuo atveju realizuojami fluorito (koordinacijos skaičiai 8 ir 4), rutilo (koordinacijos skaičiai 6 ir 3) ir kristobalito (koordinacijos skaičiai 4 ir 2) struktūriniai tipai.

Paprastai joniniai kristalai yra kieti, bet trapūs. Jų trapumas atsiranda dėl to, kad net ir nežymiai deformuojant kristalą, katijonai ir anijonai pasislenka taip, kad atstumiančios jėgos tarp panašių jonų pradeda vyrauti prieš patrauklias jėgas tarp katijonų ir anijonų, o kristalas sunaikinamas.

Joninių kristalų lydymosi temperatūra yra aukšta. Išlydytoje būsenoje medžiagos, sudarančios joninius kristalus, yra laidžios elektrai. Ištirpusios vandenyje šios medžiagos disocijuoja į katijonus ir anijonus, o susidarę tirpalai praleidžia elektros srovę.

Didelis tirpumas poliniuose tirpikliuose, lydimas elektrolitinės disociacijos, atsiranda dėl to, kad tirpiklio aplinkoje su didele dielektrine konstanta ε sumažėja traukos energija tarp jonų. Vandens dielektrinė konstanta yra 82 kartus didesnė nei vakuumo (sąlygiškai egzistuojančio joniniame kristale), o trauka tarp jonų vandeniniame tirpale sumažėja tiek pat. Poveikį sustiprina jonų tirpinimas.

Atominiai kristalai susideda iš atskirų atomų, sujungtų kovalentinėmis jungtimis. Iš paprastų medžiagų tokias kristalines groteles turi tik boras ir IVA grupės elementai. Dažnai nemetalų junginiai tarpusavyje (pavyzdžiui, silicio dioksidas) taip pat sudaro atominius kristalus.

Kaip ir joniniai kristalai, atominiai kristalai gali būti laikomi milžiniškomis molekulėmis. Jie yra labai patvarūs ir kieti, blogai praleidžia šilumą ir elektrą. Medžiagos, turinčios atomines kristalines gardeles, lydosi aukštoje temperatūroje. Jie praktiškai netirpsta jokiuose tirpikliuose. Jiems būdingas mažas reaktyvumas.

Molekuliniai kristalai yra sudaryti iš atskirų molekulių, kuriose atomai yra sujungti kovalentiniais ryšiais. Tarp molekulių veikia silpnesnės tarpmolekulinės jėgos. Jie lengvai sunaikinami, todėl molekuliniai kristalai turi žemą lydymosi temperatūrą, mažą kietumą ir didelį lakumą. Medžiagos, sudarančios molekulines kristalines gardeles, neturi elektros laidumo, o jų tirpalai ir lydalai taip pat nelaidžia elektros srovės.

Tarpmolekulinės jėgos atsiranda dėl vienos molekulės neigiamai įkrautų elektronų elektrostatinės sąveikos su kaimyninių molekulių teigiamai įkrautais branduoliais. Tarpmolekulinės sąveikos stiprumą įtakoja daug veiksnių. Svarbiausias iš jų yra polinių ryšių buvimas, tai yra, elektronų tankio pokytis iš vieno atomo į kitą. Be to, tarpmolekulinė sąveika yra stipresnė tarp molekulių, turinčių didesnį elektronų skaičių.

Dauguma nemetalų yra paprastų medžiagų pavidalu (pavyzdžiui, jodo I 2 , argonas Ar, siera S 8) ir junginiai tarpusavyje (pavyzdžiui, vanduo, anglies dioksidas, vandenilio chloridas), taip pat beveik visos kietos organinės medžiagos sudaro molekulinius kristalus.

Metalams būdinga metalinė kristalinė gardelė. Jame yra metalinis ryšys tarp atomų. Metalo kristaluose atomų branduoliai išsidėstę taip, kad jų pakuotė būtų kuo tankesnė. Ryšys tokiuose kristaluose yra delokalizuotas ir tęsiasi per visą kristalą. Metalo kristalai pasižymi dideliu elektros ir šilumos laidumu, metaliniu blizgesiu ir neskaidrumu, lengvai deformuojami.

Kristalinių gardelių klasifikacija atitinka ribojančius atvejus. Dauguma neorganinių medžiagų kristalų priklauso tarpiniams tipams – kovalentiniams-joniniams, molekuliniams-kovalentiniams ir kt. Pavyzdžiui, kristale grafitas Kiekviename sluoksnyje jungtys yra kovalentinės-metalinės, o tarp sluoksnių - tarpmolekulinės.

Izomorfizmas ir polimorfizmas

Daugelis kristalinių medžiagų turi tą pačią struktūrą. Tuo pačiu metu ta pati medžiaga gali sudaryti skirtingas kristalų struktūras. Tai atsispindi reiškiniuose izomorfizmas Ir polimorfizmas.

Izomorfizmas slypi atomų, jonų ar molekulių gebėjime pakeisti vienas kitą kristalų struktūrose. Šis terminas (iš graikų kalbos isos" - lygus ir " morphe" - forma) pasiūlė E. Mitscherlichas 1819 m. Izomorfizmo dėsnį E. Mitscherlichas suformulavo 1821 m. taip: "Tas pats skaičius atomų, sujungtų vienodai, suteikia tokias pačias kristalines formas; Be to, kristalinė forma nepriklauso nuo atomų cheminės prigimties, o nustatoma tik pagal jų skaičių ir santykinę padėtį.

Dirbdamas Berlyno universiteto chemijos laboratorijoje, Mitscherlichas atkreipė dėmesį į visišką švino, bario ir stroncio sulfatų kristalų panašumą bei daugelio kitų medžiagų kristalinių formų panašumą. Jo pastebėjimai patraukė žymaus švedų chemiko J.-Ya dėmesį. Berzelius, kuris pasiūlė, kad Mitscherlich patvirtintų pastebėtus modelius naudodamas fosforo ir arseno rūgščių junginių pavyzdį. Atlikus tyrimą buvo prieita prie išvados, kad „dvi druskos serijos skiriasi tik tuo, kad vienoje yra arseno kaip rūgšties radikalo, o kitoje yra fosforo“. Mitscherlicho atradimas labai greitai patraukė mineralogų dėmesį, kurie pradėjo tyrinėti izomorfinio elementų pakeitimo mineraluose problemą.

Bendrai kristalizuojant medžiagas, linkusias į izomorfizmą ( izomorfinis medžiagos), susidaro mišrūs kristalai (izomorfiniai mišiniai). Tai įmanoma tik tuo atveju, jei viena kitą pakeičiančios dalelės mažai skiriasi savo dydžiu (ne daugiau kaip 15%). Be to, izomorfinės medžiagos turi turėti panašų erdvinį atomų arba jonų išsidėstymą, taigi ir panašios išorinės formos kristalus. Tokios medžiagos apima, pavyzdžiui, alūną. Kalio alūno kristaluose KAl(SO 4) 2 . 12H 2 O kalio katijonai gali būti iš dalies arba visiškai pakeisti rubidžio arba amonio katijonais, o aliuminio katijonai – chromo (III) arba geležies (III) katijonais.

Izomorfizmas yra plačiai paplitęs gamtoje. Dauguma mineralų yra sudėtingos, įvairios sudėties izomorfiniai mišiniai. Pavyzdžiui, mineraliniame sfalerite ZnS iki 20% cinko atomų gali būti pakeisti geležies atomais (tuo tarpu ZnS ir FeS turi skirtingą kristalų struktūrą). Izomorfizmas siejamas su retų ir mikroelementų geocheminiu elgesiu, jų pasiskirstymu uolienose ir rūdose, kur jie yra izomorfinių priemaišų pavidalu.

Izomorfinis pakaitalas lemia daug naudingų šiuolaikinių technologijų dirbtinių medžiagų – puslaidininkių, feromagnetų, lazerinių medžiagų – savybių.

Daugelis medžiagų gali sudaryti kristalines formas, kurios turi skirtingą struktūrą ir savybes, bet tą pačią sudėtį ( polimorfinis modifikacijos). Polimorfizmas- kietųjų medžiagų ir skystųjų kristalų gebėjimas egzistuoti dviem ar daugiau formų, turinčių skirtingą kristalų struktūrą ir savybes, turinčius tą pačią cheminę sudėtį. Šis žodis kilęs iš graikų kalbos polimorfas“ – įvairus. Polimorfizmo reiškinį atrado M. Klaprothas, 1798 metais atradęs, kad du skirtingi mineralai – kalcitas ir aragonitas – turi vienodą cheminę sudėtį CaCO 3.

Paprastų medžiagų polimorfizmas paprastai vadinamas alotropija, o polimorfizmo sąvoka netaikoma nekristalinėms alotropinėms formoms (pavyzdžiui, dujinėms O 2 ir O 3). Tipiškas polimorfinių formų pavyzdys yra anglies modifikacijos (deimantas, lonsdaleitas, grafitas, karabinai ir fullerenai), kurios stipriai skiriasi savo savybėmis. Stabiliausia anglies egzistavimo forma yra grafitas, tačiau kitos jo modifikacijos normaliomis sąlygomis gali išlikti neribotą laiką. Aukštoje temperatūroje jie virsta grafitu. Kalbant apie deimantą, tai įvyksta kaitinant virš 1000 o C, kai nėra deguonies. Atvirkštinį perėjimą pasiekti daug sunkiau. Reikalinga ne tik aukšta temperatūra (1200-1600 o C), bet ir didžiulis slėgis – iki 100 tūkstančių atmosferų. Grafitą paversti deimantu lengviau, kai yra išlydytų metalų (geležies, kobalto, chromo ir kt.).

Molekulinių kristalų atveju polimorfizmas pasireiškia skirtingu molekulių supakavimu kristale arba molekulių formos pokyčiais, o joniniuose kristaluose – skirtingose ​​santykinėse katijonų ir anijonų padėties. Kai kurios paprastos ir sudėtingos medžiagos turi daugiau nei du polimorfus. Pavyzdžiui, silicio dioksidas turi dešimt modifikacijų, kalcio fluoridas – šešias, amonio nitratas – keturias. Polimorfinės modifikacijos paprastai žymimos graikiškomis raidėmis α, β, γ, δ, ε,... pradedant modifikacijomis, kurios yra stabilios žemoje temperatūroje.

Kristalizuojant iš garų, tirpinant ar išlydant medžiagą, kuri turi keletą polimorfinių modifikacijų, pirmiausia susidaro tam tikromis sąlygomis mažiau stabili modifikacija, kuri vėliau virsta stabilesne. Pavyzdžiui, kondensuojantis fosforo garams, susidaro baltasis fosforas, kuris normaliomis sąlygomis kaitinant lėtai virsta raudonuoju fosforu. Dehidratuojant švino hidroksidą, iš pradžių (apie 70 o C) susidaro žemoje temperatūroje mažiau stabilus geltonasis β-PbO, apie 100 o C jis virsta raudonuoju α-PbO, o 540 o C temperatūroje virsta. atgal į β-PbO.

Perėjimas iš vieno polimorfo į kitą vadinamas polimorfine transformacija. Šie perėjimai įvyksta, kai keičiasi temperatūra arba slėgis, ir juos lydi staigus savybių pasikeitimas.

Perėjimo iš vienos modifikacijos į kitą procesas gali būti grįžtamas arba negrįžtamas. Taigi, kaitinant 1500-1800 o C temperatūroje ir kelių dešimčių atmosferų slėgyje baltą minkštą į grafitą panašią BN sudėties medžiagą (boro nitridą), susidaro jos aukštos temperatūros modifikacija - Borazonas, savo kietumu artimas deimantui. Kai temperatūra ir slėgis sumažėja iki normalias sąlygas atitinkančių verčių, borazonas išlaiko savo struktūrą. Grįžtamo perėjimo pavyzdys yra dviejų sieros modifikacijų (ortorombinės ir monoklininės) abipusės transformacijos 95 o C temperatūroje.

Polimorfinės transformacijos gali vykti be reikšmingų struktūros pokyčių. Kartais kristalų struktūra visiškai nesikeičia, pavyzdžiui, α-Fe pereinant į β-Fe esant 769 o C, geležies struktūra nekinta, tačiau išnyksta jos feromagnetinės savybės.

Viena iš labiausiai paplitusių medžiagų, su kuria žmonės visada mieliau dirbo, buvo metalas. Kiekvienoje epochoje pirmenybė buvo teikiama skirtingoms šių nuostabių medžiagų rūšims. Taigi, IV-III tūkstantmetis prieš Kristų laikomas chalkolito, arba vario amžiumi. Vėliau ją pakeičia bronza, o tada įsigalioja ir šiandien aktuali – geležis.

Šiandien apskritai sunku įsivaizduoti, kad kažkada buvo galima apsieiti be metalo gaminių, nes beveik viskas – nuo ​​namų apyvokos daiktų, medicinos instrumentų iki sunkiosios ir lengvosios įrangos – susideda iš šios medžiagos arba apima atskiras dalis iš jos. Kodėl metalai sugebėjo įgyti tokį populiarumą? Pabandykime išsiaiškinti, kokios yra funkcijos ir kaip tai būdinga jų struktūrai.

Bendroji metalų samprata

"Chemija. 9 klasė" – tai mokyklinukų naudojamas vadovėlis. Būtent čia detaliai tiriami metalai. Didelis skyrius skirtas jų fizinėms ir cheminėms savybėms, nes jų įvairovė yra nepaprastai didelė.

Būtent nuo šio amžiaus vaikams rekomenduojama duoti idėją apie šiuos atomus ir jų savybes, nes paaugliai jau gali visiškai suprasti tokių žinių reikšmę. Jie puikiai mato, kad juos supančių daiktų, mašinų ir kitų dalykų įvairovė yra pagrįsta metaline prigimtimi.

Kas yra metalas? Chemijos požiūriu šie atomai paprastai skirstomi į tuos, kurie turi:

• mažas išoriniame lygyje;
• pasižymi stipriomis atkuriamosiomis savybėmis;
• turėti didelį atominį spindulį;
• Kaip paprastos medžiagos, jos turi nemažai specifinių fizinių savybių.

Žinių apie šias medžiagas pagrindą galima gauti įvertinus metalų atominę-kristalinę struktūrą. Būtent tai paaiškina visas šių junginių savybes ir savybes.

Periodinėje lentelėje didžioji visos lentelės dalis priskiriama metalams, nes jie sudaro visus antrinius pogrupius ir pagrindinius nuo pirmos iki trečios grupės. Todėl jų skaitinis pranašumas yra akivaizdus. Dažniausios yra:

• kalcio;
• natrio;
• titanas;
• geležies;
• magnio;
• aliuminio;
• kalio.

Visi metalai turi daugybę savybių, leidžiančių juos sujungti į vieną didelę medžiagų grupę. Savo ruožtu šios savybės paaiškinamos būtent kristaline metalų struktūra.

Metalų savybės

Aptariamų medžiagų specifinės savybės yra šios.

1. Metalinis blizgesys. Jį turi visi paprastų medžiagų atstovai, ir dauguma yra vienodi Tik keli (auksas, varis, lydiniai) skiriasi.
2. Kalumas ir plastiškumas – galimybė gana lengvai deformuotis ir atsistatyti. Skirtinguose atstovuose jis išreiškiamas skirtingu laipsniu.
3. Elektros ir šilumos laidumas yra viena iš pagrindinių savybių, lemiančių metalo ir jo lydinių panaudojimo sritis.

Metalų ir lydinių kristalinė struktūra paaiškina kiekvienos nurodytos savybės priežastis ir kalba apie jų sunkumą kiekviename konkrečiame atstove. Jei žinote tokios struktūros ypatybes, galite daryti įtaką pavyzdžio savybėms ir pritaikyti jį norimiems parametrams, ką žmonės daro daugelį dešimtmečių.

Metalų atominė kristalinė struktūra

Kokia ši struktūra, kuo ji pasižymi? Pats pavadinimas rodo, kad visi metalai yra kietos būsenos kristalai, tai yra normaliomis sąlygomis (išskyrus gyvsidabrį, kuris yra skystis). Kas yra kristalas?

Tai įprastas grafinis vaizdas, sukurtas susikertant įsivaizduojamoms linijoms per atomus, kurie išrikiuoja kūną. Kitaip tariant, kiekvienas metalas yra sudarytas iš atomų. Jie jame išsidėstę ne chaotiškai, o labai teisingai ir nuosekliai. Taigi, jei mintyse sujungsite visas šias daleles į vieną struktūrą, gausite gražų vaizdą, įprastą tam tikros formos geometrinį kūną.

Tai yra tai, kas paprastai vadinama metalo kristaline gardele. Jis yra labai sudėtingas ir erdvus, todėl paprastumo dėlei rodomas ne visas, o tik dalis, elementari ląstelė. Tokių ląstelių rinkinys, surenkamas kartu ir atsispindi kristalinėse gardelėse ir sudaro. Chemija, fizika ir metalurgija yra mokslai, tiriantys tokių struktūrų struktūrines ypatybes.

Pati yra atomų, esančių tam tikru atstumu vienas nuo kito ir koordinuojančių griežtai fiksuotą kitų dalelių skaičių aplink save, rinkinys. Jam būdingas pakavimo tankis, atstumas tarp sudedamųjų struktūrų ir koordinavimo skaičius. Apskritai visi šie parametrai yra viso kristalo charakteristikos, todėl atspindi metalo savybes.

Yra keletas atmainų. Jie visi turi vieną bendrą bruožą – mazguose yra atomai, o viduje yra elektronų dujų debesis, kuris susidaro laisvai judant elektronams kristalo viduje.

Kristalinių gardelių rūšys

Keturiolika grotelių struktūros variantų dažniausiai jungiami į tris pagrindinius tipus. Jie yra tokie:

1. Kūno centre kubinis.
2. Šešiakampis sandariai supakuotas.
3. Į veidą orientuotas kubinis.

Metalų kristalinė struktūra buvo tiriama tik tada, kai atsirado galimybė gauti didelio padidinimo vaizdus. O grotelių tipų klasifikaciją pirmasis pateikė prancūzų mokslininkas Bravaisas, kurio vardu jos kartais vadinamos.

Į kūną orientuotos grotelės

Šio tipo metalų kristalinės gardelės struktūra yra tokia. Tai kubas, kurio mazguose yra aštuoni atomai. Kitas yra laisvos vidinės ląstelės erdvės centre, o tai paaiškina pavadinimą „centruotas į kūną“.

Tai yra vienas iš paprasčiausių elementų elementų, taigi ir visos grotelės, struktūros variantų. Šio tipo metalai yra šie:

• molibdenas;
• vanadis;
• chromas;
• mangano;
• alfa geležis;
• beta geležies ir kt.

Pagrindinės tokių atstovų savybės yra didelis plastiškumas ir lankstumas, kietumas ir stiprumas.

Į veidą orientuotos grotelės

Metalų, turinčių į veidą orientuotą kubinę gardelę, kristalų struktūra yra tokia. Tai kubas, kuriame yra keturiolika atomų. Aštuoni iš jų sudaro gardelės mazgus, o dar šeši yra, po vieną kiekviename paviršiuje.

Jie turi panašią struktūrą:

• aliuminio;
• nikelis;
• švinas;
• gama geležis;
• vario.

Pagrindinės skiriamosios savybės – skirtingų spalvų blizgesys, lengvumas, tvirtumas, kaliumas, padidėjęs atsparumas korozijai.

Šešiakampė grotelė

Metalų su gardelėmis kristalinė struktūra yra tokia. Vieneto elementas yra pagrįstas šešiakampe prizme. Jo mazguose yra 12 atomų, dar du – pagrinduose, o trys atomai laisvai guli erdvės viduje struktūros centre. Iš viso yra septyniolika atomų.

Metalai, tokie kaip:

• alfa titanas;
• magnio;
• alfa kobaltas;
• cinko.

Pagrindinės savybės yra didelis stiprumas, stiprus sidabro blizgesys.

Metalų kristalinės struktūros defektai

Tačiau visų tipų ląstelės taip pat gali turėti natūralių trūkumų arba vadinamųjų defektų. Taip gali būti dėl įvairių priežasčių: svetimų atomų ir priemaišų metaluose, išorinių poveikių ir pan.

Todėl yra klasifikacija, kuri atspindi defektus, kuriuos gali turėti kristalinės gardelės. Chemija kaip mokslas tiria kiekvieną iš jų, siekdama nustatyti pašalinimo priežastį ir būdą, kad medžiagos savybės nepasikeistų. Taigi, defektai yra tokie.

1. Taškas. Jie būna trijų pagrindinių tipų: laisvos vietos, priemaišos arba išstumti atomai. Dėl jų pablogėja metalo magnetinės savybės, jo elektros ir šilumos laidumas.
2. Linijinis arba dislokacija. Yra kraštinių ir varžtų. Jie pablogina medžiagos stiprumą ir kokybę.
3. Paviršiaus defektai. Įtakoja metalų išvaizdą ir struktūrą.

Šiuo metu yra sukurti metodai, kaip pašalinti defektus ir gauti grynus kristalus. Tačiau visiškai išnaikinti jų neįmanoma;

Žinių apie metalų kristalinę struktūrą svarba

Iš minėtos medžiagos akivaizdu, kad žinios apie smulkiąją struktūrą ir sandarą leidžia numatyti medžiagos savybes ir joms daryti įtaką. O chemijos mokslas leidžia tai padaryti. Bendrojo lavinimo mokyklos 9 klasė mokymosi procese akcentuoja, kad mokiniai aiškiai suprastų pagrindinės loginės grandinės svarbą: kompozicija – struktūra – savybės – taikymas.

Informacija apie metalų kristalinę struktūrą yra labai aiškiai iliustruota ir leidžia mokytojui aiškiai paaiškinti ir parodyti vaikams, kaip svarbu žinoti smulkiąją struktūrą, norint teisingai ir kompetentingai panaudoti visas savybes.

Materijos struktūra.

Chemiškai sąveikauja ne atskiri atomai ar molekulės, o medžiagos.
Mūsų užduotis – susipažinti su materijos sandara.

Esant žemai temperatūrai, medžiagos yra stabilios kietos būsenos.

☼ Kiečiausia medžiaga gamtoje yra deimantas. Jis laikomas visų brangakmenių ir brangakmenių karaliumi. O pats jo pavadinimas graikiškai reiškia „nesunaikinamas“. Deimantai nuo seno buvo laikomi stebuklingais akmenimis. Buvo tikima, kad deimantus nešiojantis žmogus nepažįsta skrandžio ligų, nėra paveiktas nuodų, iki senatvės išsaugo atmintį ir linksmą nuotaiką, mėgaujasi karališkuoju palankumu.

☼ Deimantas, kuris buvo apdirbtas papuošalais – pjaustytas, poliruotas – vadinamas deimantu.

Lydant dėl ​​šiluminių virpesių sutrinka dalelių tvarka, jos tampa judrios, o cheminio ryšio pobūdis nesutrinka. Taigi esminių skirtumų tarp kietos ir skystos būsenos nėra.
Skystis įgauna takumą (t.y. geba įgauti indo formą).

Skystieji kristalai.

Skystieji kristalai buvo atrasti XIX amžiaus pabaigoje, tačiau buvo tyrinėjami per pastaruosius 20-25 metus. Daugelis šiuolaikinių technologijų rodymo įrenginių, pavyzdžiui, kai kurie elektroniniai laikrodžiai ir mini kompiuteriai, veikia skystaisiais kristalais.

Apskritai žodžiai „skystieji kristalai“ skamba ne mažiau neįprastai nei „karštas ledas“. Tačiau iš tikrųjų ledas gali būti ir karštas, nes... esant didesniam nei 10 000 atm slėgiui. vandens ledas tirpsta aukštesnėje nei 2000 C temperatūroje. „skystųjų kristalų“ derinio neįprastumas yra tas, kad skysta būsena rodo struktūros mobilumą, o kristalas – griežtą tvarką.

Jei medžiaga susideda iš pailgos arba lamelinės formos poliatominių molekulių, turinčių asimetrinę struktūrą, tada, kai ji tirpsta, šios molekulės yra tam tikru būdu orientuotos viena kitos atžvilgiu (jų ilgosios ašys yra lygiagrečios). Tokiu atveju molekulės gali laisvai judėti lygiagrečiai sau, t.y. sistema įgyja skysčiui būdingą takumo savybę. Tuo pačiu sistema išlaiko tvarkingą struktūrą, kuri lemia kristalams būdingas savybes.

Didelis tokios konstrukcijos mobilumas leidžia ją valdyti per labai silpną įtaką (terminę, elektrinę ir kt.), t.y. tikslingai keisti medžiagos savybes, įskaitant optines, sunaudojant labai mažai energijos, o tai ir naudojama šiuolaikinėse technologijose.

Kristalinių gardelių rūšys.

Bet kurią cheminę medžiagą sudaro daugybė identiškų dalelių, kurios yra tarpusavyje susijusios.
Esant žemai temperatūrai, kai šiluminis judėjimas yra sunkus, dalelės griežtai orientuojasi erdvėje ir sudaro kristalinę gardelę.

Kristalinė gardelė yra struktūra su geometriškai teisingu dalelių išdėstymu erdvėje.

Pačioje kristalinėje gardelėje išskiriami mazgai ir tarpmazginė erdvė.
Ta pati medžiaga, priklausomai nuo sąlygų (p, t,...), egzistuoja skirtingomis kristalinėmis formomis (t.y. turi skirtingas kristalines gardeles) – alotropinėmis modifikacijomis, kurios skiriasi savybėmis.
Pavyzdžiui, žinomos keturios anglies modifikacijos: grafitas, deimantas, karbinas ir lonsdaleitas.

☼ Ketvirtoji kristalinės anglies atmaina „lonsdaleitas“ yra mažai žinoma. Jis buvo aptiktas meteorituose ir gautas dirbtinai, o jo struktūra vis dar tiriama.

☼ Suodžiai, koksas ir medžio anglis buvo klasifikuojami kaip amorfiniai anglies polimerai. Tačiau dabar tapo žinoma, kad tai taip pat yra kristalinės medžiagos.

☼ Beje, suodžiuose rasta blizgių juodų dalelių, kurios buvo vadinamos „veidrodine anglimi“. Veidrodinė anglis yra chemiškai inertiška, atspari karščiui, nepralaidi dujoms ir skysčiams, turi lygų paviršių ir yra visiškai suderinama su gyvais audiniais.

☼ Grafito pavadinimas kilęs iš itališko „grafito“ – rašau, piešiu. Grafitas yra tamsiai pilkas kristalas, turintis silpną metalinį blizgesį ir sluoksniuotą gardelę. Atskiri grafito kristalo atomų sluoksniai, tarpusavyje palyginti silpnai sujungti, lengvai atsiskiria vienas nuo kito.

KRISTOLINIŲ GRANDELIŲ RŪŠYS

Medžiagų su skirtingomis kristalinėmis gardelėmis savybės (lentelė)

Jei aušinant kristalų augimo greitis yra mažas, susidaro stiklinė būsena (amorfinė).

Ryšys tarp elemento padėties periodinėje lentelėje ir jo paprastos medžiagos kristalinės gardelės.

Egzistuoja glaudus ryšys tarp elemento padėties periodinėje lentelėje ir jį atitinkančios elementinės medžiagos kristalinės gardelės.

Likusių elementų paprastos medžiagos turi metalinę kristalinę gardelę.

TEISIMAS

Išstudijuokite paskaitos medžiagą ir savo sąsiuvinyje atsakykite į šiuos klausimus:
– Kas yra krištolinė gardelė?
– Kokių tipų kristalinės gardelės egzistuoja?
- Apibūdinkite kiekvieną kristalinės gardelės tipą pagal planą:

Kas yra kristalinės gardelės mazguose, struktūrinis vienetas → Cheminio ryšio tarp mazgo dalelių tipas → Sąveikos jėgos tarp kristalo dalelių → Fizikinės savybės dėl kristalinės gardelės → Medžiagos agregatinė būsena normaliomis sąlygomis → Pavyzdžiai

Atlikite užduotis šia tema:

- Kokio tipo kristalinę gardelę turi šios kasdieniame gyvenime plačiai naudojamos medžiagos: vanduo, acto rūgštis (CH3 COOH), cukrus (C12 H22 O11), kalio trąšos (KCl), upių smėlis (SiO2) – lydymosi temperatūra 1710 0C, amoniakas (NH3), valgomoji druska? Padarykite bendrą išvadą: pagal kokias medžiagos savybes galima nustatyti jos kristalinės gardelės tipą?
Naudodami pateiktų medžiagų formules: SiC, CS2, NaBr, C2 H2 - nustatykite kiekvieno junginio kristalinės gardelės tipą (joninę, molekulinę) ir pagal tai apibūdinkite kiekvienos iš keturių medžiagų fizines savybes.
Treneris Nr.1. "Krištolinės grotelės"
Treneris Nr.2. „Bandomosios užduotys“
Testas (savikontrolė):

1) Medžiagos, kurios paprastai turi molekulinę kristalinę gardelę:
a). ugniai atsparus ir gerai tirpus vandenyje
b). tirpstantis ir nepastovus
V). Kietas ir elektrai laidus
G). Šilumai laidūs ir plastikiniai

2) Sąvoka „molekulė“ netaikoma medžiagos struktūriniam vienetui:

b). deguonies

V). deimantas

3) Atominė kristalinė gardelė būdinga:

a). aliuminis ir grafitas

b). siera ir jodas

V). silicio oksidas ir natrio chloridas

G). deimantas ir boras

4) Jei medžiaga gerai tirpsta vandenyje, turi aukštą lydymosi temperatūrą ir yra laidži elektrai, tada jos kristalinė gardelė yra:

A). molekulinis

b). atominis

V). joninės

G). metalo

Nuo seniausių laikų metalai vaidino didžiulį vaidmenį žmonijos raidoje. Jų įvedimas į kasdienį gyvenimą sukėlė tikrą revoliuciją tiek medžiagų apdirbimo metoduose, tiek žmogaus suvokime supančios tikrovę. Šiuolaikinė pramonė ir žemės ūkis, transportas ir infrastruktūra neįmanomi be metalų ir jų naudingų savybių bei savybių panaudojimo. Šias savybes savo ruožtu lemia tam tikros cheminių junginių klasės vidinė struktūra, kurios pagrindas yra kristalinė gardelė.

Kristalinės gardelės samprata ir esmė

Vidinės struktūros požiūriu bet kuri medžiaga gali būti vienoje iš trijų būsenų – skystos, dujinės ir kietos. Be to, būtent pastarasis pasižymi didžiausiu stabilumu, kurį lemia tai, kad kristalinė gardelė reiškia ne tik aiškų atomų ar molekulių išsidėstymą griežtai apibrėžtose vietose, bet ir būtinybę taikyti pakankamai didelę jėgą. nutraukti ryšius tarp šių elementariųjų dalelių.

Joninės gardelės ypatybės

Bet kurios medžiagos struktūra kietoje būsenoje būtinai apima periodinį molekulių ir atomų pasikartojimą trimis matmenimis vienu metu. Be to, priklausomai nuo to, kas yra mazgų taškuose, kristalinė gardelė gali būti joninė, atominė, molekulinė ir metalinė. Kalbant apie pirmąjį tipą, čia pagrindiniai komponentai yra priešingai įkrauti jonai, tarp kurių atsiranda ir veikia vadinamosios Kulono jėgos. Šiuo atveju sąveikos jėga tiesiogiai priklauso nuo įkrautų dalelių spindulių.

Tokia gardelė yra sudėtinga sistema, susidedanti iš metalų katijonų, tarp kurių juda neigiamo krūvio elektronai. Būtent šių elementariųjų dalelių buvimas suteikia gardelės stabilumą ir kietumą, nes jos tarnauja kaip savotiški teigiamai įkrautų katijonų kompensatoriai.

Atominės gardelės stiprumas ir silpnumas

Atominė kristalinė gardelė yra gana įdomi struktūros požiūriu. Jau iš pavadinimo galime daryti išvadą, kad jo mazguose yra atomų, kuriuos kartu laiko kovalentiniai ryšiai. Pastaraisiais metais daugelis mokslininkų tokio tipo sąveiką priskyrė neorganinių polimerų šeimai, nes tam tikros molekulės struktūrą daugiausia lemia ją sudarančių atomų valentingumas.

Pagrindinės molekulinės gardelės charakteristikos

Molekulinė kristalinė gardelė yra mažiausiai stabili iš visų pateiktų. Reikalas tas, kad jo mazguose esančių molekulių sąveikos lygis yra itin žemas, o energijos potencialą lemia daugybė veiksnių, kuriuose pagrindinį vaidmenį atlieka dispersijos, indukcijos ir orientavimo jėgos.

Kristalinės gardelės įtaka objektų savybėms

Taigi kristalinė gardelė daugiausia lemia konkrečios medžiagos savybes. Pavyzdžiui, atominiai kristalai tirpsta itin aukštoje temperatūroje ir turi didesnį kietumą, o medžiagos su metaline gardele yra puikūs laidininkai.

Dauguma kietųjų medžiagų turi kristalinis struktūra, kuriai būdinga griežtai apibrėžtas dalelių išsidėstymas. Jei sujungsite daleles įprastomis linijomis, gausite erdvinį pagrindą, vadinamą kristalinė gardelė. Taškai, kuriuose yra kristalų dalelės, vadinami gardelės mazgais. Įsivaizduojamos gardelės mazguose gali būti atomų, jonų arba molekulių.

Priklausomai nuo mazguose esančių dalelių pobūdžio ir ryšio tarp jų pobūdžio, išskiriamos keturios kristalų gardelių rūšys: joninės, metalinės, atominės ir molekulinės.

Joninės vadinamos gardelėmis, kurių mazguose yra jonų.

Jas sudaro medžiagos, turinčios joninius ryšius. Tokios gardelės mazguose yra teigiami ir neigiami jonai, sujungti vienas su kitu elektrostatinės sąveikos būdu.

Joninės kristalinės gardelės turi druskų, šarmų, aktyvūs metalų oksidai. Jonai gali būti paprasti arba sudėtingi. Pavyzdžiui, natrio chlorido gardelės vietose yra paprastųjų natrio jonų Na ir chloro Cl − , o kalio sulfato paprastųjų kalio jonų K ir kompleksinių sulfato jonų S O 4 2 − pakaitomis.

Ryšiai tarp jonų tokiuose kristaluose yra stiprūs. Todėl joninės medžiagos yra kietos, ugniai atsparios, nelakios. Tokios medžiagos yra geros ištirpinti vandenyje.

Natrio chlorido kristalinė gardelė

Natrio chlorido kristalas

Metalas vadinamos gardelėmis, kurias sudaro teigiami jonai ir metalo atomai bei laisvieji elektronai.

Jas sudaro medžiagos su metaliniais ryšiais. Metalinės gardelės mazguose yra atomai ir jonai (arba atomai, arba jonai, į kuriuos atomai lengvai virsta, atiduodami savo išorinius elektronus bendram naudojimui).

Tokios kristalinės gardelės būdingos paprastoms metalų ir lydinių medžiagoms.

Metalų lydymosi temperatūra gali būti skirtinga (nuo \(–37\) °C gyvsidabriui iki dviejų iki trijų tūkstančių laipsnių). Tačiau visi metalai turi savybę metalinis blizgesys, plastiškumas, lankstumas, gerai praleidžia elektrą ir šiluma.

Metalinės kristalinės grotelės

Aparatūra

Atominės gardelės vadinamos kristalinėmis gardelėmis, kurių mazguose yra atskiri atomai, sujungti kovalentiniais ryšiais.

Deimantas turi tokio tipo gardelę – vieną iš alotropinių anglies modifikacijų. Medžiagos, turinčios atominę kristalinę gardelę, apima grafitas, silicis, boras ir germanis, taip pat sudėtingų medžiagų, pavyzdžiui, karborundo SiC ir silicio dioksidas, kvarcas, kalnų krištolas, smėlis, kurių sudėtyje yra silicio oksido (\(IV\)) Si O 2.

Tokios medžiagos yra charakterizuojamos didelio stiprumo ir kietumas. Taigi deimantas yra kiečiausia natūrali medžiaga. Medžiagos, turinčios atominę kristalinę gardelę, turi labai aukštos lydymosi temperatūros ir verdant. Pavyzdžiui, silicio dioksido lydymosi temperatūra yra \(1728\) °C, o grafito aukštesnė - \(4000\) °C. Atominiai kristalai praktiškai netirpūs.

Deimantinė kristalinė gardelė

Deimantas

Molekulinė vadinamos gardelėmis, kurių mazguose yra molekulės, sujungtos silpnomis tarpmolekulinėmis sąveikomis.

Nepaisant to, kad molekulių viduje esantys atomai yra sujungti labai stipriais kovalentiniais ryšiais, tarp pačių molekulių veikia silpnos tarpmolekulinės traukos jėgos. Todėl molekuliniai kristalai turi mažas stiprumas ir kietumas, žemos lydymosi temperatūros ir verdant. Daugelis molekulinių medžiagų yra skysčiai ir dujos kambario temperatūroje. Tokios medžiagos yra lakios. Pavyzdžiui, kristalinis jodas ir kietas anglies monoksidas (\(IV\)) („sausasis ledas“) išgaruoja nepavirtę į skystą būseną. Kai kurios molekulinės medžiagos turi kvapas .

Šio tipo gardelėse yra paprastų medžiagų, kurios yra kietos agregacijos būsenos: tauriųjų dujų su monoatominėmis molekulėmis (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn ), taip pat nemetalai su dviejų ir poliatominės molekulės (H 2, O 2, N 2, Cl 2, I 2, O 3, P 4, S 8).

Jie turi molekulinę kristalinę gardelę taip pat medžiagos su kovalentiniais poliniais ryšiais: vanduo – ledas, kietas amoniakas, rūgštys, nemetalų oksidai. Dauguma organiniai junginiai taip pat yra molekuliniai kristalai (naftalenas, cukrus, gliukozė).