Oksidet me një rrjetë kristalore molekulare. Struktura e materies

Shumica e substancave karakterizohen nga aftësia, në varësi të kushteve, për të qenë në një nga tre gjendjet e grumbullimit: të ngurtë, të lëngët ose të gaztë.

Për shembull, uji në presion normal në intervalin e temperaturës 0-100 o C është një lëng, në temperatura mbi 100 o C mund të ekzistojë vetëm në gjendje të gaztë dhe në temperatura nën 0 o C është i ngurtë.
Substancat në gjendje të ngurtë ndahen në amorfe dhe kristalore.

Një tipar karakteristik i substancave amorfe është mungesa e një pike të qartë shkrirjeje: rrjedhshmëria e tyre gradualisht rritet me rritjen e temperaturës. Substancat amorfe përfshijnë komponime të tilla si dylli, parafina, shumica e plastikës, qelqi, etj.

Megjithatë, substancat kristalore kanë një pikë shkrirjeje specifike, d.m.th. një substancë me strukturë kristaline kalon nga një gjendje e ngurtë në një gjendje të lëngshme jo gradualisht, por papritur, me arritjen e një temperature specifike. Shembuj të substancave kristalore përfshijnë kripën e tryezës, sheqerin dhe akullin.

Dallimi në vetitë fizike të trupave të ngurtë amorfe dhe kristalor është kryesisht për shkak të veçorive strukturore të substancave të tilla. Cili është ndryshimi midis një substance në një gjendje amorfe dhe një gjendje kristalore mund të kuptohet më lehtë nga ilustrimi i mëposhtëm:

Siç mund ta shihni, në një substancë amorfe, ndryshe nga ajo kristalore, nuk ka rregull në rregullimin e grimcave. Nëse në një substancë kristalore lidhni mendërisht dy atome afër njëri-tjetrit me një vijë të drejtë, mund të zbuloni se të njëjtat grimca do të shtrihen në këtë vijë në intervale të përcaktuara rreptësisht:

Kështu, në rastin e substancave kristalore, mund të flasim për një koncept të tillë si një rrjetë kristalore.

Rrjetë kristali quhet një kornizë hapësinore që lidh pikat në hapësirë ​​në të cilat ndodhen grimcat që formojnë kristalin.

Quhen pikat në hapësirë ​​në të cilat ndodhen grimcat që formojnë kristalin nyjet e rrjetës kristalore .

Varësisht se cilat grimca ndodhen në nyjet e rrjetës kristalore, ato dallohen: molekulare, atomike, jonike Dhe grila metalike kristal .

Në nyje rrjetë kristalore molekulare

Ka molekula brenda të cilave atomet janë të lidhur me lidhje të forta kovalente, por vetë molekulat mbahen pranë njëra-tjetrës nga forca të dobëta ndërmolekulare. Për shkak të ndërveprimeve të tilla të dobëta ndërmolekulare, kristalet me një rrjetë molekulare janë të brishtë. Substancat e tilla ndryshojnë nga substancat me lloje të tjera të strukturës nga pikat e shkrirjes dhe vlimit dukshëm më të ulëta, nuk përçojnë rrymë elektrike dhe mund ose nuk mund të treten në tretës të ndryshëm. Tretësirat e komponimeve të tilla mund ose nuk mund të përcjellin rrymë elektrike, në varësi të klasës së përbërjes. Komponimet me një rrjetë kristalore molekulare përfshijnë shumë substanca të thjeshta - jometale (H 2, O 2, Cl 2 të ngurtësuar, squfur ortohombik S 8, fosfor i bardhë P 4), si dhe shumë substanca komplekse - komponime hidrogjeni të jometaleve, acidet, oksidet jometale, shumica e substancave organike. Duhet të theksohet se nëse një substancë është në gjendje të gaztë ose të lëngët, është e papërshtatshme të flasim për një rrjetë kristalore molekulare: është më e saktë të përdoret termi tip molekular i strukturës.

Në nyje rrjetë kristalore atomike

ka atome. Për më tepër, të gjitha nyjet e një rrjete të tillë kristali janë "të lidhura" së bashku përmes lidhjeve të forta kovalente në një kristal të vetëm. Në fakt, një kristal i tillë është një molekulë gjigante. Për shkak të veçorive të tyre strukturore, të gjitha substancat me një rrjetë kristalore atomike janë të ngurta, kanë pika të larta shkrirjeje, janë kimikisht joaktive, të patretshme as në ujë as në tretës organikë dhe shkrirjet e tyre nuk përçojnë rrymë elektrike. Duhet mbajtur mend se substancat me një strukturë atomike përfshijnë bor B, karbon C (diamanti dhe grafit), silic Si nga substanca të thjeshta dhe dioksid silikoni SiO 2 (kuarc), karabit silikoni SiC, nitrid bor BN nga substanca komplekse.

Për substancat me rrjetë kristalore jonike

vendet e rrjetës përmbajnë jone të lidhura me njëri-tjetrin nëpërmjet lidhjeve jonike.
Meqenëse lidhjet jonike janë mjaft të forta, substancat me një rrjetë jonike kanë fortësi dhe refraktaritet relativisht të lartë. Më shpesh, ato janë të tretshme në ujë, dhe zgjidhjet e tyre, si shkrirjet, përcjellin rrymë elektrike.
Substancat me një rrjetë kristalore jonike përfshijnë kripërat e metalit dhe të amonit (NH 4 +), bazat dhe oksidet e metaleve. Një shenjë e sigurt e strukturës jonike të një substance është prania në përbërjen e saj të dy atomeve të një metali tipik dhe të një jometali.

vërehet në kristalet e metaleve të lira, për shembull, natriumi Na, hekuri Fe, magnezi Mg, etj. Në rastin e një rrjete kristalore metalike, nyjet e saj përmbajnë katione dhe atome metalike, ndërmjet të cilave lëvizin elektronet. Në këtë rast, elektronet lëvizëse i bashkohen periodikisht kationeve, duke neutralizuar kështu ngarkesën e tyre, dhe atomet individuale të metaleve neutrale në kthim "lëshojnë" disa nga elektronet e tyre, duke u kthyer, nga ana tjetër, në katione. Në fakt, elektronet "të lira" nuk i përkasin atomeve individuale, por të gjithë kristalit.

Karakteristika të tilla strukturore çojnë në faktin se metalet përcjellin mirë nxehtësinë dhe rrymën elektrike dhe shpesh kanë duktilitet të lartë (lakueshmëri).
Përhapja e temperaturave të shkrirjes së metaleve është shumë e madhe. Për shembull, pika e shkrirjes së merkurit është afërsisht minus 39 ° C (i lëngshëm në kushte normale), dhe tungsteni është 3422 ° C. Duhet të theksohet se në kushte normale të gjitha metalet përveç merkurit janë të ngurta.

Shumica e trupave të ngurtë kanë një strukturë kristalore. Qelizë kristalore ndërtuar nga njësi strukturore identike të përsëritura, individuale për çdo kristal. Kjo njësi strukturore quhet "qeliza njësi". Me fjalë të tjera, rrjeta kristalore shërben si reflektim i strukturës hapësinore të një trupi të ngurtë.

Rrjetat kristalore mund të klasifikohen në mënyra të ndryshme.

I. Sipas simetrisë së kristaleve grilat klasifikohen në kubike, tetragonale, rombike, gjashtëkëndore.

Ky klasifikim është i përshtatshëm për vlerësimin e vetive optike të kristaleve, si dhe aktivitetin e tyre katalitik.

II. Nga natyra e grimcave, të vendosura në nyjet e rrjetës dhe sipas llojit të lidhjes kimike ka një dallim mes tyre grilat kristalore atomike, molekulare, jonike dhe metalike. Lloji i lidhjes në një kristal përcakton ndryshimin në fortësi, tretshmërinë në ujë, nxehtësinë e tretësirës dhe nxehtësinë e shkrirjes dhe përçueshmërinë elektrike.

Një karakteristikë e rëndësishme e një kristali është energjia e rrjetës kristalore, kJ/mol – energjia që duhet shpenzuar për të shkatërruar një kristal të caktuar.

Rrjetë molekulare

Kristalet molekulare përbëhet nga molekula të mbajtura në pozicione të caktuara të rrjetës kristalore nga lidhje të dobëta ndërmolekulare (forcat van der Waals) ose lidhje hidrogjenore. Këto grila janë karakteristike për substancat me lidhje kovalente.

Ka shumë substanca me një rrjetë molekulare. Këto janë një numër i madh i përbërjeve organike (sheqer, naftalinë, etj.), Ujë kristalor (akulli), dioksid karboni i ngurtë ("akulli i thatë"), halidet e ngurta të hidrogjenit, jodi, gazrat e ngurtë, përfshirë ato fisnike,

Energjia e rrjetës kristalore është minimale për substancat me molekula jopolare dhe të ulëta polare (CH 4, CO 2, etj.).

Rrjetat e formuara nga më shumë molekula polare kanë gjithashtu një energji më të lartë të rrjetës kristalore. Energjinë më të madhe e kanë grilat me substanca që formojnë lidhje hidrogjenore (H 2 O, NH 3).

Për shkak të bashkëveprimit të dobët ndërmjet molekulave, këto substanca janë të paqëndrueshme, të shkrirë, kanë fortësi të ulët, nuk përçojnë rrymë elektrike (dielektrike) dhe kanë përçueshmëri të ulët termike.

Rrjetë atomike

Në nyje rrjetë kristalore atomike ka atome të njërit ose elementeve të ndryshëm të lidhur me njëri-tjetrin me lidhje kovalente përgjatë të tre boshteve. Të tillë kristalet të cilat quhen edhe kovalente, janë relativisht të pakta në numër.

Shembuj të kristaleve të këtij lloji përfshijnë diamantin, silikonin, germaniumin, kallajin, si dhe kristalet e substancave komplekse si nitridi i borit, nitridi i aluminit, kuarci dhe karabit silikoni. Të gjitha këto substanca kanë një grilë si diamanti.

Energjia e rrjetës kristalore në substanca të tilla praktikisht përkon me energjinë e lidhjes kimike (200 – 500 kJ/mol). Kjo përcakton vetitë e tyre fizike: fortësinë e lartë, pikën e shkrirjes dhe pikën e vlimit.

Vetitë përçuese elektrike të këtyre kristaleve janë të ndryshme: diamanti, kuarci, nitridi i borit janë dielektrikë; silic, germanium – gjysmëpërçues; Kallaji gri metalik përçon mirë elektricitetin.

Në kristalet me një rrjetë kristalore atomike, është e pamundur të dallosh një njësi të veçantë strukturore. I gjithë kristali i vetëm është një molekulë gjigante.

Rrjetë jonike

Në nyje rrjetë jonike jonet pozitive dhe negative ndërrohen, ndërmjet të cilëve veprojnë forcat elektrostatike. Kristalet jonike formojnë komponime me lidhje jonike, për shembull, klorur natriumi NaCl, fluor kaliumi dhe KF, etj. Komponimet jonike mund të përfshijnë gjithashtu jone komplekse, për shembull, NO 3 -, SO 4 2 -.

Kristalet jonike janë gjithashtu një molekulë gjigante në të cilën çdo jon ndikohet ndjeshëm nga të gjithë jonet e tjera.

Energjia e rrjetës kristalore jonike mund të arrijë vlera të konsiderueshme. Pra, E (NaCl) = 770 kJ/mol, dhe E (BeO) = 4530 kJ/mol.

Kristalet jonike kanë pika të larta shkrirjeje dhe vlimi dhe forcë të lartë, por janë të brishtë. Shumë prej tyre e përçojnë dobët elektricitetin në temperaturën e dhomës (rreth njëzet rend me madhësi më të ulët se metalet), por me rritjen e temperaturës vërehet një rritje e përçueshmërisë elektrike.

Grilë metalike

Kristale metalike jepni shembuj të strukturave më të thjeshta kristalore.

Jonet metalike në rrjetën e një kristali metalik mund të konsiderohen përafërsisht në formën e sferave. Në metalet e ngurta, këto topa janë të mbushur me densitet maksimal, siç tregohet nga dendësia e konsiderueshme e shumicës së metaleve (nga 0,97 g/cm 3 për natriumin, 8,92 g/cm 3 për bakrin deri në 19,30 g/cm 3 për tungstenin dhe arin). Paketimi më i dendur i topave në një shtresë është një paketim gjashtëkëndor, në të cilin çdo top është i rrethuar nga gjashtë topa të tjerë (në të njëjtin rrafsh). Qendrat e çdo tre topi ngjitur formojnë një trekëndësh barabrinjës.

Vetitë e metaleve si duktiliteti i lartë dhe lakueshmëria tregojnë mungesën e ngurtësisë në grilat metalike: aeroplanët e tyre lëvizin mjaft lehtë në raport me njëri-tjetrin.

Elektronet e valencës marrin pjesë në formimin e lidhjeve me të gjithë atomet dhe lëvizin lirshëm në të gjithë vëllimin e një pjese metali. Kjo tregohet nga vlerat e larta të përçueshmërisë elektrike dhe përçueshmërisë termike.

Për sa i përket energjisë së rrjetës kristalore, metalet zënë një pozicion të ndërmjetëm midis kristaleve molekulare dhe kovalente. Energjia e rrjetës kristalore është:

Kështu, vetitë fizike të trupave të ngurtë varen në mënyrë të konsiderueshme nga lloji i lidhjes kimike dhe struktura.

Struktura dhe vetitë e trupave të ngurtë

(Të gjitha përkufizimet, formulat, grafikët dhe ekuacionet e reaksioneve janë dhënë në regjistrim.)

Sipas teorisë atomike-molekulare të Boyle, të gjitha substancat përbëhen nga molekula që janë në lëvizje të vazhdueshme. Por a ka ndonjë strukturë specifike në substanca? Apo janë thjesht të përbëra nga molekula që lëvizin rastësisht?

Në fakt, të gjitha substancat në gjendje të ngurtë kanë një strukturë të qartë. Atomet dhe molekulat lëvizin, por forcat e tërheqjes dhe zmbrapsjes midis grimcave janë të balancuara, kështu që atomet dhe molekulat janë të vendosura në një pikë të caktuar në hapësirë ​​(por vazhdojnë të bëjnë luhatje të vogla në varësi të temperaturës). Struktura të tilla quhen grila kristalore. Vendet në të cilat ndodhen vetë molekulat, jonet ose atomet quhen nyjet. Dhe distancat midis nyjeve quhen - periudhat e identitetit. Në varësi të pozicionit të grimcave në hapësirë, ekzistojnë disa lloje:

1. atomike;
2. jonike;
3. molekulare;
4. metalike.

Në gjendjet e lëngëta dhe të gazta, substancat nuk kanë një rrjetë të qartë, molekulat e tyre lëvizin në mënyrë kaotike, prandaj ato nuk kanë formë. Për shembull, oksigjeni, kur është në gjendje të gaztë, është një gaz pa ngjyrë, pa erë në gjendje të lëngshme (në -194 gradë) është një tretësirë ​​kaltërosh. Kur temperatura bie në -219 gradë, oksigjeni kthehet në gjendje të ngurtë dhe bëhet i kuq. grilë, ndërsa kthehet në një masë bore me ngjyrë blu.

Është interesante se substancat amorfe nuk kanë një strukturë të qartë, për këtë arsye ato nuk kanë pika të rrepta shkrirjeje dhe vlimi. Kur nxehen, rrëshira dhe plastelina zbuten gradualisht dhe bëhen të lëngshme, ato nuk kanë një fazë të qartë tranzicioni.

Rrjetë kristalore atomike

Nyjet përmbajnë atome, siç sugjeron emri. Këto substanca janë shumë të forta dhe të qëndrueshme, meqenëse midis grimcave krijohet një lidhje kovalente. Atomet fqinje ndajnë një palë elektrone me njëri-tjetrin (ose më mirë, retë e tyre elektronike janë të shtresuara njëra mbi tjetrën), dhe për këtë arsye ato janë të lidhura shumë mirë me njëra-tjetrën. Shembulli më i dukshëm është diamanti, i cili ka fortësinë më të madhe në shkallën Mohs. Është interesante se diamanti, si grafiti, përbëhet nga karbohidrate. Grafiti është një substancë shumë e brishtë (fortësia e Mohs 1), e cila është një shembull i qartë se sa varet nga lloji.

Rajoni atomik grilë i shpërndarë dobët në natyrë, përfshin: kuarc, bor, rërë, silic, oksid silikoni (IV), germanium, kristal shkëmbi. Këto substanca karakterizohen nga një pikë e lartë shkrirjeje, forcë, dhe këto komponime janë shumë të forta dhe të patretshme në ujë. Për shkak të lidhjeve shumë të forta midis atomeve, këto komponime kimike vështirë se ndërveprojnë me të tjerët dhe e përcjellin rrymën shumë dobët.

Rrjetë jonike kristalore

Në këtë lloj, jonet ndodhen në çdo nyje. Prandaj, ky lloj është karakteristik për substancat me një lidhje jonike, për shembull: klorur kaliumi, sulfat kalciumi, klorur bakri, fosfat argjendi, hidroksid bakri etj. Substancat me një skemë të tillë të lidhjes së grimcave përfshijnë;

• kripë;
• hidroksidet metalike;
• oksidet e metaleve.

Kloruri i natriumit ka jone të alternuara pozitive (Na +) dhe negative (Cl -). Një jon klori i vendosur në një nyje tërheq dy jone natriumi (për shkak të fushës elektromagnetike) që ndodhen në nyjet fqinje. Kështu, formohet një kub në të cilin grimcat janë të ndërlidhura.

Rrjeta jonike karakterizohet nga forca, refraktariteti, qëndrueshmëria, fortësia dhe jopaqëndrueshmëria. Disa substanca mund të përcjellin elektricitetin.

Rrjetë kristalore molekulare

Nyjet e kësaj strukture përmbajnë molekula që janë të paketuara fort së bashku. Substancat e tilla karakterizohen nga lidhje kovalente polare dhe jopolare. Është interesante se, pavarësisht nga lidhja kovalente, ekziston një tërheqje shumë e dobët midis grimcave (për shkak të forcave të dobëta van der Waals). Kjo është arsyeja pse substanca të tilla janë shumë të brishta, kanë pika të ulëta vlimi dhe shkrirjeje dhe janë gjithashtu të paqëndrueshme. Këto substanca përfshijnë: ujë, substanca organike (sheqer, naftalinë), monoksid karboni (IV), sulfur hidrogjeni, gazra fisnikë, dy- (hidrogjen, oksigjen, klor, azot, jod), tre- (ozon), katër- (fosfor ), substanca tetë-atomike (squfuri) etj.

Një nga veçoritë dalluese është kjo është se modeli strukturor dhe hapësinor ruhet në të gjitha fazat (si të ngurta, të lëngëta dhe të gazta).

Rrjetë kristalore metalike

Për shkak të pranisë së joneve në nyje, rrjeta metalike mund të duket se është e ngjashme me një rrjetë jonike. Në fakt, këto janë dy modele krejtësisht të ndryshme, me veti të ndryshme.

Metali është shumë më fleksibël dhe më duktil se jonik, karakterizohet nga forca, përçueshmëria e lartë elektrike dhe termike, këto substanca shkrihen mirë dhe përçojnë mirë rrymën elektrike. Kjo shpjegohet me faktin se nyjet përmbajnë jone metalike (katione) të ngarkuar pozitivisht, të cilët mund të lëvizin në të gjithë strukturën, duke siguruar kështu rrjedhën e elektroneve. Grimcat lëvizin në mënyrë kaotike rreth nyjës së tyre (ato nuk kanë energji të mjaftueshme për të shkuar përtej), por sapo shfaqet një fushë elektrike, elektronet formojnë një rrymë dhe nxitojnë nga rajoni pozitiv në atë negativ.

Rrjeta metalike e kristalit është karakteristikë e metaleve, për shembull: plumbi, natriumi, kaliumi, kalciumi, argjendi, hekuri, zinku, platini etj. Ndër të tjera, ai ndahet në disa lloje ambalazhesh: gjashtëkëndor, me në qendër trupin (më pak i dendur) dhe me në qendër fytyrën. Paketa e parë është tipike për zinkun, kobaltin, magnezin, e dyta për bariumin, hekurin, natriumin, e treta për bakrin, aluminin dhe kalciumin.

Kështu, në varësi të llojit të grilës varen shumë veti, si dhe struktura e substancës. Duke ditur llojin, mund të parashikoni, për shembull, sa do të jetë refraktariteti ose forca e një objekti.

Lëndët e ngurta ekzistojnë në gjendje kristalore dhe amorfe dhe janë kryesisht kristalore në strukturë. Dallohet nga vendndodhja e saktë e grimcave në pika të përcaktuara saktësisht, e karakterizuar nga përsëritja periodike në vëllim Nëse i lidhni mendërisht këto pika me vija të drejta, marrim një kornizë hapësinore, e cila quhet një rrjetë kristalore. Koncepti i "rrjetës kristalore" i referohet një modeli gjeometrik që përshkruan periodicitetin tredimensional në rregullimin e molekulave (atomeve, joneve) në hapësirën kristalore.

Vendndodhjet e grimcave quhen nyje grilë. Brenda kornizës ka lidhje ndërnyjore. Lloji i grimcave dhe natyra e lidhjes ndërmjet tyre: molekulat, atomet, jonet përcaktojnë gjithsej katër lloje: jonike, atomike, molekulare dhe metalike.

Nëse jonet (grimcat me ngarkesë negative ose pozitive) ndodhen në vendet e rrjetës, atëherë kjo është një rrjetë kristalore jonike, e karakterizuar nga lidhje me të njëjtin emër.

Këto lidhje janë shumë të forta dhe të qëndrueshme. Prandaj, substancat me këtë lloj strukture kanë një fortësi dhe densitet mjaft të lartë, janë jo të paqëndrueshme dhe refraktare. Në temperatura të ulëta ato veprojnë si dielektrikë. Megjithatë, kur komponime të tilla shkrihen, rrjeta kristalore jonike gjeometrikisht e saktë (rregullimi i joneve) prishet dhe lidhjet e forcës zvogëlohen.

Në temperatura afër pikës së shkrirjes, kristalet me lidhje jonike tashmë janë në gjendje të përcjellin rrymë elektrike. Komponime të tilla janë lehtësisht të tretshme në ujë dhe lëngje të tjera që përbëhen nga molekula polare.

Një rrjetë kristalore jonike është karakteristike për të gjitha substancat me një lloj lidhjeje jonik - kripërat, hidroksidet metalike, komponimet binare të metaleve me jometalet. nuk ka drejtim në hapësirë, sepse çdo jon shoqërohet me disa kundërjone njëherësh, forca e bashkëveprimit të të cilave varet nga distanca midis tyre (ligji i Kulombit). Përbërjet me lidhje jonike kanë një strukturë jo molekulare ato janë substanca të ngurta me rrjeta jonike, me polaritet të lartë, me pika të larta shkrirjeje dhe vlimi dhe janë përçues elektrik në tretësirat ujore. Komponimet me lidhje jonike praktikisht nuk gjenden kurrë në formën e tyre të pastër.

Rrjeta kristalore jonike është e natyrshme në disa hidrokside dhe okside të metaleve tipike, kripërave, d.m.th. substanca me jonike

Përveç lidhjeve jonike, kristalet përmbajnë lidhje metalike, molekulare dhe kovalente.

Kristalet që kanë një lidhje kovalente janë gjysmëpërçues ose dielektrikë. Shembuj tipikë të kristaleve atomike janë diamanti, silikoni dhe germaniumi.

Diamanti është një mineral, një modifikim (formë) kub alotropik i karbonit. Rrjeta e kristalit të diamantit është atomike dhe shumë komplekse. Në nyjet e një grilë të tillë ka atome të lidhura me njëri-tjetrin me lidhje kovalente jashtëzakonisht të forta. Diamanti përbëhet nga atome individuale të karbonit, të vendosur një nga një në qendër të një tetraedri, kulmet e të cilit janë katër atomet më të afërt. Kjo grilë karakterizohet nga një strukturë kubike e përqendruar në fytyrë, e cila përcakton fortësinë maksimale të diamantit dhe një pikë shkrirjeje mjaft të lartë. Nuk ka molekula në rrjetën e diamantit - dhe kristali mund të shihet si një molekulë mbresëlënëse.

Përveç kësaj, është karakteristikë e silikonit, borit të ngurtë, germaniumit dhe komponimeve të elementeve individuale me silikon dhe karbon (silicë, kuarc, mikë, rërë lumi, karborund). Në përgjithësi, ka relativisht pak përfaqësues me një rrjetë atomike.