Moleküler kristal kafesli oksitler. Maddenin yapısı

Çoğu madde, koşullara bağlı olarak katı, sıvı veya gaz halinde olmak üzere üç toplanma durumundan birinde olma özelliğiyle karakterize edilir.

Örneğin, 0-100 o C sıcaklık aralığında normal basınçta su sıvıdır, 100 o C'nin üzerindeki sıcaklıklarda yalnızca gaz halinde bulunabilir ve 0 o C'nin altındaki sıcaklıklarda katıdır.
Katı haldeki maddeler amorf ve kristal olarak ikiye ayrılır.

Amorf maddelerin karakteristik bir özelliği, net bir erime noktasının olmamasıdır: akışkanlıkları artan sıcaklıkla birlikte yavaş yavaş artar. Amorf maddeler arasında balmumu, parafin, çoğu plastik, cam vb. gibi bileşikler bulunur.

Yine de kristalli maddelerin belirli bir erime noktası vardır; kristal yapıya sahip bir madde, belirli bir sıcaklığa ulaştığında, yavaş yavaş değil, aniden katı halden sıvı duruma geçer. Kristalli maddelerin örnekleri arasında sofra tuzu, şeker ve buz bulunur.

Amorf ve kristal katıların fiziksel özelliklerindeki fark öncelikle bu tür maddelerin yapısal özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Amorf ve kristal haldeki bir madde arasındaki farkın ne olduğu en kolay şekilde aşağıdaki çizimden anlaşılabilir:

Gördüğünüz gibi amorf bir maddede, kristalin aksine, parçacıkların dizilişinde bir düzen yoktur. Kristalin bir maddede birbirine yakın iki atomu zihinsel olarak düz bir çizgiyle bağlarsanız, aynı parçacıkların bu çizgi üzerinde kesin olarak tanımlanmış aralıklarla uzanacağını bulabilirsiniz:

Dolayısıyla kristal maddeler söz konusu olduğunda kristal kafes gibi bir kavramdan bahsedebiliriz.

Kristal kafes kristali oluşturan parçacıkların bulunduğu uzaydaki noktaları birbirine bağlayan uzaysal çerçeve denir.

Kristali oluşturan parçacıkların uzayda bulunduğu noktalara denir. kristal kafes düğümleri .

Kristal kafesin düğümlerinde hangi parçacıkların bulunduğuna bağlı olarak bunlar ayırt edilir: moleküler, atomik, iyonik Ve metal kristal kafesler .

Düğümlerde moleküler kristal kafes

Atomların güçlü kovalent bağlarla bağlandığı moleküller vardır, ancak moleküller zayıf moleküller arası kuvvetler tarafından birbirine yakın tutulur. Bu tür zayıf moleküller arası etkileşimler nedeniyle, moleküler kafesli kristaller kırılgandır. Bu tür maddeler, önemli ölçüde daha düşük erime ve kaynama noktalarına sahip olmaları, elektrik akımını iletmemeleri ve çeşitli çözücüler içinde çözülebilmeleri veya çözülmemeleri nedeniyle diğer yapı türlerine sahip maddelerden farklılık gösterir. Bu tür bileşiklerin çözeltileri, bileşiğin sınıfına bağlı olarak elektrik akımını iletebilir veya iletmeyebilir. Moleküler kristal kafesli bileşikler birçok basit maddeyi içerir - metal olmayanlar (sertleştirilmiş H2, O2, Cl2, ortorombik kükürt S8, beyaz fosfor P4) ve ayrıca birçok karmaşık madde - metal olmayan hidrojen bileşikleri, asitler, metal olmayan oksitler, çoğu organik madde. Bir maddenin gaz veya sıvı halde olması durumunda, moleküler kristal kafes hakkında konuşmanın uygun olmadığı unutulmamalıdır: moleküler yapı tipi terimini kullanmak daha doğrudur.

Düğümlerde atomik kristal kafes

atomlar var. Dahası, böyle bir kristal kafesin tüm düğümleri, güçlü kovalent bağlarla tek bir kristal halinde birbirine "bağlanır". Aslında böyle bir kristal dev bir moleküldür. Yapısal özellikleri nedeniyle atomik kristal kafese sahip tüm maddeler katıdır, yüksek erime noktalarına sahiptir, kimyasal olarak aktif değildir, suda veya organik çözücülerde çözünmez ve eriyikleri elektrik akımı iletmez. Atomik yapıya sahip maddelerin bor B, karbon C (elmas ve grafit), basit maddelerden silikon Si ve karmaşık maddelerden silikon dioksit Si02 (kuvars), silikon karbür SiC, bor nitrür BN içerdiği unutulmamalıdır.

olan maddeler için iyonik kristal kafes

Kafes bölgeleri birbirine iyonik bağlarla bağlanan iyonları içerir.
İyonik bağlar oldukça güçlü olduğundan iyonik kafese sahip maddeler nispeten yüksek sertliğe ve refrakterliğe sahiptir. Çoğu zaman suda çözünürler ve eriyik gibi çözeltileri elektrik akımını iletir.
İyonik kristal kafesli maddeler arasında metal ve amonyum tuzları (NH4+), bazlar ve metal oksitler bulunur. Bir maddenin iyonik yapısının kesin bir işareti, bileşiminde hem tipik bir metal hem de metal olmayan atomların bulunmasıdır.

serbest metallerin kristallerinde gözlenir, örneğin sodyum Na, demir Fe, magnezyum Mg, vb. Metal kristal kafes durumunda, düğümleri arasında elektronların hareket ettiği katyonlar ve metal atomları bulunur. Bu durumda, hareketli elektronlar periyodik olarak katyonlara bağlanır, böylece yüklerini nötralize ederler ve bunun karşılığında tek tek nötr metal atomları elektronlarının bir kısmını "serbest bırakır" ve sırayla katyonlara dönüşür. Aslında "serbest" elektronlar tek tek atomlara değil, kristalin tamamına aittir.

Bu tür yapısal özellikler, metallerin ısıyı ve elektrik akımını iyi iletmesine ve çoğu zaman yüksek sünekliğe (dövülebilirliğe) sahip olmasına yol açar.
Metallerin erime sıcaklıklarının yayılımı çok büyüktür. Örneğin, cıvanın erime noktası yaklaşık olarak eksi 39 °C'dir (normal koşullar altında sıvı) ve tungstenin erime noktası ise 3422 °C'dir. Normal koşullar altında cıva dışındaki tüm metallerin katı olduğu unutulmamalıdır.

Çoğu katı kristal yapıya sahiptir. Kristal kafes Her kristal için ayrı ayrı tekrarlanan aynı yapısal birimlerden yapılmıştır. Bu yapısal birime “birim hücre” denir. Başka bir deyişle kristal kafes, bir katının uzaysal yapısının bir yansıması olarak hizmet eder.

Kristal kafesler farklı şekillerde sınıflandırılabilir.

BEN. Kristallerin simetrisine göre Kafesler kübik, dörtgen, eşkenar dörtgen ve altıgen olarak sınıflandırılır.

Bu sınıflandırma, kristallerin optik özelliklerinin yanı sıra katalitik aktivitelerinin değerlendirilmesi için de uygundur.

II. Parçacıkların doğası gereği kafes düğümlerinde bulunur ve kimyasal bağ türüne göre aralarında bir fark var atomik, moleküler, iyonik ve metal kristal kafesler. Bir kristaldeki bağın türü sertlikteki farkı, sudaki çözünürlüğü, çözelti ısısının ve füzyon ısısının büyüklüğünü ve elektriksel iletkenliği belirler.

Bir kristalin önemli bir özelliği kristal kafes enerjisi, kJ/mol – Belirli bir kristali yok etmek için harcanması gereken enerji.

Moleküler kafes

Moleküler kristaller Zayıf moleküller arası bağlar (van der Waals kuvvetleri) veya hidrojen bağları tarafından kristal kafesin belirli pozisyonlarında tutulan moleküllerden oluşur. Bu kafesler kovalent bağları olan maddelerin karakteristiğidir.

Moleküler kafese sahip birçok madde vardır. Bunlar çok sayıda organik bileşik (şeker, naftalin vb.), kristal su (buz), katı karbon dioksit ("kuru buz"), katı hidrojen halojenürler, iyot, soylu olanlar dahil katı gazlar,

Polar olmayan ve düşük polar moleküllere (CH4, CO2, vb.) sahip maddeler için kristal kafesin enerjisi minimumdur.

Daha polar moleküllerin oluşturduğu kafesler aynı zamanda daha yüksek kristal kafes enerjisine sahiptir. Hidrojen bağları oluşturan maddeler (H2O, NH3) içeren kafesler en yüksek enerjiye sahiptir.

Moleküller arasındaki zayıf etkileşim nedeniyle bu maddeler uçucudur, eriyebilir, sertliği düşüktür, elektrik akımını iletmez (dielektrik) ve düşük ısı iletkenliğine sahiptir.

Atomik kafes

Düğümlerde atomik kristal kafesüç eksen boyunca birbirine kovalent bağlarla bağlanan bir veya farklı elementlerin atomları vardır. Çok kristaller bunlara da denir kovalent sayıları nispeten azdır.

Bu tip kristallerin örnekleri arasında elmas, silikon, germanyum, kalay ve ayrıca bor nitrür, alüminyum nitrür, kuvars ve silisyum karbür gibi karmaşık maddelerin kristalleri yer alır. Bütün bu maddelerin elmas benzeri bir kafesi var.

Bu tür maddelerdeki kristal kafesin enerjisi pratik olarak kimyasal bağın enerjisiyle (200 – 500 kJ/mol) çakışır. Bu onların fiziksel özelliklerini belirler: yüksek sertlik, erime noktası ve kaynama noktası.

Bu kristallerin elektriksel olarak iletken özellikleri çeşitlidir: elmas, kuvars, bor nitrür dielektriktir; silikon, germanyum – yarı iletkenler; Metalik gri kalay elektriği iyi iletir.

Atomik kristal kafesli kristallerde ayrı bir yapısal birimi ayırt etmek imkansızdır. Tek kristalin tamamı dev bir molekül.

İyonik kafes

Düğümlerde iyonik kafes Aralarında elektrostatik kuvvetlerin etki ettiği pozitif ve negatif iyonlar değişir. İyonik kristaller, örneğin sodyum klorür NaCl, potasyum florür ve KF, vb. gibi iyonik bağlara sahip bileşikler oluşturur. İyonik bileşikler ayrıca, örneğin NO3-, S042- gibi karmaşık iyonları da içerebilir.

İyonik kristaller aynı zamanda her iyonun diğer tüm iyonlardan önemli ölçüde etkilendiği dev bir moleküldür.

İyonik kristal kafesin enerjisi önemli değerlere ulaşabilir. Yani E (NaCl) = 770 kJ/mol ve E (BeO) = 4530 kJ/mol.

İyonik kristaller yüksek erime ve kaynama noktalarına ve yüksek mukavemete sahiptir ancak kırılgandırlar. Birçoğu elektriği oda sıcaklığında zayıf bir şekilde iletir (metallerden yaklaşık yirmi kat daha düşük), ancak artan sıcaklıkla birlikte elektrik iletkenliğinde bir artış gözlenir.

Metal ızgara

Metal kristaller En basit kristal yapılarına örnekler verin.

Bir metal kristalinin kafesindeki metal iyonları yaklaşık olarak küreler şeklinde düşünülebilir. Katı metallerde bu toplar, çoğu metalin önemli yoğunluğunun gösterdiği gibi maksimum yoğunlukla paketlenir (sodyum için 0,97 g/cm3, bakır için 8,92 g/cm3 ila tungsten ve altın için 19,30 g/cm3). Bir katmandaki topların en yoğun paketlenmesi, her topun (aynı düzlemde) diğer altı topla çevrelendiği altıgen bir pakettir. Bitişik üç topun merkezleri bir eşkenar üçgen oluşturur.

Metallerin yüksek süneklik ve dövülebilirlik gibi özellikleri, metal ızgaralarda sertlik eksikliğini gösterir: düzlemleri birbirine göre oldukça kolay hareket eder.

Değerlik elektronları tüm atomlarla bağ oluşumuna katılır ve bir metal parçasının tüm hacmi boyunca serbestçe hareket eder. Bu, yüksek elektriksel iletkenlik ve termal iletkenlik değerleri ile gösterilir.

Kristal kafes enerjisi açısından metaller, moleküler ve kovalent kristaller arasında bir ara pozisyonda bulunur. Kristal kafesin enerjisi:

Bu nedenle katıların fiziksel özellikleri büyük ölçüde kimyasal bağın türüne ve yapısına bağlıdır.

Katıların yapısı ve özellikleri

(Reaksiyonların tüm tanımları, formülleri, grafikleri ve denklemleri kayıt altında verilmiştir.)

Boyle'un atom-moleküler teorisine göre tüm maddeler sürekli hareket halinde olan moleküllerden oluşur. Peki maddelerde belirli bir yapı var mıdır? Yoksa rastgele hareket eden moleküllerden mi oluşuyorlar?

Aslında katı halde olan tüm maddelerin belirgin bir yapısı vardır. Atomlar ve moleküller hareket eder ancak parçacıklar arasındaki çekim ve itme kuvvetleri dengeli olduğundan atomlar ve moleküller uzayda belirli bir noktada bulunurlar (ancak sıcaklığa bağlı olarak küçük dalgalanmalar yapmaya devam ederler). Bu tür yapılara denir kristal kafesler. Moleküllerin, iyonların veya atomların kendilerinin bulunduğu yerlere denir. düğümler. Ve düğümler arasındaki mesafelere denir - kimlik dönemleri. Parçacıkların uzaydaki konumuna bağlı olarak birkaç türü vardır:

1. atomik;
2. iyonik;
3. moleküler;
4. metal.

Sıvı ve gaz halindeki maddelerin net bir kafesi yoktur; molekülleri düzensiz hareket eder, bu yüzden şekilleri yoktur. Örneğin oksijen gaz halindeyken renksiz, kokusuz bir gazdır; sıvı haldeyken (-194 derecede) mavimsi bir çözeltidir. Sıcaklık -219 dereceye düştüğünde oksijen katı hale geçerek kırmızı renk alır. kafes, kar benzeri mavi renkli bir kütleye dönüşürken.

İlginçtir ki amorf maddeler net bir yapıya sahip değildir, bu nedenle kesin erime ve kaynama noktalarına sahip değildirler. Reçine ve hamuru ısıtıldığında yavaş yavaş yumuşar ve sıvı hale gelir; net bir geçiş fazına sahip değildirler.

Atomik kristal kafes

Düğümler adından da anlaşılacağı gibi atomlar içerir. Bu maddeler çok güçlü ve dayanıklıdırÇünkü parçacıklar arasında kovalent bir bağ oluşur. Komşu atomlar birbirleriyle bir çift elektron paylaşırlar (veya daha doğrusu elektron bulutları üst üste katmanlanmıştır) ve bu nedenle birbirlerine çok iyi bağlanırlar. En bariz örnek, Mohs ölçeğine göre en büyük sertliğe sahip olan elmastır. İlginçtir ki elmas da grafit gibi karbonhidratlardan oluşur. Grafit çok kırılgan bir maddedir (Mohs sertliği 1), bu da ne kadarının türüne bağlı olduğunun açık bir örneğidir.

Atom bölgesi kafes doğada zayıf bir şekilde dağılmış olup şunları içerir: kuvars, bor, kum, silikon, silikon oksit (IV), germanyum, kaya kristali. Bu maddeler yüksek erime noktası, dayanıklılık ile karakterize edilir ve bu bileşikler çok serttir ve suda çözünmez. Atomlar arasındaki bağların çok güçlü olması nedeniyle bu kimyasal bileşikler diğerleriyle pek etkileşime girmez ve akımı çok zayıf iletir.

İyonik kristal kafes

Bu tipte iyonlar her düğümde bulunur. Buna göre, bu tip iyonik bağları olan maddelerin karakteristiğidir, örneğin: potasyum klorür, kalsiyum sülfat, bakır klorür, gümüş fosfat, bakır hidroksit vb. Böyle bir parçacık bağlantı şemasına sahip maddeler şunları içerir:;

• tuz;
• metal hidroksitler;
• metal oksitler.

Sodyum klorür, alternatif pozitif (Na +) ve negatif (Cl -) iyonlara sahiptir. Bir düğümde bulunan bir klor iyonu, komşu düğümlerde bulunan iki sodyum iyonunu (elektromanyetik alan nedeniyle) çeker. Böylece parçacıkların birbirine bağlandığı bir küp oluşur.

İyonik kafes, mukavemet, refrakterlik, stabilite, sertlik ve uçucu olmama ile karakterize edilir. Bazı maddeler elektriği iletebilir.

Moleküler kristal kafes

Bu yapının düğümleri birbirine sıkı bir şekilde paketlenmiş moleküller içerir. Bu tür maddeler kovalent polar ve polar olmayan bağlarla karakterize edilir. İlginçtir ki, kovalent bağdan bağımsız olarak parçacıklar arasında çok zayıf bir çekim vardır (zayıf van der Waals kuvvetlerinden dolayı). Bu tür maddelerin çok kırılgan olmasının, kaynama ve erime noktalarının düşük olmasının ve aynı zamanda uçucu olmasının nedeni budur. Bu maddeler şunları içerir: su, organik maddeler (şeker, naftalin), karbon monoksit (IV), hidrojen sülfür, soy gazlar, iki- (hidrojen, oksijen, klor, nitrojen, iyot), üç- (ozon), dört- (fosfor) ), sekiz atomlu (kükürt) maddeler vb.

Ayırt edici özelliklerden biri de yani yapısal ve mekansal model tüm aşamalarda (katı, sıvı ve gaz) korunur.

Metal kristal kafes

Düğümlerdeki iyonların varlığından dolayı metal kafes iyonik kafese benzer görünebilir. Aslında bunlar farklı özelliklere sahip, tamamen farklı iki modeldir.

Metal iyoniğe göre çok daha esnek ve sünektir, mukavemeti, yüksek elektrik ve ısı iletkenliği ile karakterize edilir, bu maddeler iyi erir ve elektrik akımını iyi iletir. Bu, düğümlerin yapı boyunca hareket edebilen ve böylece elektron akışını sağlayan pozitif yüklü metal iyonları (katyonlar) içermesiyle açıklanmaktadır. Parçacıklar düğümlerinin etrafında düzensiz bir şekilde hareket ederler (ötesine geçmek için yeterli enerjileri yoktur), ancak bir elektrik alanı ortaya çıktığı anda elektronlar bir akım oluşturur ve pozitif bölgeden negatif bölgeye doğru koşar.

Metal kristal kafes metallerin karakteristiğidir, örneğin: kurşun, sodyum, potasyum, kalsiyum, gümüş, demir, çinko, platin vb. Diğer şeylerin yanı sıra, çeşitli ambalaj türlerine ayrılmıştır: altıgen, gövde merkezli (en az yoğun) ve yüz merkezli. İlk paket çinko, kobalt, magnezyum için tipiktir, ikincisi baryum, demir, sodyum için, üçüncüsü bakır, alüminyum ve kalsiyum için tipiktir.

Böylece, ızgara tipine bağlı olarak birçok özellik maddenin yapısına olduğu kadar bağlıdır. Türünü bilerek, örneğin bir nesnenin refrakterliğinin veya gücünün ne olacağını tahmin edebilirsiniz.

Katılar kristal ve amorf hallerde bulunur ve çoğunlukla kristal yapıdadır. Hacimdeki periyodik tekrarlama ile karakterize edilen, parçacıkların kesin olarak tanımlanmış noktalardaki doğru konumu ile ayırt edilir. Bu noktaları zihinsel olarak düz çizgilerle birleştirirseniz, kristal kafes adı verilen uzamsal bir çerçeve elde ederiz. "Kristal kafes" kavramı, kristal uzayda moleküllerin (atomlar, iyonlar) düzenlenmesindeki üç boyutlu periyodikliği tanımlayan geometrik bir modeli ifade eder.

Parçacıkların konumlarına kafes düğümleri denir. Çerçeve içerisinde düğümler arası bağlantılar mevcuttur. Parçacıkların türü ve aralarındaki bağlantının doğası: moleküller, atomlar, iyonlar toplam dört türü belirler: iyonik, atomik, moleküler ve metalik.

Kafes bölgelerinde iyonlar (negatif veya pozitif yüklü parçacıklar) bulunuyorsa, bu, aynı adı taşıyan bağlarla karakterize edilen iyonik bir kristal kafestir.

Bu bağlantılar çok güçlü ve istikrarlıdır. Dolayısıyla bu tip yapıya sahip maddeler oldukça yüksek sertliğe ve yoğunluğa sahiptir, uçucu değildir ve refrakterdir. Düşük sıcaklıklarda dielektrik görevi görürler. Ancak bu tür bileşikler eridiğinde geometrik olarak doğru iyonik kristal kafes (iyonların düzeni) bozulur ve bağların gücü azalır.

Erime noktasına yakın sıcaklıklarda iyonik bağlara sahip kristaller zaten elektrik akımını iletebilmektedir. Bu tür bileşikler suda ve polar moleküllerden oluşan diğer sıvılarda kolayca çözünür.

İyonik bir kristal kafes, iyonik tipte bir bağa sahip tüm maddelerin karakteristiğidir - tuzlar, metal hidroksitler, metallerin metal olmayan ikili bileşikleri. uzayda yönlülüğü yoktur, çünkü her iyon aynı anda birkaç karşıt iyonla ilişkilidir ve etkileşimin gücü aralarındaki mesafeye bağlıdır (Coulomb yasası). İyonik bağlı bileşikler moleküler olmayan bir yapıya sahiptir; iyonik kafeslere sahip, yüksek polariteli, yüksek erime ve kaynama noktalarına sahip katı maddelerdir ve sulu çözeltilerde elektriksel olarak iletkendirler. İyonik bağa sahip bileşikler pratikte hiçbir zaman saf formda bulunmaz.

İyonik kristal kafes, tipik metallerin, tuzların bazı hidroksitlerinde ve oksitlerinde doğaldır; iyonik maddeler

İyonik bağların yanı sıra kristaller metalik, moleküler ve kovalent bağlar da içerir.

Kovalent bağa sahip kristaller yarı iletken veya dielektriktir. Atomik kristallerin tipik örnekleri elmas, silikon ve germanyumdur.

Elmas, karbonun allotropik kübik modifikasyonu (formu) olan bir mineraldir. Elmasın kristal kafesi atomiktir ve çok karmaşıktır. Böyle bir kafesin düğümlerinde birbirine son derece güçlü kovalent bağlarla bağlanan atomlar vardır. Elmas, köşeleri en yakın dört atom olan bir tetrahedronun merkezinde teker teker düzenlenmiş bireysel karbon atomlarından oluşur. Bu kafes, elmasın maksimum sertliğini ve oldukça yüksek bir erime noktasını belirleyen, yüzey merkezli kübik bir yapı ile karakterize edilir. Elmas kafesinde molekül yoktur ve kristal etkileyici bir molekül olarak görülebilir.

Ek olarak, silikon, katı bor, germanyum ve bireysel elementlerin silikon ve karbonlu bileşikleri (silis, kuvars, mika, nehir kumu, karborundum) karakteristiktir. Genel olarak atomik kafese sahip nispeten az sayıda temsilci vardır.