Урок №53. Кристаллические решётки


Строение вещества

В химические взаимодействия вступают не отдельные атомы или молекулы, а вещества.

Наша задача познакомиться со строением вещества.

   

При низких температурах для веществ устойчиво твёрдое состояние.

Самым твёрдым веществом в природе является алмаз. Он считается царём всех самоцветов и драгоценных камней. Да и само его название означает по-гречески «несокрушимый». На алмазы с давних пор смотрели как на чудодейственные камни. Считалось, что человек, носящий алмазы, не знает болезней желудка, на него не действует яд, он сохраняет до глубокой старости память и весёлое расположение духа, пользуется царской милостью.

Алмаз, подвергнутый ювелирной обработке – огранке, шлифовке, называют бриллиантом.

 При плавлении в результате тепловых колебаний порядок частиц нарушается, они становятся подвижными, при этом характер химической связи не нарушается. Таким образом, между твёрдым и жидким состояниями принципиальных различий нет.

У жидкости появляется текучесть (т. е. способность принимать форму сосуда).

 

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы открыты в конце XIX века, но изучены в  последние 20-25 лет. Многие показывающие устройства современной техники, например некоторые электронные часы, мини-ЭВМ, работают на жидких кристаллах.

В общем-то слова «жидкие кристаллы» звучат не менее необычно, чем «горячий лёд» . Однако на самом деле и лёд может быть горячим, т.к. при давлении более 10000 атм. водяной  лёд  плавится при температуре выше 2000 С. Необычность сочетания «жидкие кристаллы» состоит в том, что жидкое состояние указывает на подвижность структуры, а кристалл предполагает строгую упорядоченность.

Если вещество состоит из многоатомных молекул вытянутой или пластинчатой формы и имеющих несимметричное строение, то при его плавлении эти молекулы ориентируются определённым образом друг относительно друга (их длинные оси располагаются параллельно). При этом молекулы могут свободно перемещаться параллельно самим себе, т.е. система приобретает свойство текучести, характерное для жидкости. В то же время система сохраняет упорядоченную структуру, обусловливающую свойства, характерное для кристаллов.

Высокая подвижность такой структуры даёт возможность управлять ею путём очень слабых воздействий (тепловых, электрических и др.), т.е. целенаправленно изменять свойства вещества, в том числе оптические, с очень малыми затратами энергии, что и используется в современной технике.

Типы кристаллических решёток

Любое химическое вещество образованно большим числом одинаковых частиц, которые связаны между собою.

При низких температурах, когда тепловое движение затруднено, частицы строго ориентируются в пространстве и образуют кристаллическую решётку.

Кристаллическая решетка – это структура с геометрически правильным расположением частиц в пространстве. 

В самой кристаллической решетке различают узлы и межузловое пространство.

Одно и то же вещество в зависимости от условий (p, t,…)  существует в различных кристаллических формах (т.е. имеют разные кристаллические решетки) – аллотропных модификациях, которые отличаются по свойствам.

Например, известно четыре модификации углерода – графит, алмаз, карбин и лонсдейлит.

 

Четвёртая разновидность кристаллического углерода «лонсдейлит» мало кому известна. Он обнаружен в метеоритах и получен искусственно, а строение его ещё изучается.

Сажу, кокс, древесный уголь относили к аморфным полимерам углерода. Однако теперь стало известно, что это тоже кристаллические вещества.

Кстати, в саже обнаружили блестящие чёрные частицы, которые назвали «зеркальным углеродом». Зеркальный углерод химически инертен, термостоек, непроницаем для газов и жидкостей, обладает гладкой поверхностью и абсолютной совместимостью с живыми тканями.

Название графита происходит от итальянского «граффитто» - пишу, рисую. Графит представляет собой тёмно – серые кристаллы со слабым металлическим блеском, имеет слоистую решётку. Отдельные слои атомов в кристалле графита, связанные между собой сравнительно слабо, легко отделяются друг от друга.

ТИПЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЁТОК

 

ионная

атомная

молекулярная

металлическая

Что в узлах кристаллической решётки, структурная единица

ионы


атомы

 

молекулы 

атомы и катионы


Тип химической связи между частицами узла

ионная

ковалентная: полярная и неполярная

ковалентная: полярная и неполярная

металлическая

Силы взаимодействия между частицами кристалла

электростати-

ческие

ковалентные

межмолекуляр-

ные

электростати-

ческие

Физические свойства, обусловленные кристаллической решёткой

·       силы притяжения между ионами велики,

·       Тпл.↑ (тугоплавкте),

·       легко растворяются в воде,

·       расплав и р-р проводит эл.ток,

·       нелетучи (не имеют запаха)

 

·       ковалентные связи между атомами велики,

·       Тпл. и Tкип очень↑,

·       в воде не растворяются,

·       расплав не проводит эл.ток

 

·       силы притяжения между молекулами невелики,

·       Тпл.↓,

·       некоторые растворяются в воде,

·       обладают запахом – летучи

 

·       силы взаимодействия велики,

·       Тпл.↑,

·       Высокие тепло и электропроводность

 

Агрегатное состояние вещества при обычных условиях

твёрдое

твёрдое

твёрдое,

газообразное,

жидкое

твёрдое,

жидкое(Нg)

Примеры

большинство солей, щелочей, оксиды типичных металлов

С (алмаз, графит), Si, Ge, B, SiO2, CaC2,

SiC (карборунд), BN, Fe3C, TaC(tпл.=38000С)

Красный и чёрный фосфор. Оксиды некоторых металлов.

все газы, жидкости, большинство неметаллов: инертные газы, галогены, H2, N2, O2, O3, P4 (белый), S8. Водородные соединения неметаллов, оксиды неметаллов: H2O,

CO2 «сухой лёд». Большинство органических соединений.

Металлы, сплавы


Если скорость роста кристаллов мала при охлаждении – образуется стеклообразное состояние (аморфное). 

  1. Взаимосвязь между положением  элемента в Периодической системе и кристаллической решёткой его простого вещества.

Между положением элемента в периодической системе и кристаллической решёткой его соответствующего простого вещества существует тесная взаимосвязь.

 

г  р  у  п  п  а

 

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

 

 

п

е

р

и

о

д

I

 

 

 

 

 

 

 

H2

He

II

 

Li

Be

B

C

N2

O2

F2

Ne

III

 

Na

Mg

Al

Si

P4

S8

Cl2

Ar

IV

 

K

Ca

Ga

Ge

As

Se

Br2

Kr

V

Rb

Sr

In

Sn

Sb

Te

I2

Xe

Тип

кристаллической   решётки 

металлическая

атомная

молекулярная

Простые вещества остальных элементов имеют металлическую кристаллическую решётку.

 ЗАКРЕПЛЕНИЕ

Изучите материал лекции, ответьте на следующие вопросы письменно в тетради:

  1. Что такое кристаллическая решётка?
  2. Какие виды кристаллических решёток существуют?
  3. Охарактеризуйте каждый вид кристаллической решётки по плану: Что в узлах кристаллической решётки, структурная единица → Тип химической связи между частицами узла → Силы взаимодействия между частицами кристалла → Физические свойства, обусловленные кристаллической решёткой → Агрегатное состояние вещества при обычных условиях  → Примеры

Выполните задания по данной теме:

  1.  Какой тип кристаллической решётки у следующих широко используемых в быту веществ: вода, уксусная кислота (CH3COOH), сахар (C12H22O11), калийное удобрение (KCl), речной песок (SiO2) – температура плавления 1710 0C, аммиак (NH3), поваренная соль? Сделайте обобщённый вывод: по каким свойствам вещества можно определить тип его кристаллической решётки?
  2. По формулам приведённых веществ: SiC, CS2, NaBr, C2H2  - определите тип кристаллической решётки (ионная, молекулярная) каждого соединения и на основе этого опишите физические свойства каждого из четырёх веществ.
  3. Тренажёр №1.  "Кристаллические решётки"
  4. Тренажёр №2. "Тестовые задания"
  5. Тест (самоконтроль):

1)       Вещества, имеющие молекулярную кристаллическую решётку, как правило:

a). тугоплавки и хорошо растворимы в воде                  
б). легкоплавки и летучи
в). Тверды и электропроводны                                        
г). Теплопроводны и пластичны

2) Понятия «молекула»  не применимо по отношению к структурной единице вещества:

a). вода                                                                               

б). кислород 

в). алмаз                                                                             

г). озон

3)       Атомная кристаллическая решётка характерна для:

a). алюминия  и графита                                                    

б). серы и йода

в). оксида кремния и хлорида натрия                               

г). алмаза и бора

4)       Если вещество хорошо растворимо в воде, имеет высокую температуру плавления,  электропроводно, то его кристаллическая решётка:

 а).  молекулярная                                                                

б).  атомная

в).  ионная                                                                             

г).  металлическая


Ċ
Галина Пчёлкина,
13 дек. 2014 г., 8:45