Нина Игнатьева
Кристаллические аморфные вещества
Кристаллические и аморфные вещества.
Вещества, которые нас окружают, как правило, находятся в твердом агрегатном состоянии. Большинство физических свойств веществ обусловлено их внутренним строением.
По внутреннему строению и физическим свойствам различают два состояния твердых веществ - аморфный и кристаллический.
Публикация «Кристаллические аморфные вещества» размещена в разделах
Аморфные вещества не образуют правильной геометрической структуры, представляя собой структуры с неупорядоченным расположением частиц (атомов или молекул). В отличие от кристаллических веществ, имеющих вполне определенную температуру плавления, аморфные вещества плавятся в широком интервале температур. При нагревании они постепенно размягчаются, затем начинают растекаться и, наконец, становятся редкими. Иногда аморфные вещества рассматривают как жидкости с очень большой вязкостью. В отличие от кристаллических веществ, которые характеризуются правильной повторяемостью расположения атомов на больших расстояниях, в аморфных веществах, подобно жидкостей, частицы расположены хаотично. Примерами аморфных веществ является стекло и смолы.
Некоторые вещества могут находиться и в кристаллическом, и в аморфном состояниях - например, сера, кремний (ИУ) оксид и тому подобное. Многие вещества могут быть переведены из аморфного состояния в кристаллическое и наоборот. Так, аморфное стекло при хранении «розскляновуеться», то есть в нем появляются мелкие кристаллики. Вследствие этого старое стекло при нагревании разбивается и трескается легче и чаще, чем только изготовлено. Аморфные вещества больше отличаются от кристаллических по физическим свойствам.
Твердые вещества, как правило, имеют кристаллическое строение. Оно характеризуется правильным расположением частиц в строго определенных точках пространства. При мысленном соединении этих точек пересекающимися прямыми линиями образуется пространственный каркас, который называют кристаллической решеткой.
Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки. В узлах воображаемой решетки могут находиться ионы, атомы или молекулы. Они совершают колебательные движения. С повышением температуры амплитуда колебаний возрастает, что проявляется в тепловом расширении тел.
В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток : ионные, атомные, молекулярные и металлические.
Кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются ионными. Их образуют вещества с ионной связью. Примером может служит кристалл хлорида натрия, в котором, как уже отмечалось, каждый ион натрия окружен шестью хлорид-ионами, а каждый хлорид-ион — шестью ионами натрия. Такому расположению соответствует наиболее плотная упаковка, если ионы представить в виде шаров, размещенных в кристалле. Очень часто кристаллические решетки изображают, как показано на рис
В зависимости от характера частиц, образующих кристалл, и от типа химической связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток : металлические, ионные, молекулярные и атомные.
Кристаллические решетки, состоящие из молекул (полярных и неполярных, называются молекулярными.
Молекулы в таких решетках соединены между собой сравнительно слабыми межмолекулярными силами. Поэтому вещества с молекулярной решеткой имеют малую твердость и низкие температуры плавления, нерастворимы или малорастворимы в воде, их растворы почти не проводят электрический ток. Число неорганических веществ с молекулярной решеткой невелико.
Примерами их являются лед, твердый оксид углерода (IV) ("сухой лед", твердые галогеноводороды, твердые простые вещества, образованные одно- (благородные газы, двух- (F2, Сl2, Br2, I2, Н2, О2, N2, трех- (О3, четырех- (Р4, восьми- (S8) атомными молекулами. Молекулярная кристаллическая решетка йода показана на
Большинство кристаллических органических соединений имеют молекулярную решетку.
Ионная кристаллическая решетка.
Если в узлах решетки расположены ионы (частицы с отрицательным или положительным зарядом, то это ионная кристаллическая решетка, характеризующаяся одноименными связями.
Эти связи весьма прочны и стабильны. Поэтому вещества с таким типом строения обладают достаточно высокой твердостью и плотностью, нелетучи и тугоплавки. При низких температурах они проявляют себя как диэлектрики. Однако при плавлении таких соединений нарушается геометрически правильная ионная кристаллическая решетка (расположение ионов) и уменьшаются прочностные связи.
При температуре, близкой к температуре плавления, кристаллы с ионной связью уже способны проводить электрический ток. Такие соединения легко растворимы в воде и других жидкостях, которые состоят из полярных молекул.
Ионная кристаллическая решетка свойственна всем веществам с ионным типом связи - соли, гидроксиды металлов, бинарные соединения металлов с неметаллами. Ионная связь не имеет направленности в пространстве, потому что каждый ион связан сразу с несколькими противоионами, сила взаимодействия которых зависит от расстояния между ними. Ионно-связанные соединения имеют немолекулярное строение, они представляют собой твердые вещества с ионными решетками, высокой полярностью, высокими температурами плавления и кипения, в водных растворах являющиеся электропроводными. Соединений с ионными связями в чистом виде практически не встречается.
Ионная кристаллическая решетка присуща некоторым гидроксидам и оксидам типичных металлов, солям, т. е. веществам с ионной химической связью.
Данные типы кристаллических решеток присутствуют в соединениях с ионным типом связи. В этом случае узлы решетки содержат ионы, обладающие противоположным электрическим зарядом. Благодаря электромагнитному полю, силы межионного взаимодействия оказываются достаточно сильными, и это обуславливает физические свойства вещества. Обычными характеристиками являются тугоплавкость, плотность, твердость и возможность проводить электрический ток. Ионные типы кристаллических решеток имеются у таких веществ, как поваренная соль, нитрат калия и прочие.
Металлическая кристаллическая решетка.
Металлической называется такая кристаллическая решетка, узлы которой сформированы атомами и положительными ионами (катионами) металла со свободными валентными электронами (отцепившимися от атомов при образовании ионов, беспорядочно движущимися в объеме кристалла. Однако эти электроны по существу являются полусвободными, так как могут беспрепятственно перемещаться только в рамках, которые ограничивает данная кристаллическая решетка.
Электростатические электроны и положительные ионы металлов взаимно притягиваются, чем объясняется стабильность металлической кристаллической решетки. Совокупность свободных движущихся электронов называют электронным газом – он обеспечивает хорошую электропроводность и теплопроводность металлов. При появлении электрического напряжения электроны устремляются к положительной частице, участвуя в создании электрического тока и взаимодействуя с ионами.
Металлическая кристаллическая решетка характерна, главным образом, для элементарных металлов, а также для соединений различных металлов друг с другом. Основные свойства, которые присущи металлическим кристаллам (механическая прочность, летучесть, температура плавления, достаточно сильно колеблются. Однако такие физические свойства, как пластичность, ковкость, высокая электропроводимость и теплопроводность, характерный металлический блеск свойственны лишь исключительно кристаллам с металлической решеткой.
Металлическая связь гибче и пластичней ионной, хотя может показаться, что обе они базируются на одном и том же принципе. Типы кристаллических решеток металлов объясняют их типичные свойства – такие, например, как механическая прочность, тепло- и электропроводность, плавкость.
Отличительной особенностью металлической кристаллической решетки является наличие положительно заряженных ионов металла (катионов) в узлах этой решетки. Между узлами находятся электроны, которые непосредственно участвуют в создании электрического поля вокруг решетки. Количество электронов, перемещающихся внутри этой кристаллической решетки, называется электронным газом.
При отсутствии электрического поля свободные электроны совершают хаотическое движение, беспорядочно взаимодействуя с ионами решетки. Каждое такое взаимодействие меняет импульс и направление движения отрицательно заряженной частицы. Своим электрическим полем электроны притягивают к себе катионы, уравновешивая их взаимное отталкивание. Хотя электроны считаются свободными, их энергии не хватает для того, чтобы покинуть кристаллическую решетку, поэтому эти заряженные частицы постоянно находятся в ее пределах.
Присутствие электрического поля придает электронному газу дополнительную энергию. Соединение с ионами в кристаллической решетке металлов не является прочным, поэтому электроны легко покидают ее пределы. Электроны двигаются по силовым линиям, оставляя позади положительно заряженные ионы.
Молекулярная кристаллическая решетка.
Вещества, имеющие молекулярный тип кристаллической решетки, представляют собой систему устойчивых, взаимодействующих, плотноупакованных между собой молекул, которые расположены в узлах кристаллической решетки. В подобных соединениях молекулы сохраняют свое пространственное положение в газообразной, жидкой и твердой фазе. В узлах кристалла молекулы удерживаются слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, которые в десятки раз слабее сил ионного взаимодействия.
Образующие кристалл молекулы могут быть как полярными, так и неполярными. Из-за спонтанного движения электронов и колебания ядер в молекулах электрическое равновесие может смещаться – так возникает мгновенный электрический момент диполя. Соответствующим образом ориентированные диполи создают силы притяжения в решетке. Двуокись углерода и парафин являются типичными примерами элементов с молекуляной кристаллической решеткой.
Молекулярными называют кристаллические решетки, в узлах которых располагаются молекулы. Химические связи в этих молекулах могут быть и полярными и неполярными. Несмотря на то что атомы внутри молекул связаны очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы можмолекулярного притяжения. Поэтому вещества с молекулярными кристаллическими решетками имеют малую твердость, низкие температуры плавления, летучи.
Примерами веществ с молекулярными кристаллическими решетками являются твердая вода - лед, твердый оксид углерода (IV) — «сухой лед», твердые хлороводород и сероводород, твердые простые вещества, образованные одно- (благородные газы, двух-, трех- (О3, четырех- (Р4). восьмиатомными молекулами. Большинство твердых органических соединений имеют молекулярные кристаллические решетки (нафталин, глюкоза.
Вещества с металлической связью имеют металлические кристаллические решетки. В узлах таких решеток находятся атомы и ионы (то атомы, то ионы, в которые легко превращаются атомы металла, отдавая свои внешние электроны в общее пользование). Такое внутреннее строение металлов определяет их характерные физические свойства: ковкость, пластичность, электро- и теплопроводность, характерный металлический блеск.
Для веществ, имеющих молекулярное строение, справедлив открытый французским химиком Ж. Л. Прустом (1799—1803) закон постоянства состава. В настоящее время этот закон формулируется так: «Молекулярные химические соединения независимо от способа их получения имеют постоянный состав и свойства. Закон Пруста является одним из основных законов химии.
Атомная кристаллическая решетка.
Этот тип строения вещества присущ элементам, структуру которых определяет ковалентная химическая связь. Типы кристаллических решеток подобного рода содержат в узлах отдельные атомы, связанные между собой крепкими ковалентными связями. Подобный тип связи возникает тогда, когда два одинаковых атома «делятся» электронами, тем самым образуют общую пару электронов для соседних атомов. Благодаря такому взаимодействию ковалентные связи равномерно и сильно связывают атомы в определенном порядке. Химические элементы, которые содержат атомные типы кристаллических решеток, обладают твердостью, высокой температурой плавления, плохо проводят электрический ток и химически неактивны. Классическими примерами элементов с подобным внутренним строением можно назвать алмаз, кремний, германий, бор.
Атомная кристаллическая решетка свойственна твердым веществам и возникает при низких температурах и высоком давлении. Собственно, именно благодаря такому строению, алмаз, металлы и ряд других материалов приобретают характерную прочность. Строение таких веществ на молекулярном уровне выглядит, как кристаллическая решетка, каждый атом в которой связан со своим соседом самым прочным соединением, существующим в природе - ковалентной связью. Все мельчайшие элементы, образующие структуры, расположены упорядоченно и с определенной периодичностью. Представляя собой сетку, в углах которой расположены атомы, окруженные всегда одинаковым числом спутников, атомная кристаллическая решетка практически не меняет своего строения. Общеизвестно, что изменить структуру чистого металла или сплава можно лишь нагревая его. При этом температура тем выше, чем более прочные связи в решетке.
