Кристаллические решётки: ионная и атомная

В теме 3.1 мы разобрали, как связываются два атома. Но в куске соли или в алмазе связаны не два атома, а миллиарды миллиардов, и от того, как частицы уложены в пространстве и чем удерживаются, зависят свойства вещества: твёрдость, температура плавления, растворимость, запах. Эту зависимость и объясняет учение о кристаллических решётках.

Кристаллические и аморфные вещества

Большинство твёрдых веществ — кристаллы. Частицы в кристалле расположены в строгом порядке, который повторяется во всех направлениях. Если мысленно соединить центры частиц линиями, получится пространственная сетка — кристаллическая решётка; точки, где находятся частицы, называют узлами решётки. Внутренний порядок проявляется и снаружи: кристаллы поваренной соли — кубики, кристаллы кварца — шестигранные призмы, снежинки всегда шестилучевые.

Есть и твёрдые вещества без строгого порядка частиц — аморфные вещества: стекло, смолы, янтарь, многие пластмассы. Их частицы расположены беспорядочно, как в жидкости, которая застыла, не успев выстроиться в решётку. Это заметно при нагревании. Кристаллическое вещество плавится при определённой температуре (вспомните тему 1.1), а аморфное размягчается постепенно, в интервале температур: так стеклодув выдувает и вытягивает размягчённое стекло.

Кристаллические решётки различают по тому, какие частицы находятся в узлах и какая связь их удерживает. Типов решёток четыре: ионная, атомная, молекулярная и металлическая.

Ионная кристаллическая решётка

В узлах ионной кристаллической решётки чередуются катионы и анионы, связанные ионной связью. В кристалле поваренной соли каждый ион натрия окружён шестью ионами хлора, а каждый ион хлора — шестью ионами натрия; отдельных молекул \(\ce{NaCl}\) в кристалле нет. Ионная решётка у всех веществ с ионной связью: солей, щелочей, оксидов активных металлов.

Притяжение разноимённых ионов сильное, поэтому ионные вещества твёрдые, нелетучие и тугоплавкие: хлорид натрия плавится при 801 °C. Тугоплавкость — способность вещества плавиться только при высокой температуре — всегда говорит о прочных связях между частицами кристалла. Ионные кристаллы хрупкие: при ударе слои ионов сдвигаются, одноимённые ионы оказываются рядом и отталкиваются, и кристалл раскалывается. Многие ионные вещества растворяются в воде, а их растворы и расплавы проводят электрический ток, потому что в них появляются свободно движущиеся ионы (тема 5.4).

Атомная кристаллическая решётка

В узлах атомной кристаллической решётки находятся атомы, и каждый из них связан с соседями прочными ковалентными связями. По сути весь кристалл — одна гигантская молекула. Чтобы расплавить такое вещество, нужно разорвать множество ковалентных связей, поэтому вещества с атомной решёткой очень твёрдые, тугоплавкие и практически нерастворимы ни в воде, ни в других растворителях. Атомную решётку имеют алмаз, графит, кремний, бор, кварц (оксид кремния \(\ce{SiO2}\)), карборунд \(\ce{SiC}\), которым шлифуют металлы.

Алмаз и графит

Самый яркий пример того, как строение определяет свойства, — алмаз и графит. Оба состоят только из атомов углерода (тема 1.2), но атомы уложены по-разному. В алмазе каждый атом углерода прочно связан с четырьмя соседями, и связи направлены во все стороны пространства, поэтому алмаз — самое твёрдое природное вещество. В графите атомы связаны в плоские слои из шестиугольников, а слои держатся друг за друга слабо. Слои легко скользят и отслаиваются, поэтому графит мягкий и оставляет след на бумаге, а один из внешних электронов каждого атома свободно движется вдоль слоя, поэтому графит проводит ток.