Строение кристаллических веществ
Четыре типа кристаллов
Поваренная соль, сахар, медь и кварц — кристаллы, но их свойства различаются. Соль растворяется в воде; в твёрдом виде она не проводит электрический ток, тогда как её расплав и водный раствор проводят. Медь проводит ток и легко изменяет форму; кварц режет стекло и плавится лишь около 1700 °C; сахар в ложке над свечой плавится и начинает разлагаться.
Частицы в кристалле расположены упорядоченно и образуют кристаллическую решётку. По тому, какие частицы занимают её узлы и как они связаны, различают ионные, каркасные (атомные), молекулярные и металлические кристаллы. Строение каждого типа объясняет его характерные свойства.
| Тип | Частицы в узлах | Связь между ними | Свойства | Примеры |
|---|---|---|---|---|
| Ионный | Катионы и анионы. | Ионная связь. | Кристаллы тугоплавки и хрупки; электрический ток проводят их расплавы и растворы. | \(\ce{NaCl}\), \(\ce{CaF2}\), \(\ce{MgO}\) |
| Каркасный (атомный) | Атомы. | Ковалентные связи образуют каркас кристалла. | Кристаллы обычно твёрдые, тугоплавкие и нерастворимые. | Алмаз, \(\ce{SiO2}\), \(\ce{SiC}\), \(\ce{BN}\) |
| Молекулярный | Молекулы. | Межмолекулярные взаимодействия, в том числе дисперсионные и водородные. | Кристаллы обычно мягкие и легкоплавкие; многие вещества летучи. | \(\ce{I2}\), \(\ce{CO2}\) (сухой лёд), \(\ce{P4}\), лёд |
| Металлический | Положительные ионы металла. | Металлическая связь с участием подвижных электронов. | Кристаллы пластичны, блестят, проводят электрический ток и тепло. | Cu, Fe, Na, W |
Не все кристаллы можно без оговорок описать одним из этих типов. В слоистых кристаллах частицы внутри слоя связаны прочно, а между слоями действуют слабые межмолекулярные силы. Поэтому графит, гексагональный нитрид бора, иодид кадмия и тальк могут расслаиваться на тонкие пластинки; некоторые из них используют как смазки. При этом связь внутри слоя не всегда ковалентная: в иодиде кадмия существенна ионная составляющая.
scienceКаркасные вещества: получение и реакции
- \(\ce{SiO2 + 3C ->[2000^\circ C] SiC + 2CO ^}\) — при нагревании оксида кремния с углеродом образуется карбид кремния (карборунд), который применяют как абразив и полупроводник.
- \(\ce{B2O3 + 2NH3 ->[t] 2BN + 3H2O}\) — при нагревании оксида бора с аммиаком образуется гексагональный нитрид бора, называемый «белым графитом»; его кубическая модификация, боразон, по твёрдости близка к алмазу.
- \(\ce{C + O2 -> CO2}\) — алмаз, как и уголь, сгорает на воздухе с образованием углекислого газа при температуре около 800 °C.
- \(\ce{SiO2 + 2NaOH ->[t] Na2SiO3 + H2O}\) — при сплавлении кварца с гидроксидом натрия его каркас разрушается и образуется силикат натрия.
history_eduКарборунд — ошибка, ставшая открытием
В 1891 году Эдвард Ачесон пытался получить искусственный алмаз, нагревая глину с коксом электрической дугой. Вместо алмаза образовались блестящие сине-чёрные кристаллы, способные резать стекло. Ачесон решил, что получил соединение углерода с корундом, и назвал его карборундом. В действительности это был карбид кремния \(\ce{SiC}\) — второе по твёрдости вещество того времени. Позже природный карбид кремния, муассанит, нашли в метеорите.
Одно вещество — разные кристаллы
Химический состав сам по себе не определяет свойства кристалла: алмаз и графит состоят только из углерода, но имеют разное строение. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя соседними атомами, расположенными по вершинам тетраэдра (\(sp^3\)). Ковалентный каркас простирается во все стороны; этим объясняются высокая твёрдость алмаза и отсутствие у него электропроводности. В графите атомы углерода образуют плоские слои из шестиугольников (\(sp^2\)). Четвёртый электрон каждого атома делокализован в пределах слоя, поэтому графит проводит ток вдоль слоёв. Между слоями связь слабее, и они легко скользят друг относительно друга.
| Свойство | Алмаз | Графит |
|---|---|---|
| Плотность, г/см³ | 3,51 | 2,26 |
| Твёрдость по Моосу | 10 | 1–2 |
| Электропроводность | Алмаз является изолятором. | Графит проводит ток вдоль слоёв. |
| Характерные расстояния, пм | 154 | 142 (между атомами в слое), 335 (между слоями) |
Различные кристаллические формы одного вещества называют полиморфными модификациями; если вещество простое, употребляют также название аллотропные модификации. Переход между такими формами представляет собой фазовый переход. Например, у \(\ce{NH4Cl}\) при 184 °C структура типа CsCl сменяется структурой типа NaCl, а у железа при 912 °C объёмноцентрированная решётка переходит в гранецентрированную.
auto_awesomeИнтеркаляция калия в графит
Между слоями графита могут проникать другие частицы. Такое включение называют интеркаляцией. При взаимодействии графита с парами калия образуется бронзово-золотистое соединение \(\ce{C8K}\): калий отдаёт электроны слоям углерода. Интеркаляция лития в графит лежит в основе работы литий-ионных аккумуляторов. При зарядке ионы лития входят между слоями графита (\(\ce{LiC6}\)), а при разрядке возвращаются в катод.
boltКак определить тип кристалла по формуле и свойствам
Соединения металлов с неметаллами при большой разности электроотрицательностей обычно образуют ионные кристаллы. Если атомы соединены в непрерывный ковалентный каркас, кристалл относят к каркасным; примеры таких веществ — C, Si, B, SiO₂, SiC, BN. Кристаллы из отдельных молекул, например \(\ce{I2}\), \(\ce{S8}\), \(\ce{CO2}\) и \(\ce{H2O}\), являются молекулярными. Возгонка вещества ниже 200 °C также почти наверняка указывает на молекулярный кристалл.
push_pinГлавное
Свойства кристалла зависят от частиц в его узлах и связей между ними. Ионные кристаллы (\(\ce{NaCl}\), \(\ce{MgO}\)) тугоплавки и хрупки; их расплавы проводят ток. Каркасные кристаллы (\(\ce{C}\) алмаз, \(\ce{SiO2}\), \(\ce{SiC}\), \(\ce{BN}\)) обычно твёрдые и тугоплавкие, молекулярные (\(\ce{I2}\), \(\ce{CO2}\), лёд) обычно легкоплавкие, а металлические пластичны и электропроводны. Строение важно и при одинаковом составе: алмаз и графит состоят из углерода, но обладают разными свойствами.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.