Строение кристаллических веществ
Четыре типа кристаллов
Поваренная соль, сахар, медь и кварц — твёрдые кристаллические вещества, но ведут себя совсем по-разному. Соль растворяется в воде и не проводит ток, пока не расплавится; медь проводит ток и гнётся; кварц режет стекло и плавится лишь около 1700 °C; сахар плавится в ложке над свечой. Всё решает, какие частицы сидят в узлах решётки и чем они связаны.
| Тип | Частицы в узлах | Связь между ними | Свойства | Примеры |
|---|---|---|---|---|
| ионный | катионы и анионы | ионная | тугоплавкие, хрупкие, ток проводят расплав и раствор | \(\ce{NaCl}\), \(\ce{CaF2}\), \(\ce{MgO}\) |
| каркасный (атомный) | атомы | ковалентная, по всему кристаллу | очень твёрдые, самые тугоплавкие, не растворяются | алмаз, \(\ce{SiO2}\), \(\ce{SiC}\), \(\ce{BN}\) |
| молекулярный | молекулы | межмолекулярная (дисперсионная, водородная) | мягкие, легкоплавкие, часто летучие | \(\ce{I2}\), \(\ce{CO2}\) (сухой лёд), \(\ce{P4}\), лёд |
| металлический | катионы в «электронном газе» | металлическая | пластичные, блестящие, проводят ток и тепло | Cu, Fe, Na, W |
Слоистые вещества — промежуточный случай: внутри слоя связи ковалентные, между слоями — слабые межмолекулярные. Графит, гексагональный нитрид бора, иодид кадмия, тальк расщепляются на тонкие листки и служат смазками.
scienceКаркасные вещества: получение и реакции
- \(\ce{SiO2 + 3C ->[2000^\circ C] SiC + 2CO ^}\) — карбид кремния (карборунд), абразив и полупроводник.
- \(\ce{B2O3 + 2NH3 ->[t] 2BN + 3H2O}\) — нитрид бора: гексагональный — «белый графит», кубический (боразон) — почти как алмаз.
- \(\ce{C + O2 -> CO2}\) — алмаз сгорает так же, как уголь (около 800 °C на воздухе).
- \(\ce{SiO2 + 2NaOH ->[t] Na2SiO3 + H2O}\) — каркас кварца разрушают щёлочью лишь при сплавлении.
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, режущие стекло. Ачесон решил, что это соединение углерода с корундом, и назвал его карборундом. На деле это был карбид кремния \(\ce{SiC}\) — второе по твёрдости вещество того времени. Природный карбид кремния — муассанит — позже нашли в метеорите.
Одно вещество — разные кристаллы
Состав ещё не определяет вещество: алмаз и графит — оба чистый углерод. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя соседями по тетраэдру (\(sp^3\)), и каркас простирается во все стороны — отсюда рекордная твёрдость и отсутствие электропроводности. В графите атомы связаны в плоские слои шестиугольников (\(sp^2\)), а четвёртый электрон каждого атома делокализован по всему слою — графит проводит ток вдоль слоёв, а слои легко скользят друг по другу.
| Свойство | Алмаз | Графит |
|---|---|---|
| плотность, г/см³ | 3,51 | 2,26 |
| твёрдость по Моосу | 10 | 1–2 |
| электропроводность | изолятор | проводник вдоль слоёв |
| расстояние C–C, пм | 154 | 142 (в слое), 335 (между слоями) |
Такие формы одного вещества с разной кристаллической структурой называют полиморфными модификациями (у простых веществ — аллотропными). Переход между ними — фазовый переход со своей температурой и давлением: у \(\ce{NH4Cl}\) при 184 °C структура типа CsCl сменяется структурой типа NaCl, у железа при 912 °C объёмноцентрированная решётка переходит в гранецентрированную.
auto_awesomeГрафит «ест» калий
Между слоями графита могут встраиваться атомы и молекулы — это интеркаляция. Пары калия, проходя над графитом, образуют бронзово-золотистое соединение \(\ce{C8K}\): калий отдаёт электроны слоям углерода. На интеркаляции лития в графит основаны литий-ионные аккумуляторы: при зарядке ионы лития уходят между слоями (\(\ce{LiC6}\)), при разрядке — возвращаются в катод.
boltТип кристалла по формуле и свойствам
Металл + неметалл с большой разностью ЭО — ионный; два неметалла, из которых получается бесконечный каркас (C, Si, B, SiO₂, SiC, BN), — каркасный; неметаллы в виде отдельных молекул (\(\ce{I2}\), \(\ce{S8}\), \(\ce{CO2}\), \(\ce{H2O}\)) — молекулярный. Если вещество возгоняется ниже 200 °C — почти наверняка молекулярное.
push_pinГлавное
Свойства кристалла задают частицы в узлах и силы между ними. Ионные кристаллы (\(\ce{NaCl}\), \(\ce{MgO}\)) тугоплавки, хрупки, проводят ток в расплаве; каркасные (\(\ce{C}\) алмаз, \(\ce{SiO2}\), \(\ce{SiC}\), \(\ce{BN}\)) — сверхтвёрдые и самые тугоплавкие; молекулярные (\(\ce{I2}\), \(\ce{CO2}\), лёд) — легкоплавкие и летучие; металлические — пластичные и электропроводные. Одно вещество может существовать в нескольких кристаллических формах: алмаз и графит различаются всем, кроме состава.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.