Метод исследования структуры кристаллов

Материал для учащихся
Твёрдые вещества, как правило, построены из кристаллов (или, как
говорят, имеют кристаллическую решетку). Атомы и молекулы в кристаллах
расположены упорядоченно и колеблются вблизи определённых точек
пространства, называемых узлами кристаллической решётки. Однако
в зависимости от того, какие частицы расположены в узлах решётки и как они
связаны друг с другом, существуют четыре типа кристаллических решёток.
Вещества разных типов кристаллических решёток различаются физическими
и химическими свойствами.
Если в узлах решётки находятся молекулы, такая решётка называется
молекулярной. Связи между молекулами слабые, поэтому молекулярные
соединения легко плавятся и кипят, а также способны растворяться в разных
растворителях. Примеры соединений с молекулярной решёткой − вода H2O,
углекислый газ − CO2 , кислород – O2, водород – H2 и другие. Можно почти
наверняка утверждать, что если вещество при комнатной температуре является
газом или жидкостью, то в твёрдом виде оно имеет молекулярную
кристаллическую решётку.
Атомную решётку имеет, например, алмаз C и оксид кремния SiO2.
Атомы в атомной решётке связаны прочными ковалентными связями, поэтому
температура плавления таких соединений высока. Это очень устойчивые
соединения, они ни в чём не растворяются и с трудом вступают в химические
реакции. Атомную решётку образуют самые твёрдые из известных веществ −
алмаз и нитрид бора BN, а также самое тугоплавкое из всех известных
веществ − карбид гафния HfC.
Если вещество образует ионные связи, то в узлах кристаллической
решётки находятся катионы и анионы. Между ними действуют
электростатические (кулоновские) силы, т. е. они притягиваются друг к другу
как заряженные частицы. Такая кристаллическая решётка называется ионной.
Ионную решётку образуют, например, хлорид натрия NaCl и карбонат кальция
CaCO3.
Ионы располагаются в решётке так, чтобы как можно сильнее
притягиваться к ионам противоположного знака и как можно слабее
отталкиваться от одноимённых ионов. Поэтому катионы обычно окружены
несколькими анионами, а анионы − несколькими катионами. При таком
строении решётки никаких молекул в ней нет. Получается, что любой ион
одновременно связан со всей решёткой.
Заряженные частицы в узлах ионной кристаллической решётки
практически неподвижны. Поэтому твёрдые ионные кристаллы не проводят
электрический ток. Однако в расплаве ионы становятся подвижными, и расплав
приобретает электропроводность.
И, наконец, четвёртый тип кристаллической решётки – металлическая.
Её образуют исключительно металлы. Поскольку атомы металла плохо
удерживают свои валентные электроны, они отрываются. В результате в узлах
остаются катионы металлов, между которыми свободно перемещаются
электроны (так называемый «электронный газ»). Свободные электроны
окружают упорядоченно расположенные катионы металла. Металлическую
решётку образуют вещества с металлическим типом связи. Это связь между
катионами, образованная свободными электронами.
Благодаря присутствию свободных электронов, металлы обладают
высокой теплопроводностью и электропроводностью. При ударе по металлу
катионы смещаются, но остаются связанными «электронным газом». Поэтому,
в отличие от веществ с другими решётками, металлы ковки и пластичны.
Наиболее распространены три вида кристаллических решёток металлов:
▪ а) кубическая объёмно-центрированная (по этому типу кристаллизуется
Li , Na, K, Pb, Cs, Ba, Fe и др.), плотность упаковки частиц − 68 %;
▪ б) кубическая гранецентрированная (Ca, Sr, Al, Pb и др.), плотность
упаковки в ней частиц − 74%;
▪ в) гексагональная (шестиугольная) ( Mg, Zn, Os и др.) плотность
упаковки в ней частиц составляет также 74%.
Свойства кристаллических решёток разных типов
Свойства вещества
Температуры
плавления и кипения
Поведение при ударе
Твёрдость
Теплои электропроводность
в твёрдом состоянии
Электропроводность
в расплаве
Реакционная
способность
Молекулярная
Низкие
Тип кристаллической решётки
Атомная
Ионная
Очень высокие Высокие
Разрушается
(предмет
раскалывается)
Низкая
Разрушается
(предмет
раскалывается)
Высокая
Разрушается
(предмет
раскалывается)
Средняя
Низкие
Низкие
(как правило)
Низкие
Низкая
и средняя
Высокие
Низкая
Низкая
Высокая
Высокая
Зависит
от вещества
Низкая
Средняя
Зависит
от металла
Металлическая
Разные
Меняется форма
(сплющивается)
Таким образом, тип кристаллической решётки определяет свойства
вещества.
А можно ли сразу определить тип кристаллической решётки по
химической формуле вещества? В некоторых случаях это сделать можно. Так,
все металлы имеют металлическую кристаллическую решётку, а соединения
неметаллов никогда не обладают ей.
Если соединение содержит два элемента с большой разностью
электроотрицательностей (например, Na и Cl),то оно почти всегда образует
ионную решётку. При этом металл образует катион, а кислотный остаток −
анион. Молекулярную решётку образуют
практически все соединения
неметаллов с галогенами и водородом. Дело в том, что и галогены и водород
в соединениях с металлами одновалентны, и поэтому они не могут образовать
ковалентных связей. Кроме того, молекулярную решётку образуют оксиды
электроотрицательных элементов (галогенов, O, N, S, P, C), некоторые высшие
оксиды переходных металлов, большинство кислот. Остальные соединения
неметаллов друг с другом образуют атомную решётку.
Название
кристаллической
решётки
Частицы в узлах
кристаллической
решётки
Связи, удерживающие
узлы решёток
Атомная
Атомы
Ковалентные
Молекулярная
Молекулы
Межмолекулярные
Ионная
Ионы
Электростатическое
притяжение
Металлическая
Атомы и ионы
Свободно
перемещающиеся
электроны
Характерные
Примеры
свойства
веществ
веществ
Si, SiO2,
Прочные
C(алмаз),
высокие Т пл.
Al2O3
N2, P4, S8,
Непрочные
NH3, CO2,
низкие Т пл.
FeCl3
Хрупкие
средние Т пл.
растворы
NaF, NaCl
и расплавы
проводят
эл. ток
Пластичные
с металлическим блеском
теплои электропроводные
Al, Zn, Cu
Полиморфизм кристаллов (от греч. polýmorphos − многообразный) −
способность некоторых минералов и иных кристаллических веществ
существовать при одном и том же химическом составе в состояниях
с различной атомной кристаллической структурой.
Диоксид кремния имеет несколько полиморфных модификаций.
Самая распространённая из них на поверхности земли − α-кварц −
кристаллизуется в тригональной сингонии.
При нормальных условиях диоксид кремния чаще всего находится
в полиморфной модификации α-кварца, которая при температуре выше 573 C
обратимо переходит в β-кварц. При дальнейшем повышении температуры
кварц переходит в тридимит и кристобалит. Эти полиморфные модификации
устойчивы при высоких температурах и низких давлениях.
Установлен следующий ряд превращений:
α-кварц⇔β-кварц⇔β-тридимит⇔β-кристобалит⇔расплав.
573°
870°
1470°
1713°
При высоких температуре и давлении диоксид кремния сначала
превращается в коэсит (который в 1953 был синтезирован американским
химиком Лорингом Коэсом), а затем в стишовит (который в 1961 году был
синтезирован С.М. Стишовым, а в 1962 был обнаружен в метеоритном
кратере). Согласно некоторым исследованиям стишовит слагает значительную
часть мантии, так что вопрос о том, какая разновидность SiO2 наиболее
распространена на Земле, пока не имеет однозначного ответа.
Кварцевое стекло является аморфным веществом.
Метод исследования структуры кристаллов
Отец и сын Брэгги − изобретатели метода исследования структуры
кристаллов с помощью рентгеновских лучей. Этот метод позволяет определить
порядок расположения атомов в кристалле. Метод заключается в том, что при
облучении кристаллов рентгеновскими лучами эти лучи отражаются от атомов,
которые лежат в кристаллах на разных плоскостях. По распределению
интенсивности отражённых лучей можно рассчитать расстояние между
плоскостями, а отсюда выяснить расположение атомов. Первые же
исследования показали, что во многих кристаллах нет обособленных групп
атомов, которые можно было бы считать молекулами. За свои исследования
в 1915 г. отец и сын Брэгги получили Нобелевскую премию по физике, причём
Брэгг Уильям Лоренс до сих пор остаётся самым молодым её лауреатом –
он получил премию в 25 лет. Дальнейшие рентгеноскопические исследования
кристаллов привели к классификации кристаллических решёток.
Источник: Химия: учебник для 9 класса: в 2 ч. / Д.М. Жилин.− М.:
БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. − 223 с. − Ч.1.