РАЗДЕЛ И. ОБЩАЯ ХИМИЯ
3. Химическая связь
3.8. Кристаллические и аморфные вещества
Большинство веществ в твердом состоянии образует кристаллы. Каждый кристалл имеет пространственный каркас правильной формы в виде кристаллических решеток.
Кристалл - это гигантская ассоциация частиц, которая построена по принципу правильно организованной геометрической структуры с определенным типом координации частиц. Вокруг каждой из них размещается (координируется) определенное ограниченное количество других, которую называют координационным числом.
Элементарная ячейка - это наименьший элемент кристалла, который соответствует всем особенностям строения этого кристалла; ее поверхность ограничена плоскостями:- гранями, линии пересечения граней называют ребрами, а точки пересечения ребер - вершинами. Расстояния между частицами элементарной ячейки называют параметрами решетки, а сами частицы - узлами. В зависимости от того какие частицы находятся в узлах, говорят о разные типы кристаллических решеток:
В узлах молекулярных решеток находятся молекулы; они связаны между собой межмолекулярными связями. Это вещества с ковалентной связью: почти все простые вещества-неметаллы (за исключением веществ, образованных атомами Углерода и Кремния), много сложных неорганических соединений (NH3, HF, Н2О, большинство оксидов металлических элементов), все органические вещества с нейонним связью.
В узлах атомных решеток размещены атомы. Это так же вещества с ковалентной связью. К ним относятся: алмаз, карборунд SiC, силиция диоксид SiО2, некоторые другие неорганические вещества. Такие вещества твердые, нелетучие, не растворимы в воде, проявляют свойства диэлектриков или полупроводников.
Йонни решетки формируют вещества с йонним типом связи (например, большинство оксидов металлических элементов); они связаны между собой электростатическими силами (они прочнее молекулярные, но слабее атомные). Такие вещества твердые, хрупкие, нелетучие, в водных растворах и в розплавам - проводники электрического тока. Заметим, что образование ионных соединений сопровождается выделением значительного количества энергии, чем и объясняется немалая прочность связи. Сами же йонни кристаллы - это образование с довольно высокими температурами плавления и кипения.
Ионы могут быть простыми, как в кристалле КСl, и сложными, как в кристалле (NH4)2SO4. Соответственно между ионами существует ионная связь, а между атомами в самых ионах - ковалентная.
В узлах металлических кристаллических решеток находятся ионы металлов, между которыми свободно движутся общие электроны. Для них характерны металлический блеск3, высокая электро - и теплопроводность, пластичность, высокие температуры плавления. При нормальных условиях металлы - это твердые кристаллические вещества (кроме ртути Hg).
Твердые вещества, в зависимости от типа кристаллических решеток, имеют различные свойства:
|
Тип кристаллических решеток
|
Частицы, которые размещаются в узлах решеток
|
Характер связи между элементами кристалла
|
Физические свойства веществ
|
Примеры веществ
|
|
атомные
|
атомы
|
прочные ковалентные связи
|
очень тугоплавкие, очень твердые, в воде не растворяются, нелетучие
|
алмаз (С), силіций (Si), карборунд (SiC) силіций(ИV) оксид (SiО2), графит (С), красный фосфор(Р)
|
|
йонни
|
катионы и анионы
|
электростатические йонни связи
|
тугоплавкие, твердые, нелетучие, хрупкие, большинство из них растворяется в воде, растворы и расплавы проводят электрический ток
|
щелочи (КОН, NaOH),
соли (NaCl, КСl, KNO3, Ва(NO3)2), йонни гидриды (КН. СаН2)
|
|
молекулярные
|
молекулы
|
слабые силы межмолекулярного взаимодействия (в том числе и водородные связи)
|
имеют незначительную твердость, легкоплавкие, летучие, часть из них растворяется в воде
|
йод (И2), лед (Н2O), белый фосфор (Р), все газы и большинство органических веществ в твердом состоянии
|
|
металлические
|
катионы
|
металлическая связь между ионами металлических элементов и свободными электронами
|
твердые, пластичные, ковкі; имеют металлический блеск, Хорошо проводят электрический ток и тепло
|
медь (Cu), железо (Fe), натрий (Na), серебро (Ag), а также сплавы
|
Существуют вещества, кристаллы которых образуют два типа связи (ионный и атомный, атомный и металлический). Например, структура графита подобная чешуек. Атомы каждой чешуйки связаны ковалентними связями и образуют атомные кристаллические решетки, а атомы соседних чешуек связаны между собой металлической связью.
Тип и форма решеток в значительной степени определяет свойства кристалла. Большая часть кристаллов анизотропны, т.е. их свойства зависят от направления.
Если единственная кристаллическая структура распространяется на все Тело, то такое тело называют монокристаллом. Но немало веществ имеют кристаллическую структуру, хотя обычно не имеют характерной для кристаллов формы. К таким веществам относятся, например, металлы, «аморфный» углерод, «аморфный» кремний. Исследования показывают, что такие вещества состоят из большого числа очень маленьких кристалликов - кристаллических зерен. Эти вещества называют полікристалічними.
Структурные единицы некоторых твердых тел неупорядоченные (не имеют кристаллической структуры). Такие тела называют аморфными: силикатное стекло, аморфная сера, различные полимеры, смолы, клеи и т.д. Физические свойства аморфных тел существенно отличаются от физических свойств кристаллических. Наибольшее значение имеют изотропии (единообразие показателей тепло-, электропроводности, упругости, оптических свойств и т.п. во всех направлениях) и вязкость (процесс, зависящий от температуры)4.
Некоторые вещества могут находиться как в аморфном, так и в кристаллическом состоянии (сера).
Жидкий кристалл - это специфическое состояние вещества, которому свойственны черты как жидкости (текучесть), так и кристалла (анизотропия). Характерную их свойство - изменение ориентации молекул под влиянием внешнего электрического поля широко используют в электронике, термографии.
______________________________________________________
1 Этот тип связи названо в честь голландского физика Яна Дідеріка Ван-дер-Ваальса (1837-1923), лауреата Нобелевской премии по физике (1910), который в 1869 г. открыл силы межмолекулярного взаимодействия.
2 Точечками обозначены электронный газ.
3 Металлический блеск имеют и некоторые неметаллы: графит (углерод), йод.
4 Аморфные тела не имеют температуры плавления. В условиях повышения температуры они постепенно размягчаются и выше температуры стеклования (Tg) переходят в жидкое состояние. И наоборот, после охлаждения ниже температуры стеклования эластичные тела теряют пластичность и становятся хрупкими.