Типы кристаллических решеток

Общие сведения

Твердые тела по своим свойствам и структуре обычно классифицируются на кристаллические и аморфные. Это разделение обусловлено разным положением в них ионов, атомов или молекул. Частицы аморфных тел распределяются хаотично. Такое строение придает им изотропность и делает невозможным иметь фиксированную температуру плавления. К аморфным материалам относятся воск, полимеры и пластики, затвердевшие смолы.

В кристаллическом веществе частицы выстраиваются в строго определенном порядке и образуют структуры, периодически повторяющиеся по всему его объему. Это придает материалу анизотропическое соответствие. Пространственное отображение такого строения — кристаллическая решетка. Она не является статичной, ее молекулы или атомы постоянно колеблются около положений равновесия. Состоит из узлов, в которых находятся частицы вещества, и соединяющих их воображаемых линий. Узлы образуются молекулами, атомами или ионами. Линии обозначают химические связи между этими частицами.

Существование решеток обусловлено тем, что только при условии периодичности в трехмерном пространстве достигается минимальное значение потенциальной энергии системы путем уравновешивания сил отталкивания и притяжения между атомами. Они бывают ионными, металлическими, ковалентными полярными и неполярными.

Наименьший фрагмент решетки считается элементарной ячейкой. Построить полную структуру материала можно так — перенести параллельно элементарную ячейку в любом направлении. Компактность и заполненность такой ячейки — важная характеристика, которая определяет химические и физические свойства вещества. Описывается такими показателями: число атомов в ней, плотность упаковки и параметр, т. е. расстоянием между ближайшими частицами. Параметр измеряется в нанометрах и вычисляется при помощи рентгеноструктурного анализа.

Простейшая элементарная ячейка состоит из восьми частиц, расположенных в вершинах куба. Другие возможные геометрические построения структур описывают модели Браве.

Металлы и металлосодержащие вещества

Химическое строение таких твердых тел определяется типом связи между его частицами, которые бывают металлическими или ионными. Структура, состоящая из положительно заряженных ионов единственного химического элемента, между которыми находятся электроны внешнего энергетического уровня, легко теряющие связь с ядром и свободно перемещающиеся по всему металлическому телу (электронный газ), называется металлической кристаллической решеткой. В узлах располагаются ионы и атомы. Такая решетка состоит из элементарных ячеек, которые бывают следующих видов:

• Объемноцентрированный куб. Включает два атома. Ионы металла, имеющие положительный знак заряда, размещаются в узлах куба, а еще один атом — в его центре. Такую решетку имеют очень твердые и тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, хром, ванадий.
• Гранецентрированный куб. Содержит четыре атома, положительные ионы находятся не только в узлах, но и в центре каждой грани куба. Эта решетка характерна для свинца, меди, никеля, железа, алюминия и многих других металлов.
• Гексагональная плотно упакованная. Состоит из шести атомов и представляет собой шестигранную призму. Ионы располагаются в узлах, по центру оснований и в середине призмы. Такое строение имеют все элементы II группы таблицы Менделеева — бериллий, кальций, магний, стронций, барий, радий.

Металлический тип строения определяет наличие свойств, типичных для металлов и их сплавов — блеск, пластичность и ковкость, высокую электро- и теплопроводность.

Если в состав кристалла входят химические элементы, состоящие из атомов с разной электроотрицательностью (способностью атома притягивать к себе общую электронную пару), то электроны от одних атомов могут полностью переходить к другим. В результате получаются положительно и отрицательно заряженные ионы, называемые соответственно катионами и анионами. Связь между ними носит название ионной, а структура, в узлах которой находятся разнозаряженные ионы, называется ионной кристаллической решеткой.

Геометрические виды элементарных ячеек ионных структур такие же, как и у металлических, только в узлах располагаются ионы не одного, а разных химических элементов, причем одинаково заряженные находятся как можно дальше друг от друга, а разнозаряженные — как можно ближе.

Такое строение обычно бывает у соединений, образованных типичным металлом и неметаллом, при этом металл должен быть менее активным, чем неметалл. Ионной структуре соответствуют оксиды, гидроксиды, щелочи и соли, а их составляющие бывают простыми или сложными. Так, кристалл поваренной соли (хлорида натрия) образуется из простых ионов: катион калия K и анион хлора Cl, а в состав сернокислого калия входят простой катион калия K и сложный отрицательный сульфат-ион SO4.

Связи между ионами в структурах очень устойчивые, поэтому вещества с таким строением обладают прочностью, твердостью и тугоплавкостью и имеют небольшую летучесть.

В то же время они отличаются хрупкостью — ионные слои легко смещаются. Проводят электрический ток и тепло только в растворах или расплавах.

Атомные связи в неметаллах

Физические и химические свойства кристаллических неметаллов зависят от того, чем образована их кристаллическая решетка — атомами или молекулами, и их взаимодействием. Атомные или немолекулярные связи очень прочные, молекулярные — слабые.

Между соседними атомами образуются совместные электронные пары, при этом каждый из них остается устойчивым элементом. Связь, созданная в таких парах, называется ковалентной (или прочной). Когда взаимодействуют атомы с одинаковой электроотрицательностью, то расположение электронной пары получается симметричным относительно двух атомов и называется ковалентной неполярной связью.

У веществ, состоящих из разных неметаллов, связь образовывается из атомов с разной электроотрицательностью, в результате чего общая электронная пара смещается к более отрицательному элементу. Получается ковалентная полярная связь.

Соединения с ковалентными связями бывают двух типов — молекулярными и атомными.

Структуры, в узлах которых размещаются атомы, соединенные ковалентными связями, называются атомными кристаллическими решетками. Если связь ковалентная неполярная, то в ее формировании участвуют атомы одного химического вещества. Такую структуру имеют кремний Si, бор B, германий Ge, кристаллические видоизменения углерода C. Геометрическое строение решетки кристалла имеет соответствие с его свойствами.

Например, две модификации углерода: алмаз и графит. В кубической структуре алмаза атомы расположены по одному в вершинах, по центру каждой грани, и четыре внутри самого куба. Это строение дает самую плотную упаковку атомов, а ковалентные связи между ними делает очень прочными. Поэтому алмаз является самым твердым материалом в мире. Другие свойства: теплопроводность низкая, электрический ток не проводит.

У графита гексагональная слоистая решетка, которая делает его мягким. Температура плавления очень высокая (4 тыс. градусов Цельсия), обладает электропроводностью, его называют полуметаллом и используют при производстве электродов.

При биполярной ковалентной связи атомная кристаллическая решетка обычно сформирована атомами разных химических элементов. Такое строение имеют муассанит, состоящий из кремния Si и углерода C, и диоксид кремния SiO2 в разных модификациях:

• кварцевый песок;
• лютецит;
• опал;
• халцедон;
• хрусталь;
• кремнезем.

Основные свойства: нерастворимость, прочность, твердость, высокие температуры плавления и кипения.

Молекулярное строение

Структуры, образованные полярными молекулами, между которыми существуют силы взаимодействия, называются молекулярными кристаллическими решетками. Межмолекулярные связи в них имеют электрическую природу, для их разрыва не требуется много энергии. В то же время атомы этих молекул ковалентны.

К веществам, имеющим молекулярное строение, относятся:

• белый фосфор, моноклинная и ромбическая сера;
• галогены, галогеноводороды и другие жидкости и газы в твердом агрегатном состоянии (йод, фтор, хлор, азот, кислород, озон, вода, оксид углерода — так называемый сухой лед);
• инертные газы с одноатомными молекулами (неон, аргон, ксенон).

Такое строение соответствует и большинству органических соединений.

Слабое взаимодействие между молекулами определяет свойства веществ, имеющих такое строение. Они мягкие и непрочные, имеют низкие температуры плавления и кипения. Эти кристаллы обладают летучестью, хорошо растворяются в воде и других жидкостях.

Благодаря разнообразию пространственных схем кристаллов, из одних и тех же химических элементов можно получить значительно отличающиеся друг от друга материалы.