С древнейших времен металлы играют огромную роль в развитии человечества. Внедрение их в повседневную жизнь произвело настоящую революцию как в способах обработки материалов, так и в восприятии человеком окружающей действительности. Современная промышленность и сельское хозяйство, транспорт и инфраструктура невозможны без применения металлов, использования их полезных качеств и свойств. Эти качества, в свою очередь, определяются внутренней структурой данного класса химических соединений, в основе которой лежит кристаллическая решетка.

Понятие и сущность кристаллической решетки

С точки зрения внутреннего устройства любое вещество может находиться в одном из трех состояний - жидком, газообразном и твердом. При этом именно последнее характеризуется наибольшей устойчивостью, что обусловлено тем, что кристаллическая решетка подразумевает не только четкое расположение атомов или молекул в строго определенных местах, но и необходимость приложения достаточно большой силы, чтобы связи между этими элементарными частицами разорвать.

Особенности ионной решетки

Структура любого вещества, находящегося в твердом состоянии, обязательно предполагает периодическую повторяемость молекул и атомов сразу в трех измерениях. При этом в зависимости от того, что находится в узловых пунктах, кристаллическая решетка может быть ионной, атомной, молекулярной и металлической. Что касается первой разновидности, то здесь базовыми компонентами служат разнополярно заряженные ионы, между которыми возникают и действуют так называемые кулоновские силы. При этом сила взаимодействия находится в прямой зависимости от радиусов заряженных частиц.

Такая решетка представляет собой сложную систему, состоящую из катионов металла, в пространстве между которыми перемещаются отрицательно заряженные электроны. Именно наличие этих элементарных частиц придает решетке устойчивость и твердость, ибо они служат своеобразными компенсаторами для положительно заряженных катионов.

Сила и слабость атомной решетки

Достаточно интересной с точки зрения строения является атомная кристаллическая решетка. Уже из названия можно сделать вывод, что в ее узлах располагаются атомы, удерживающиеся за счет ковалентных связей. Многие ученые в последние годы относят данный тип взаимодействия к семейству неорганических полимеров, так как строение данной молекулы во многом определяется валентностью входящих в ее состав атомов.

Основные характеристики молекулярной решетки

Молекулярная кристаллическая решетка является наименее устойчивой из всех представленных. Все дело в том, что уровень взаимодействия находящихся в ее узлах молекул крайне низкий, а энергетический потенциал определяется целым рядом факторов, основную роль в которых играют дисперсионные, индукционные и ориентационные силы.

Влияние кристаллической решетки на свойства объектов

Таким образом, кристаллическая решетка во многом определяет свойства того или иного вещества. Например, атомные кристаллы плавятся при чрезвычайно высокой температуре и обладают повышенной твердостью, а вещества с металлической решеткой являются прекрасными проводниками

Химия - удивительная наука. Столько невероятного можно обнаружить в, казалось бы, обычных вещах.

Всё материальное, что окружают нас повсюду, существует в нескольких агрегатных состояниях: газы, жидкости и твёрдые тела. Учёные выделили ещё и 4-е - плазму. При определённой температуре какое-либо вещество может переходить из одного состояние в другое. Например, вода: при нагревании свыше 100, из жидкой формы, превращается в пар. При температуре ниже 0 переходит в следующее агрегатную структуру - лёд.

Весь материальный мир имеет в своём составе массу одинаковых частиц, которые между собой связаны. Эти мельчайшие элементы строго выстраиваются в пространстве и образуют так называемый пространственный каркас.

Определение

Кристаллическая решётка - особая структура твёрдого вещества, при которой частицы стоят в геометрически строгом порядке в пространстве. В ней можно обнаружить узлы - места, где расположены элементы: атомы, ионы и молекулы и межузловое пространство.

Твёрдые вещества , в зависимости от диапазона высоких и низких температур, являются кристаллическими или аморфными - они характеризуются отсутствием определённой температуры плавления. При воздействии повышенных температур они размягчаются и постепенно переходят в жидкую форму. К такого рода веществам относятся: смола, пластилин.

В связи с этим можно поделить на несколько видов:

• атомную;
• ионную;
• молекулярную;
• металлическую.

Но при различных температурах одно вещество может иметь различные формы и проявлять многообразные свойства. Это явление называется аллотропной модификацией.

Атомный тип

В этом типе в узлах расположены атомы того или иного вещества, которые связаны ковалентными связями. Этот вид связи образован парой электронов двух соседних атомов. Благодаря этому они связываются равномерно и в строгом порядке.

Вещества с атомной кристаллической решёткой характеризуются следующими свойствами: прочность и большая температура плавления. Такой тип связи представлен у алмаза, кремния и бора .

Ионный тип

Противоположно заряженные ионы находятся на узлах, которые создают электромагнитное поле, характеризующее физические свойства вещества. К таковым будут относиться: электропроводность, тугоплавкость, плотность и твёрдость. Поваренная соль и нитрат калия характеризуются наличием ионной кристаллической решётки.

Не пропустите: механизм образования , конкретные примеры.

Молекулярный тип

В узлах такого типа находятся ионы, связанные между собой ван-дер-ваальсовыми силами. Благодаря слабым межмолекулярным связям такие вещества, например, лёд, двуокись углерода и парафин, характеризуются пластичностью, электро- и теплопроводностью.

Металлический тип

В своём строении напоминает молекулярную, но имеет всё же более прочные связи. Отличие данного типа в том, что на её узлах находятся положительно заряженные катионы . Электроны, которые находятся в межузловом пространстве, участвуют в образовании электрического поля. Они ещё носят название электрического газа.

Простые металлы и сплавы, характеризуются металлическим типом решётки. Для них характерно наличие металлического блеска, пластичность, тепло- и электропроводность. Они могут плавиться при различных температурах.

При осуществлении многих физических и химических реакций вещество переходит в твердое агрегатное состояние. При этом молекулы и атомы стремятся расположиться в таком пространственном порядке, при котором силы взаимодействия между частицами вещества были бы максимально сбалансированы. Этим и достигается прочность твердого вещества. Атомы, однажды заняв определенное положение, совершают небольшие колебательные движения, амплитуда которых зависит от температуры, но положение их в пространстве остается фиксированным. Силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга на определенном расстоянии.

Современные представления о строении вещества

Современная наука утверждает, что атом состоит из заряженного ядра, несущего положительный заряд, и электронов, несущих заряды отрицательные. Со скоростью несколько тысяч триллионов оборотов в секунду электроны вращаются по своим орбитам, создавая вокруг ядра электронное облако. Положительный заряд ядра численно равен отрицательному заряду электронов. Таким образом, атом вещества остается электрически нейтральным. Возможные взаимодействия с другими атомами происходят тогда, когда электроны отсоединяются от родного атома, тем самым нарушая электрический баланс. В одном случае атомы выстраиваются в определенном порядке, который и называется кристаллической решеткой. В другом - за счет сложного взаимодействия ядер и электронов соединяются в молекулы различного вида и сложности.

Определение кристаллической решетки

В совокупности различные типы кристаллических решеток веществ представляют собой сетки с различной пространственной ориентацией, в узлах которых располагаются ионы, молекулы или атомы. Это стабильное геометрическое пространственное положение и называется кристаллической решеткой вещества. Расстояние между узлами одной кристаллической ячейки называется периодом идентичности. Пространственные углы, под которыми расположены узлы ячейки, называются параметрами. По способу построения связей кристаллические решетки могу быть простыми, базоцентрированными, гранецентрированными и объемно-центрированными. Если частицы вещества расположены лишь в углах параллелепипеда, такая решетка называется простой. Пример такой решетки показан ниже:

Если, кроме узлов, частицы вещества расположены и в середине пространственных диагоналей, то такое построение частиц в веществе имеет название объемно-центрированной кристаллической решетки. На рисунке этот тип показан наглядно.

Если кроме узлов в вершинах решетки имеется узел и в месте, где пересекаются воображаемые диагонали параллелепипеда, то перед вами - гранецентрированный тип решетки.

Виды кристаллических решеток

Различные микрочастицы, из которых состоит вещество, определяют различные типы кристаллических решеток. Они могут определять принцип построения связи между микрочастицами внутри кристалла. Физические типы кристаллических решеток - ионные, атомные и молекулярные. Сюда же относятся различные типы кристаллических решеток металлов. Изучением принципов внутреннего строения элементов занимается химия. Типы кристаллических решеток подробнее представлены ниже.

Ионные кристаллические решетки

Данные типы кристаллических решеток присутствуют в соединениях с ионным типом связи. В этом случае узлы решетки содержат ионы, обладающие противоположным электрическим зарядом. Благодаря электромагнитному полю, силы межионного взаимодействия оказываются достаточно сильными, и это обуславливает физические свойства вещества. Обычными характеристиками являются тугоплавкость, плотность, твердость и возможность проводить электрический ток. Ионные типы кристаллических решеток имеются у таких веществ, как поваренная соль, нитрат калия и прочие.

Атомные кристаллические решетки

Этот тип строения вещества присущ элементам, структуру которых определяет ковалентная химическая связь. Типы кристаллических решеток подобного рода содержат в узлах отдельные атомы, связанные между собой крепкими ковалентными связями. Подобный тип связи возникает тогда, когда два одинаковых атома «делятся» электронами, тем самым образуют общую пару электронов для соседних атомов. Благодаря такому взаимодействию ковалентные связи равномерно и сильно связывают атомы в определенном порядке. Химические элементы, которые содержат атомные типы кристаллических решеток, обладают твердостью, высокой температурой плавления, плохо проводят электрический ток и химически неактивны. Классическими примерами элементов с подобным внутренним строением можно назвать алмаз, кремний, германий, бор.

Молекулярные кристаллические решетки

Вещества, имеющие молекулярный тип кристаллической решетки, представляют собой систему устойчивых, взаимодействующих, плотноупакованных между собой молекул, которые расположены в узлах кристаллической решетки. В подобных соединениях молекулы сохраняют свое пространственное положение в газообразной, жидкой и твердой фазе. В узлах кристалла молекулы удерживаются слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, которые в десятки раз слабее сил ионного взаимодействия.

Образующие кристалл молекулы могут быть как полярными, так и неполярными. Из-за спонтанного движения электронов и колебания ядер в молекулах электрическое равновесие может смещаться - так возникает мгновенный электрический момент диполя. Соответствующим образом ориентированные диполи создают силы притяжения в решетке. Двуокись углерода и парафин являются типичными примерами элементов с молекуляной кристаллической решеткой.

Металлические кристаллические решетки

Металлическая связь гибче и пластичней ионной, хотя может показаться, что обе они базируются на одном и том же принципе. Типы кристаллических решеток металлов объясняют их типичные свойства - такие, например, как механическая прочность, тепло- и электропроводность, плавкость.

Отличительной особенностью металлической кристаллической решетки является наличие положительно заряженных ионов металла (катионов) в узлах этой решетки. Между узлами находятся электроны, которые непосредственно участвуют в создании электрического поля вокруг решетки. Количество электронов, перемещающихся внутри этой кристаллической решетки, называется электронным газом.

При отсутствии электрического поля свободные электроны совершают хаотическое движение, беспорядочно взаимодействуя с ионами решетки. Каждое такое взаимодействие меняет импульс и направление движения отрицательно заряженной частицы. Своим электрическим полем электроны притягивают к себе катионы, уравновешивая их взаимное отталкивание. Хотя электроны считаются свободными, их энергии не хватает для того, чтобы покинуть кристаллическую решетку, поэтому эти заряженные частицы постоянно находятся в ее пределах.

Присутствие электрического поля придает электронному газу дополнительную энергию. Соединение с ионами в кристаллической решетке металлов не является прочным, поэтому электроны легко покидают ее пределы. Электроны двигаются по силовым линиям, оставляя позади положительно заряженные ионы.

Выводы

Огромное значение изучению внутреннего строения вещества уделяет химия. Типы кристаллических решеток различных элементов определяют практически весь спектр их свойств. Воздействуя на кристаллы и меняя их внутренне строение, можно добиться усиления нужных свойств вещества и удалить нежелательные, преобразовывать химические элементы. Таким образом, изучение внутренней структуры окружающего мира может помочь познать суть и принципы устройства мироздания.

Большинство твердых веществ имеет кристаллическое строение. Кристаллическая решетка построена из повторяющихся одинаковых структурных единиц, индивидуальных для каждого кристалла. Эта структурная единица носит название “элементарная ячейка”. Другими словами, кристаллическая решетка служит отображением пространственной структуры твердого вещества.

Классифицировать кристаллические решетки можно различным образом.

I. По симметрии кристаллов решетки классифицируются на кубические, тетрагональные, ромбические, гексагональные.

Эта классификация удобна при оценке оптических свойств кристаллов, а также их каталитической активности.

II. По природе частиц , находящихся в узлах решетки и по типу химической связи между ними различают атомные, молекулярные, ионные и металлические кристаллические решетки . Тип связи в кристалле определяет различие в твердости, растворимости в воде, величине теплоты растворения и теплоты плавления, электрической проводимости.

Важной характеристикой кристалла является энергия кристаллической решетки, кДж/моль – энергия, которую необходимо затратить на разрушение данного кристалла.

Молекулярная решетка

Молекулярные кристаллы состоят из молекул, удерживаемых в определенных положениях кристаллической решетки слабыми межмолекулярными связями (вандерваальсовыми силами) или водородными связями. Эти решетки характерны для веществ с ковалентными связями.

Веществ с молекулярной решеткой очень много. Это большое число органических соединений (сахар, нафталин и др.), кристаллическая вода (лед), твердый углекислый газ (“сухой лед”), твердые галогеноводороды, иод, твердые газы, в том числе и благородные,

Минимальна энергия кристаллической решетки у веществ с неполярными и малополярными молекулами (СН 4 , СО 2 и т.п.).

Решетки, образованные более полярными молекулами, имеют и более высокую энергию кристаллической решетки. Наибольшей энергией обладают решетки с веществами, образующими водородные связи (Н 2 О, NН 3).

Из-за слабого взаимодействия между молекулами эти вещества летучи, легкоплавки, имеют небольшую твердость, не проводят электрический ток (диэлектрики) и обладают низкой теплопроводностью.

Атомная решетка

В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы одного или различных элементов, связанных между собой ковалентными связями по всем трем осям. Такие кристаллы , которые называют также ковалентными , сравнительно немногочисленны.

Примерами кристаллов этого типа могут служить алмаз, кремний, германий, олово, а также кристаллы сложных веществ, таких как нитрид бора, нитрид алюминия, кварц, карбид кремния. Все эти вещества имеют алмазоподобную решетку.

Энергия кристаллической решетки в таких веществах практически совпадает с энергией химической связи (200 – 500 кДж/моль). Это определяет и их физические свойства: высокие твердость, температура плавления и температура кипения.

Разнообразны электропроводящие свойства этих кристаллов: алмаз, кварц, нитрид бора – диэлектрики; кремний, германий – полупроводники; металлическое серое олово хорошо проводит электрический ток.

В кристаллах с атомной кристаллической решеткой нельзя выделить отдельную структурную единицу. Весь монокристалл представляет собой одну гигантскую молекулу .

Ионная решетка

В узлах ионной решетки чередуются положительные и отрицательные ионы, между которыми действуют электростатические силы. Ионные кристаллы образуют соединения с ионной связью, например, хлорид натрия NaCl, фторид калия и KF и др. В состав ионных соединений могут входить и сложные ионы, например, NO 3 - , SO 4 2 - .

Ионные кристаллы также представляют собой гигантскую молекулу, в которой каждый ион испытывает значительной воздействие со стороны всех остальных ионов.

Энергия ионной кристаллической решетки может достигать значительных величин. Так, Е (NaCl) = 770 кДж/моль, а Е (ВеО) = 4530 кДж/моль.

Ионные кристаллы имеют высокие температуры плавления и кипения и высокую прочность, но хрупки. Многие из них плохо проводят электрический ток при комнатной температуре (примерно на двадцать порядков ниже, чем у металлов), но с ростом температуры наблюдается увеличение электрической проводимости.

Металлическая решетка

Кристаллы металлов дают примеры простейших кристаллических структур.

Ионы металла в решетке металлического кристалла можно приближенно рассматривать в виде шаров. В твердых металлах эти шары упакованы с максимальной плотностью, на что указывает значительная плотность большинства металлов (от 0,97 г/см 3 у натрия, 8,92 г/см 3 у меди до 19,30 г/см 3 у вольфрама и золота). Наиболее плотная упаковка шаров в одном слое – это гексагональная упаковка, в которой каждый шар окружен шестью другими шарами (в той же плоскости). Центры любых трех соседних шаров образуют равносторонний треугольник.

Такие свойства металлов, как высокие тягучесть и ковкость, указывают на отсутствие жесткости в металлических решетках: их плоскости довольно легко сдвигаются одна относительно другой.

Валентные электроны участвуют в образовании связи со всеми атомами, свободно перемещаются по всему объему куска металла. На это указывают высокие значения электропроводимости и теплопроводности.

По энергии кристаллической решетки металлы занимают промежуточное положение между молекулярными и ковалентными кристаллами. Энергия кристаллической решетки составляет:

Таким образом, физические свойства твердых веществ существенно зависят от типа химической связи и структуры.

Структура и свойства твердых веществ

Характеристики	Кристаллы
Металлические	Ионные	Молекулярные	Атомные
Примеры	K, Al, Cr, Fe	NaCl, KNO 3	I 2 , нафталин	алмаз, кварц
Структурные частицы	Положительные ионы и подвижные электроны	Катионы и анионы	Mолекулы	Атомы
Тип химической связи	Металлическая	Ионная	В молекулах – ковалентная; между молекулами – вандерваальсовы силы и водородные связи	Между атомами – ковалентная
t плавления	Высокая	Высокая	Невысокая	Очень высокая
t кипения	Высокая	Высокая	Невысокая	Очень высокая
Механические свойства	Твердые, ковкие, тягучие	Твердые, хрупкие	Мягкие	Очень твердые
Электропроводность	Хорошие проводники	В твердом виде – диэлектрики; в расплаве или растворе – проводники	Диэлектрики	Диэлектрики (кроме графита)
Растворимость
в воде	Нерастворимы	Растворимы	Нерастворимы	Нерастворимы
в неполяр- ных раство- рителях	Нерастворимы	Нерастворимы	Растворимы	Нерастворимы

(Все определения, формулы, графики и уравнения реакций даются под запись.)

Связи между ионами в кристалле очень прочные и устойчивые.Поэтому вещества с ионной решёткой обладают высокой твёрдостью и прочностью, тугоплавки и нелетучи.

Вещества с ионной кристаллической решеткой обладают следующими свойствами:

1. Относительно высокой твердостью и прочностю;

2. Хрупкостью;

3. Термостойкостью;

4. Тугоплавкостью;

5. Нелетучестью.

Примеры: соли – хлорид натрия, карбонат калия, основания – гидрооксид кальция, гидрооксид натрия.

4. Механизм образования ковалентной связи (обменный и донорно-акцепторный).

Каждый атом стремится завершить свой внешний электронный уровень, чтобы уменьшить потенциальную энергию. Поэтому ядро одного атома притягивается к себе электронную плотность другого атома и наоборот, происходит наложение электронных облаков двух соседних атомов.

Демонстрация аппликации и схемы образования ковалентной неполярной химической связи в молекуле водорода. (Учащиеся записывают и зарисовывают схемы).

Вывод: Связь между атомами в молекуле водорода осуществляется за счет общей электронной пары. Такая связь называется ковалентной.

Какую связь называют ковалентной неполярной? (Учебник стр. 33).

Составление электронных формул молекул простых веществ неметаллов:

CI CI - электронная формула молекулы хлора,

CI -- CI - структурная формула молекула хлора.

N N - электронная формула молекулы азота,

N ≡ N - структурная формула молекулы азота.

Электроотрицательность. Ковалентные полярная и неполярная связи. Кратность ковалентной связи.

Но молекулы могут образовывать и разные атомы неметаллов и в этом случае общая электронная пара будет смещаться к более электроотрицательному химическому элементу.

Изучить материал учебника на стр. 34

Вывод: Металлы имеют более низкое значение электроотрицательности, чем неметаллы. И между ними она сильно отличается.

Демонстрация схемы образования полярной ковалентной связи в молекуле хлороводорода.

Общая электронная пара смещена к хлору, как более электроотрицательному. Значит это ковалентная связь. Она образована атомами, электроотрицательности которых несильно отличаются, поэтому это ковалентная полярная связь.

Составление электронных формул молекул йодоводорода и воды:

H J - электронная формула молекулы йодоводорода,

H → J - структурная формула молекулы йодоводорода.

H O - электронная формула молекулы воды,

Н →О - структурная формула молекулы воды.

Самостоятельная работа с учебником: выписать определение электроотрицательности.

Молекулярные и атомные кристаллические решетки. Свойства веществ с молекулярными и атомными кристаллическими решетками

Самостоятельная работа с учебником.

Вопросы для самоконтроля

Атом, какого химического элемента имеет заряд ядра +11

– Записать схему электронного строения атома натрия

– Внешний слой завершен?

– Как добиться завершения заполнения электронного слоя?

– Составить схему отдачи электрона

– Сравнить строение атома и иона натрия

Сравнить строение атома и иона инертного газа неона.

Определить атом, какого элемента с количеством протонов 17.

– Запишите схему электронного строения атома.

– Слой завершен? Как этого добиться.

– Составить схему завершения электронного слоя хлора.

Задание по группам:

1-3 группа: Cоставьте электронные и структурные формулы молекул веществ и укажите тип связи Br 2 ; NH 3 .

4-6 группы: Cоставьте электронные и структурные формулы молекул веществ и укажите тип связи F 2 ; HBr.

Два ученика работают у дополнительной доски с этим же заданием для образца к самопроверке.

Устный опрос.

1. Дайте определение понятия «электроотрицательность».

2. От чего зависит электроотрицательность атома?

3. Как изменяется электроотрицательность атомов элементов в периодах?

4. Как изменяется электроотрицательность атомов элементов в главных подгруппах?

5. Сравните электроотрицательность атомов металлов и неметаллов. Отличаются ли способы завершения внешнего электронного слоя, характерные для атомов металлов и неметаллов? Каковы причины этого?

7. Какие химические элементы способны отдавать электроны, принимать электроны?

Что происходит между атомами при отдаче и принятии электронов?

Как называют частицы, образовавшиеся из атома в результате отдачи или присоединения электронов?

8. Что произойдет при встрече атомов металла и неметалла?

9. Как образуется ионная связь?

10. Химическая связь, образуемая за счет образования общих электронных пар называется …

11. Ковалентная связь бывает … и …

12. В чем сходство ковалентной полярной и ковалентной неполярной связи? От чего зависит полярность связи?

13. В чем различие ковалентной полярной и ковалентной неполярной связи?

ПЛАН ЗАНЯТИЯ № 8

Дисциплина: Химия.

Тема: Металлическая связь. Агрегатные состояния веществ и водородная связь.

Цель занятия: Сформировать понятие об химических связях на примере металлической связи. Добиться понимания механизма образования связи.

Планируемые результаты

Предметные: формировании кругозора и функциональной грамотности человека для решения практических задач; умение обрабатывать, объяснять результаты; готовность и способность применять методы познания при решении практических задач;

Метапредметные: использование различных источников для получения химической информации, умение оценить ее достоверность для достижения хороших результатов в профессиональной сфере;

Личностные: умение использовать достижения современной химической науки и химических технологий для повышения собственного интеллектуального развития в выбранной профессиональной деятельности;

Норма времени: 2 часа

Вид занятия: Лекция.

План занятия:

1. Металлическая связь. Металлическая кристаллическая решетка и металлическая химическая связь.

2. Физические свойства металлов.

3. Агрегатные состояния веществ. Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

4. Водородная связь

Оснащение: Периодическая система химических элементов, кристаллическая решетка, раздаточный материал.

Литература:

1. Химия 11 класс: учеб. для общеобразоват. организаций Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.:Просвещение, 2014. -208 с.: ил..

2. Химия для профессий и специальностей технического профиля: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / О.С.Габриелян, И.Г. Остроумов. – 5 - изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2017. – 272с., с цв. ил.

Преподаватель: Тубальцева Ю.Н.