Кристаллические решетки: типы, свойства, виды

Большинство твёрдых веществ имеет кристаллическое строение, которое характеризуется строго определённым расположением частиц. Если соединить частицы условными линиями, то получится пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой. Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки. В узлах воображаемой решётки могут находиться атомы, ионы или молекулы. В зависимости от природы частиц, расположенных в узлах, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решёток: ионную, металлическую, атомную и молекулярную кристаллические решетки.

Ионными называют кристаллические решетки, в узлах которых находятся ионы.

Их образуют вещества с ионной связью. В узлах такой кристаллической решётки располагаются положительные и отрицательные ионы, связанные между собой электростатическим взаимодействием.   Ионные кристаллические решётки имеют соли, щёлочи, оксиды активных металлов.

Ионы могут быть простые или сложные. Например, в узлах кристаллической решетки хлорида натрия находятся простые ионы натрия Na+ и хлора Cl−, а в узлах кристаллической решётки сульфата калия чередуются простые ионы калия  K+ и сложные сульфат-ионы SO2−4. Связи между ионами в таких кристаллах прочные. Поэтому ионные вещества твёрдые, тугоплавкие, нелетучие. Такие вещества хорошо растворяются в воде.

Металлическими называют кристаллической решётки, которые состоят из положительных ионов и атомов металла и свободных электронов.

Их образуют вещества с металлической связью. В узлах металлической кристаллической решетки находятся атомы и ионы (то атомы, то ионы, в которые легко превращаются атомы, отдавая свои внешние электроны в общее пользование). 

Такие кристаллические решетки характерны для простых веществ металлов и сплавов.

Температуры плавления металлов могут быть разными (от –37 °С у ртути до двух-трёх тысяч градусов). Но все металлы имеют характерный металлический блеск, ковкость, пластичность, хорошо проводят электрический ток и тепло. 

Атомными называют кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, соединённые ковалентными связями.

Такой тип кристаллической решётки имеет алмаз — одно из аллотропных видоизменений углерода. К веществам с атомной кристаллической решёткой относятся графит, кремний, бори германий, а также сложные вещества, например, карборунд SiC и кремнезём, кварц, горный хрусталь, песок, в состав которых входит оксид кремния(IV) SiO2.  

Таким веществам характерны высокая прочность и твёрдость. Так, алмаз является самым твёрдым природным веществом. У веществ с атомной кристаллической решёткой очень высокие температуры плавления и кипения. Например, температура плавления кремнезёма — 1728 °С, а у графита она выше — 4000°С. Атомные кристаллы практически нерастворимы.

Молекулярными  называют кристаллические решетки, в узлах которых находятся молекулы, связанные слабым межмолекулярным взаимодействием.

Несмотря на то, что внутри молекул атомы соединены очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую прочность и твёрдость, низкие температуры плавления и кипения. Многие молекулярные вещества при комнатной температуре представляют собой жидкости и газы. Такие вещества летучи. Например, кристаллические иод и твёрдый оксид углерода(IV) («сухой лёд») испаряются, не переходя в жидкое состояние. Некоторые молекулярные вещества имеют запах. 

Такой тип кристаллической решетки имеют простые вещества в твёрдом агрегатном состоянии: благородные газы с одноатомными молекулами  (He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn), а также неметаллы с двух- и многоатомными молекулами (H2,O2,N2,Cl2,I2,O3,P4,S8).  

Молекулярную кристаллическую решетку имеют также вещества с ковалентными полярными связями: вода — лёд, твёрдые аммиак, кислоты, оксиды большинства неметаллов. Большинство органических соединений тоже представляют собой молекулярные кристаллы (нафталин, сахар, глюкоза). 

Если известно строение вещества, то можно предсказать его свойства.

Попробуем определить, каковы примерно температуры плавления у фторида натрия, фтороводорода и фтора.  

У фторида натрия — ионная кристаллическая решётка. Значит, его температура плавления будет высокой. Фтороводород и фтор имеют молекулярные кристаллические решётки. Поэтому их температуры плавления будут невысокими. Молекулы фтороводорода полярные, а фтора — неполярные. Значит, межмолекулярное взаимодействие у фтороводорода будет сильнее, и его температура плавления будет выше по сравнению со фтором. 

Экспериментальные данные подтверждают эти предположения: температуры плавления NaF, HF и F2 составляют соответственно 995 °С, –83 °С,  –220 °С.

Мир кристаллов настолько красив, что даже обычно сдержанные ученые-химики иногда описывают его не сухим языком научных статей, а скорее поэтическими категориями. Посмотрите, с каким восхищением пишет о строении кристаллов норвежский химик Юхан Фогт:

“Представьте себе двести замечательных скрипачей, играющих одну и ту же пьесу на прекрасно настроенных инструментах, но не в унисон. Результат будет не из приятных, и даже человек с хорошим слухом не поймет, что они играют. Аналогичную музыку издают молекулы газов, жидкостей и обычных твердых тел… В отличие от этого кристалл подобен оркестру, руководимому блестящим дирижером; за движениями дирижера следят глаза всех музыкантов, и все смычки повинуются каждому мановению его руки… Для меня музыка физических законов звучит самым полным и сильным аккордом именно в области науки о кристаллах”.

+Плюс к карме за репост: