Каким кристаллическим строением и какими свойствами
Всем специалистам в области кристаллографии или физики твердого тела совершенно ясно, что в случае кристалла мы имеем дело с упорядоченным расположением в пространстве атомов или ионов. В некоторых случаях, например в кристаллах льда или отвержденных газов, речь может идти о молекулах. Для краткости далее будем говорить только об атомах, в том числе ионизированных (ионах), если не оговаривается что-нибудь другое.
Итак, кристалл — это упорядоченная в пространстве система атомов. Они расположены правильным образом и чаще всего так, чтобы максимально плотно заполнить объем пространства. Попытавшись расположить вплотную друг к другу стальные шарики от шарикоподшипника, мы получим вполне приличную модель кристаллического строения и быстро убедимся, что число способов, которыми можно разместить шарики, ограничено. В зависимости от того, как расположены относительно друг друга атомные ряды и атомные плоскости, могут быть получены разные типы кристаллов. В свою очередь тип расположения атомов определяется их взаимодействием между собой, природой связи между частицами.
Аккуратное разламывание кристаллов приводит к появлению необычных структур с интересными свойствами. Сначала появляются крупные области с положительным или отрицательным поверхностным зарядом, создающие мощное электрическое поле, а затем они переходят в лабиринты шириной всего в несколько атомов.
Многие свойства ионных кристаллов обусловлены их структурой на атомарном масштабе: положительно и отрицательно заряженные атомы притягиваются друг к другу и образуют прочную периодическую решетку. Однако на поверхности кристалла заряды должны быть скомпенсированы. «Если расщепить кристалл с кубической решеткой вдоль определенных направлений, то можно получить заряды только одного типа, — поясняет один из авторов работы Ульрих Дибольд из Венского университета. — Такая конфигурация крайне нестабильна». Потенциально такой слой мог бы на крошечном образце создавать поле с напряжением в миллионы вольт. Такую ситуацию ученые называют «поляризационной катастрофой».
В новом исследовании физики пытались понять, как именно атомы реорганизуются, чтобы не допустить поляризационной катастрофы. «Поверхность может по-разному измениться в ответ на разлом, — говорит первый автор статьи Мартин Сетвин. — Электроны могут начать накапливаться в определенных местах, кристаллическая решетка может исказиться или молекулы из воздуха могут налипнуть на поверхность, меняя ее свойства».
Ученые раскалывали кристаллы танталата калия KTaO3 при низких температурах и получали сколы, при которых половина атомов из слоя с одинаковыми зарядами оставалось на одном обломке, а вторая — на другом. Области с ионами одинакового заряда формировали «островки», хотя в среднем поверхность оказывалась нейтральной. «Тем не менее, островки достаточно велики, поэтому поляризационной катастрофы не удается полностью избежать — создаваемое ими поле настолько велико, что оно меняет свойства нижележащих слоев», — рассказал Сетвин.
При небольшом повышении температуры островки распались на лабиринт из ломаных линий, причем его «стены» были высотой всего в один атом и шириной в 4-5 атомов.
«Лабиритнообразные структуры не только прекрасны, но и потенциально полезны, — подытожил Дибольд. — Этот как раз то, что нужно — сильные электрические поля на атомном масштабе». Одним из возможных применений авторы называют проведение химических реакций, которые не проходят в других условиях, например, расщепление воды для получения водорода.
Основные свойства кристаллов – анизотропность, однородность, способность к самоогоранению и наличие постоянной температуры плавления определяются их внутренним строением.
Анизотропность
Это свойство называется еще неравносвойственностью. Выражается она в том, что физические свойства кристаллов (твердость, прочность, теплопроводность, электропроводность, скорость распространения света) неодинаковы по разным направлениям. Частицы, образующие кристаллическую структуру по непараллельным направлениям, отстоят друг от друга на разных расстояниях, вследствие чего и свойства кристаллического вещества по таким направлениям должны быть различными. Характерным примером вещества с ярко выраженной анизотропностью является слюда. Кристаллические пластинки этого минерала легко расщепляются лишь по плоскостям, параллельным его пластинчастости. В поперечных же направлениях расщепить пластинки слюды значительно труднее.
Анизотропность проявляется и в том, что при воздействии на кристалл какого-либо растворителя скорость химических реакций различна по различным направлениям. В результате каждый кристалл при растворении приобретает свои характерные формы, носящие название фигур вытравливания.
Аморфные вещества характеризуются изотропностью (равносвойственностью) – физические свойства по всем направлениям проявляются одинаково.
Однородность
Выражается в том, что любые элементарные объемы кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, массу, твердость и т.д. таким образом, всякий кристалл есть однородное, но в то же время и анизотропное тело.
Однородность присуща не только кристаллическим телам. Твердые аморфные образования также могут быть однородными. Но аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму.
Способность к самоогранению
Способность к самоогранению выражается в том, что любой обломок или выточенный из кристалла шарик в соответствующей для его роста среде с течением времени покрывается характерными для данного кристалла гранями. Эта особенность связана с кристаллической структурой. Стеклянный же шарик, например, такой особенностью не обладает.
Кристаллы одного и того же вещества могут отличаться друг от друга своей величиной, числом граней, ребер и формой граней. Это зависит от условий образования кристалла. При неравномерном росте кристаллы получаются сплющенными, вытянутыми и т.д. Неизменными остаются углы между соответственными гранями растущего кристалла. Эта особенность кристаллов известна как закон постоянства гранных углов. При этом величина и форма граней у различных кристаллов одного и того же вещества, расстояние между ними и даже их число могут меняться, но углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и того же вещества остаются постоянными при одинаковых условиях давления и температуры.
Закон постоянства гранных углов было установлен в конце XVII века датским ученым Стено (1699) на кристаллах железного блеска и горного хрусталя, впоследствии этот закон был подтвержден М.В. Ломоносовым (1749) и французским ученым Роме де Лиллем (1783). Закон постоянства гранных углов получил название первого закона кристаллографии.
Закон постоянства гранных углов объясняется тем, что все кристаллы одного вещества тождественны по внутреннему строению, т.е. имеют одну и ту же структуру.
Согласно этому закону кристаллы определенного вещества характеризуются своими определенными углами. Поэтому измерением углов можно доказать принадлежность исследуемого кристалла к тому или иному веществу. На этом основан один из методов диагностики кристаллов.
Для измерения у кристаллов двугранных углов были изобретены специальные приборы – гониометры.
Постоянная температура плавления
Выражается в том, что при нагревании кристаллического тела температура повышается до определенного предела; при дальнейшем же нагревании вещество начинает плавиться, а температура некоторое время остается постоянной, так как все тепло идет на разрушение кристаллической решетки. Температура, при которой начинается плавление, называется температурой плавления.
Аморфные вещества в отличие от кристаллических не имеют четко выраженной температуры плавления. На кривых охлаждения (или нагревания) кристаллических и аморфных веществ, можно видеть, что в первом случае имеются два резких перегиба, соответствующие началу и концу кристаллизации; в случае же охлаждения аморфного вещества мы имеем плавную кривую. По этому признаку легко отличить кристаллические вещества от аморфных.
Прочность кристаллов
Проблема прочности кристаллов была и остается одной из самых важных в современных технике. Дело в том, что широко используемые конструкционные материалы в большей части представляют собой сплавы железа (сталь), алюминия (силумин, дюралюминий), меди (латунь, бронза) и некоторых других металлов, и все они имеют кристаллическое строение. В случае металлов мы редко имеем дело с такими правильными и красивыми кристаллами, о которых шла речь раньше. Металлические сплавы имеют так называемое поликристаллическое строение, то есть состоят из отдельных зерен — кристаллов, несколько развернутых друг относительно друга.
Шаг за шагом человек переходил от менее прочного материала к более прочному, это вело к совершенствованию всей используемой техники и расширению ее возможностей. Сейчас в борьбе за прочность счет идет уже только на проценты; из технических материалов выжато практически все, что можно, и каждый последующий шаг дается со все большим трудом.
Лет двадцать назад казалось, что если научиться выращивать бездефектные кристаллы большого размера, то проблема прочности будет полностью решена, а расход металла в сотни раз сократится. К сожалению, эти надежды не сбылись. Вырастить идеальный кристалл большого размера или очень дорого, или невозможно. Только в таких областях, как радиоэлектроника, это можно себе позволить. Например, полупроводниковые кристаллы Ge и Si выращиваются практически бездефектными. Такими же являются и рубиновые кристаллы для лазеров. Что же касается конструкционных материалов, то здесь пока приходится достигать высоких значений прочности, идя традиционным путем.
И еще одно важное заключение. Оказывается, что многие физические свойства кристаллов, в первую очередь их прочность, определяются не идеальной кристаллической решеткой, а отклонениями от идеальности — дефектной структурой. Умелое использование таких пороков кристалла позволяет управлять его свойствами и приспосабливать их к разнообразным требованиям современной техники. Для физика или инженера дефекты являются очень важной составной частью кристалла, без которой он практически не может существовать. Но тема дефектов в кристаллах заслуживает более глубокого и всестороннего обсуждения, чем то, которое возможно в этой статье.
[источники]
Источники:
https://www.geolib.net/crystallography/vazhneyshie-svoystva-kristallov.html
https://indicator.ru/news/2018/02/02/labirinty-na-skolah-kristallov/?utm_source=indivk&utm_medium=social&utm_campaign=eta-zamyslovataya-struktura—ne-rezulta
https://biofile.ru/geo/3307.html
Это копия статьи, находящейся по адресу https://masterokblog.ru/?p=2285.
Источник
Темы кодификатора ЕГЭ: Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решетки. Зависимость свойств веществ от их состава и строения.
Молекулярно-кинетическая теория
Все молекулы состоят из мельчайших частиц – атомов. Все открытые на настоящий момент атомы собраны в таблице Менделеева.
Атом – это мельчайшая, химически неделимая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Атомы соединяются между собой химическими связями. Ранее мы уже рассматривали виды химических связей и их свойства. Обязательно изучите теорию по теме: Типы химических связей, перед тем, как изучать эту статью!
Теперь рассмотрим, как могут соединяться частицы в веществе.
В зависимости от расположения частиц друг относительно друга свойства образуемых ими веществ могут очень сильно различаться. Так, если частицы расположены друг от друга далеко (расстояние между частицами намного больше размеров самих частиц), между собой практически не взаимодействуют, перемещаются в пространстве хаотично и непрерывно, то мы имеем дело с газом.
Если частицы расположены близко друг к другу, но хаотично, больше взаимодействуют между собой, совершают интенсивные колебательные движения в одном положении, но могут перескакивать в другое положение, то это модель строения жидкости.
Если же частицы расположены близко к друг другу, но более упорядоченно, и больше взаимодействуют между собой, а двигаются только в пределах одного положения равновесия, практически не перемещаясь в другие положения, то мы имеем дело с твердым веществом.
Большинство известных химических веществ и смесей могут существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Самый простой пример – это вода. При нормальных условиях она жидкая, при 0 оС она замерзает – переходит из жидкого состояния в твердое, и при 100 оС закипает – переходит в газовую фазу – водяной пар. При этом многие вещества при нормальных условиях – газы, жидкости или твердые. Например, воздух – смесь азота и кислорода – это газ при нормальных условиях. Но при высоком давлении и низкой температуре азот и кислород конденсируются и переходят в жидкую фазу. Жидкий азот активно используют в промышленности. Иногда выделяют плазму, а также жидкие кристаллы, как отдельные фазы.
Очень многие свойства индивидуальных веществ и смесей объясняются взаимным расположением частиц в пространстве друг относительно друга!
Данная статья рассматривает свойства твердых тел, в зависимости от их строения. Основные физические свойства твердых веществ: температура плавления, электропроводность, теплопроводность, механическая прочность, пластичность и др.
Температура плавления – это такая температура, при которой вещество переходит из твердой фазы в жидкую, и наоборот.
Пластичность – это способность вещества деформироваться без разрушения.
Электропроводность – это способность вещества проводить ток.
Ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Таким образом, ток могут проводить только такие вещества, в которых присутствуют подвижные заряженные частицы. По способности проводить ток вещества делят на проводники и диэлектрики. Проводники – это вещества, которые могут проводить ток (т.е. содержат подвижные заряженные частицы). Диэлектрики – это вещества, которые практически не проводят ток.
В твердом веществе частицы вещества могут располагаться хаотично, либо более упорядоченно. Если частицы твердого вещества расположены в пространстве хаотично, вещество называют аморфным. Примеры аморфных веществ – уголь, слюдяное стекло.
Аморфный бор
Если частицы твердого вещества расположены в пространстве упорядоченно, т.е. образуют повторяющиеся трехмерные геометрические структуры, такое вещество называют кристаллом, а саму структуру – кристаллической решеткой. Большинство известных нам веществ – кристаллы. Сами частицы при этом расположены в узлах кристаллической решетки.
Кристаллические вещества различают, в частности, по типу химической связи между частицами в кристалле – атомные, молекулярные, металлические, ионные; по геометрической форме простейшей ячейки кристаллической решетки – кубическая, гексагональная и др.
В зависимости от типа частиц, образующих кристаллическую решетку, различают атомную, молекулярную, ионную и металлическую кристаллическую структуру.
Атомная кристаллическая решетка
Атомная кристаллическая решетка образуется, когда в узлах кристалла расположены атомы. Атомы соединены между собой прочными ковалентными химическими связями. Соответственно, такая кристаллическая решетка будет очень прочной, разрушить ее непросто. Атомную кристаллическую решетку могут образовывать атомы с высокой валентностью, т.е. с большим числом связей с соседними атомами (4 или больше). Как правило, это неметаллы: простые вещества — кремния, бора, углерода (аллотропные модификации алмаз, графит), и их соединения (бороуглерод, оксид кремния (IV) и др.). Поскольку между неметаллами возникает преимущественно ковалентная химическая связь, свободных электронов (как и других заряженных частиц) в веществах с атомной кристаллической решеткой в большинстве случаев нет. Следовательно, такие вещества, как правило, очень плохо проводят электрический ток, т.е. являются диэлектриками. Это общие закономерности, из которых есть ряд исключений.
Связь между частицами в атомных кристаллах: ковалентная полярная или неполярная.
В узлах кристалла с атомной кристаллической структурой расположены атомы.
Фазовое состояние атомных кристаллов при нормальных условиях: как правило, твердые вещества.
Вещества, образующие в твердом состоянии атомные кристаллы:
- Простые вещества с высокой валентностью (расположены в середине таблицы Менделеева): бор, углерод, кремний, и др.
- Сложные вещества, образованные этими неметаллами: кремнезем (оксид кремния, кварцевый песок) SiO2; карбид кремния (корунд) SiC; карбид бора, нитрид бора и др.
Физические свойства веществ с атомной кристаллической решеткой:
— прочность;
— тугоплавкость (высокая температура плавления);
— низкая электропроводность;
— низкая теплопроводность;
— химическая инертность (неактивные вещества);
— нерастворимость в растворителях.
Молекулярная кристаллическая решетка
Молекулярная кристаллическая решетка – это такая решетка, в узлах которой располагаются молекулы. Удерживают молекулы в кристалле слабые силы межмолекулярного притяжения (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи, или электростатическое притяжение). Соответственно, такую кристаллическую решетку, как правило, довольно легко разрушить. Вещества с молекулярной кристаллической решеткой – легкоплавкие, непрочные. Чем больше сила притяжения между молекулами, тем выше температура плавления вещества. Как правило, температуры плавления веществ с молекулярной кристаллической решеткой не выше 200-300К. Поэтому при нормальных условиях большинство веществ с молекулярной кристаллической решеткой существует в виде газов или жидкостей. Молекулярную кристаллическую решетку, как правило, образуют в твердом виде кислоты, оксиды неметаллов, прочие бинарные соединения неметаллов, простые вещества, образующие устойчивые молекулы (кислород О2, азот N2, вода H2O и др.), органические вещества. Как правило, это вещества с ковалентной полярной (реже неполярной) связью. Т.к. электроны задействованы в химических связях, вещества с молекулярной кристаллической решеткой – диэлектрики, плохо проводят тепло.
Связь между частицами в молекулярных кристаллах: межмолекулярные водородные связи, электростатические или межмолекулярные силы притяжения.
В узлах кристалла с молекулярной кристаллической структурой расположены молекулы.
Фазовое состояние молекулярных кристаллов при нормальных условиях: газы, жидкости и твердые вещества.
Вещества, образующие в твердом состоянии молекулярные кристаллы:
- Простые вещества-неметаллы, образующие маленькие прочные молекулы (O2, N2, H2, S8 и др.);
- Сложные вещества (соединения неметаллов) с ковалентными полярными связями (кроме оксидов кремния и бора, соединений кремния и углерода) — вода H2O, оксид серы SO3 и др.
- Одноатомные инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон и др.);
- Большинство органических веществ, в которых нет ионных связей — метан CH4, бензол С6Н6 и др.
Физические свойства веществ с молекулярной кристаллической решеткой:
— легкоплавкость (низкая температура плавления):
— высокая сжимаемость;
— молекулярные кристаллы в твердом виде, а также в растворах и расплавах не проводят ток;
— фазовое состояние при нормальных условиях – газы, жидкости, твердые вещества;
— высокая летучесть;
— малая твердость.
Ионная кристаллическая решетка
В случае, если в узлах кристалла находятся заряженные частицы – ионы, мы можем говорить о ионной кристаллической решетке. Как правило, с ионных кристаллах чередуются положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы), поэтому частицы в кристалле удерживаются силами электростатического притяжения. В зависимости от типа кристалла и типа ионов, образующих кристалл, такие вещества могут быть довольно прочными и тугоплавкими. В твердом состоянии подвижных заряженных частиц в ионных кристаллах, как правило, нет. Зато при растворении или расплавлении кристалла ионы высвобождаются и могут двигаться под действием внешнего электрического поля. Т.е. проводят ток только растворы или расплавы ионных кристаллов. Ионная кристаллическая решетка характерна для веществ с ионной химической связью. Примеры таких веществ – поваренная соль NaCl, карбонат кальция – CaCO3 и др. Ионную кристаллическую решетку, как правило, в твердой фазе образуют соли, основания, а также оксиды металлов и бинарные соединения металлов и неметаллов.
Связь между частицами в ионных кристаллах: ионная химическая связь.
В узлах кристалла с ионной решеткой расположены ионы.
Фазовое состояние ионных кристаллов при нормальных условиях: как правило, твердые вещества.
Химические вещества с ионной кристаллической решеткой:
- Соли (органические и неорганические), в том числе соли аммония (например, хлорид аммония NH4Cl);
- Основания;
- Оксиды металлов;
- Бинарные соединения, в составе которых есть металлы и неметаллы.
Физические свойства веществ с ионной кристаллической структурой:
— высокая температура плавления (тугоплавкость);
— растворы и расплавы ионных кристаллов – проводники тока;
— большинство соединений растворимы в полярных растворителях (вода);
— твердое фазовое состояние у большинства соединений при нормальных условиях.
Металлическая кристаллическая решетка
И, наконец, металлы характеризуются особым видом пространственной структуры – металлической кристаллической решеткой, которая обусловлена металлической химической связью. Атомы металлов довольно слабо удерживают валентные электроны. В кристалле, образованном металлом, происходят одновременно следующие процессы: часть атомов отдает электроны и становится положительно заряженными ионами; эти электроны хаотично перемещаются в кристалле; часть электронов притягивается к ионам. Эти процессы происходят одновременно и хаотично. Таким образом, возникают ионы, как при образовании ионной связи, и образуются общие электроны, как при образовании ковалентной связи. Свободные электроны перемещаются хаотично и непрерывно по всему объему кристалла, как газ. Поэтому иногда их называют «электронным газом». Из-за наличия большого числа подвижных заряженных частиц металлы проводят ток, тепло. Температура плавления металлов сильно варьируется. Металлы также характеризуются своеобразным металлическим блеском, ковкостью, т.е. способностью изменять форму без разрушения при сильном механическом воздействии, т.к. химические связи при этом не разрушаются.
Связь между частицами: металлическая химическая связь.
В узлах кристалла с металлической решеткой расположены ионы металлов и атомы.
Фазовое состояние металлов при обычных условиях: как правило, твердые вещества (исключение — ртуть, жидкость при обычных условиях).
Химические вещества с металлической кристаллической решеткой — простые вещества-металлы.
Физические свойства веществ с металлической кристаллической решеткой:
— высокая тепло- и электропроводность;
— ковкость и пластичность;
— металлический блеск;
— металлы, как правило, нерастворимы в растворителях;
— большинство металлов – твердые вещества при нормальных условиях.
Сравнение свойств веществ с различными кристаллическими решетками
Тип кристаллической решетки (или отсутствие кристаллической решетки) позволяет оценить основные физические свойства вещества. Для примерного сравнения типичных физических свойств соединений с разными кристаллическими решетками очень удобно использовать химические вещества с характерными свойствами. Для молекулярной решетки это, например, углекислый газ, для атомной кристаллической решетки — алмаз, для металлической — медь, и для ионной кристаллической решетки — поваренная соль, хлорид натрия NaCl.
Сводная таблица по структурам простых веществ, образованных химическими элементами из главных подгрупп таблицы Менделеева (элементы побочных подгрупп являются металлами, следовательно, имеют металлическую кристаллическую решетку).
Итоговая таблица связи свойств веществ со строением:
Источник