В химические взаимодействия вступают не отдельные атомы или молекулы, а вещества.

Наша задача познакомиться со строением вещества.

При низких температурах для веществ устойчиво твёрдое состояние.

☼ Самым твёрдым веществом в природе является алмаз. Он считается царём всех самоцветов и драгоценных камней. Да и само его название означает по-гречески «несокрушимый». На алмазы с давних пор смотрели как на чудодейственные камни. Считалось, что человек, носящий алмазы, не знает болезней желудка, на него не действует яд, он сохраняет до глубокой старости память и весёлое расположение духа, пользуется царской милостью.

☼ Алмаз, подвергнутый ювелирной обработке – огранке, шлифовке, называют бриллиантом.

При плавлении в результате тепловых колебаний порядок частиц нарушается, они становятся подвижными, при этом характер химической связи не нарушается. Таким образом, между твёрдым и жидким состояниями принципиальных различий нет.

У жидкости появляется текучесть (т. е. способность принимать форму сосуда).

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы открыты в конце XIX века, но изучены впоследние 20-25 лет. Многие показывающие устройства современной техники, например некоторые электронные часы, мини-ЭВМ, работают на жидких кристаллах.

В общем-то слова «жидкие кристаллы» звучат не менее необычно, чем «горячий лёд» . Однако на самом деле и лёд может быть горячим, т.к. при давлении более 10000 атм. водянойлёдплавится при температуре выше 200 0 С. Необычность сочетания «жидкие кристаллы» состоит в том, что жидкое состояние указывает на подвижность структуры, а кристалл предполагает строгую упорядоченность.

Если вещество состоит из многоатомных молекул вытянутой или пластинчатой формы и имеющих несимметричное строение, то при его плавлении эти молекулы ориентируются определённым образом друг относительно друга (их длинные оси располагаются параллельно). При этом молекулы могут свободно перемещаться параллельно самим себе, т.е. система приобретает свойство текучести, характерное для жидкости. В то же время система сохраняет упорядоченную структуру, обусловливающую свойства, характерное для кристаллов.

Высокая подвижность такой структуры даёт возможность управлять ею путём очень слабых воздействий (тепловых, электрических и др.), т.е. целенаправленно изменять свойства вещества, в том числе оптические, с очень малыми затратами энергии, что и используется в современной технике.

Типы кристаллических решёток

Любое химическое вещество образованно большим числом одинаковых частиц, которые связаны между собою.

При низких температурах, когда тепловое движение затруднено, частицы строго ориентируются в пространстве и образуют кристаллическую решётку .

Кристаллическая решетка – это структура с геометрически правильным расположением частиц в пространстве.

В самой кристаллической решетке различают узлы и межузловое пространство.

Одно и то же вещество в зависимости от условий (p , t ,…)существует в различных кристаллических формах (т.е. имеют разные кристаллические решетки) – аллотропных модификациях, которые отличаются по свойствам.

Например, известно четыре модификации углерода – графит, алмаз, карбин и лонсдейлит.

☼ Четвёртая разновидность кристаллического углерода «лонсдейлит» мало кому известна. Он обнаружен в метеоритах и получен искусственно, а строение его ещё изучается.

☼ Сажу, кокс, древесный уголь относили к аморфным полимерам углерода. Однако теперь стало известно, что это тоже кристаллические вещества.

☼ Кстати, в саже обнаружили блестящие чёрные частицы, которые назвали «зеркальным углеродом». Зеркальный углерод химически инертен, термостоек, непроницаем для газов и жидкостей, обладает гладкой поверхностью и абсолютной совместимостью с живыми тканями.

☼ Название графита происходит от итальянского «граффитто» - пишу, рисую. Графит представляет собой тёмно – серые кристаллы со слабым металлическим блеском, имеет слоистую решётку. Отдельные слои атомов в кристалле графита, связанные между собой сравнительно слабо, легко отделяются друг от друга.

ТИПЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЁТОК

	ионная			металлическая
Что в узлах кристаллической решётки, структурная единица	ионы	атомы	молекулы	атомы и катионы
Тип химической связи между частицами узла	ионная		ковалентная: полярная и неполярная	металлическая
Силы взаимодействия между частицами кристалла	электростати- ческие	ковалентные	межмолекуляр- ные	электростати- ческие
Физические свойства, обусловленные кристаллической решёткой	· силы притяжения между ионами велики, · Т пл. (тугоплавкте), · легко растворяются в воде, · расплав и р-р проводит эл.ток, · нелетучи (не имеют запаха)	· ковалентные связи между атомами велики, · Т пл. и T кип очень, · в воде не растворяются, · расплав не проводит эл.ток	· силы притяжения между молекулами невелики, · Т пл. ↓, · некоторые растворяются в воде, · обладают запахом – летучи	· силы взаимодействия велики, · Т пл. , · Высокие тепло и электропроводность
Агрегатное состояние вещества при обычных условиях	твёрдое	твёрдое	твёрдое, газообразное, жидкое	твёрдое, жидкое(Нg)
Примеры	большинство солей, щелочей, оксиды типичных металлов	С (алмаз, графит), Si , Ge , B , SiO 2 , CaC 2 , SiC (карборунд), BN , Fe 3 C , TaC (t пл. =3800 0 С) Красный и чёрный фосфор. Оксиды некоторых металлов.	все газы, жидкости, большинство неметаллов: инертные газы, галогены, H 2 , N 2 , O 2 , O 3 , P 4 (белый), S 8 . Водородные соединения неметаллов, оксиды неметаллов: H 2 O , CO 2 «сухой лёд». Большинство органических соединений.	Металлы, сплавы

Если скорость роста кристаллов мала при охлаждении – образуется стеклообразное состояние (аморфное).

1. Взаимосвязь между положениемэлемента в Периодической системе и кристаллической решёткой его простого вещества.

Между положением элемента в периодической системе и кристаллической решёткой его соответствующего простого вещества существует тесная взаимосвязь.

		группа
				III				VII	VIII
п е р и о д								H 2
						N 2	O 2	F 2
	III					P 4	S 8	Cl 2
								Br 2
								I 2
Тип кристаллическойрешётки		металлическая					атомная	молекулярная

Простые вещества остальных элементов имеют металлическую кристаллическую решётку.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ

Изучите материал лекции, ответьте на следующие вопросы письменно в тетради:

1. Что такое кристаллическая решётка?
2. Какие виды кристаллических решёток существуют?
3. Охарактеризуйте каждый вид кристаллической решётки по плану: Что в узлах кристаллической решётки, структурная единица → Тип химической связи между частицами узла → Силы взаимодействия между частицами кристалла → Физические свойства, обусловленные кристаллической решёткой → Агрегатное состояние вещества при обычных условиях → Примеры

Выполните задания по данной теме:

1. Какой тип кристаллической решётки у следующих широко используемых в быту веществ: вода, уксусная кислота (CH 3 COOH ), сахар (C 12 H 22 O 11), калийное удобрение (KCl ), речной песок (SiO 2) – температура плавления 1710 0 C , аммиак (NH 3), поваренная соль? Сделайте обобщённый вывод: по каким свойствам вещества можно определить тип его кристаллической решётки?
2. По формулам приведённых веществ: SiC , CS 2 , NaBr , C 2 H 2 - определите тип кристаллической решётки (ионная, молекулярная) каждого соединения и на основе этого опишите физические свойства каждого из четырёх веществ.
   
3. Тренажёр №1. "Кристаллические решётки"
   
4. Тренажёр №2. "Тестовые задания"
   
5. Тест (самоконтроль):

1) Вещества, имеющие молекулярную кристаллическую решётку, как правило:

a ). тугоплавки и хорошо растворимы в воде
б). легкоплавки и летучи
в). Тверды и электропроводны
г). Теплопроводны и пластичны

2) Понятия «молекула»не применимо по отношению к структурной единице вещества:

a ). вода

б). кислород

в). алмаз

г). озон

3) Атомная кристаллическая решётка характерна для:

a ). алюминияи графита

б). серы и йода

в). оксида кремния и хлорида натрия

г). алмаза и бора

4) Если вещество хорошо растворимо в воде, имеет высокую температуру плавления,электропроводно, то его кристаллическая решётка:

а). молекулярная

б). атомная

в). ионная

г). металлическая

Твердые кристаллы можно представить как трехмерные конструкции, в которых четко повторяется один и тот же структуры во всех направлениях. Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена ​​их строго закономерным внутренним строением. Если центры притяжения , ионов или молекул в кристалле изобразить в виде точек, то получим трехмерное регулярное распределение таких точек, которое называется кристаллической решеткой, а сами точки — узлы кристаллической решетки. Определенная внешняя форма кристаллов является следствием их внутренней структуры, которая связана именно с кристаллической решеткой.

Кристаллическая решетка — это воображаемый геометрический образ для анализа строения кристаллов, который представляет собой объемно-пространственную сетчатую структуру, в узлах которой располагаются атомы, ионы или молекулы вещества.

Для характеристики кристаллической решетки используют следующие параметры:

1. кристаллической решетки Е кр [КДж / моль] — это энергия, выделяющаяся при образовании 1 моля кристалла из микрочастиц (атомов, молекул, ионов), которые находятся в газообразном состоянии и удалены друг от друга на такое расстояние, что исключается возможность их взаимодействия.
2. Константа кристаллической решетки d — наименьшее расстояние между центрами двух частиц в соседних узлах кристаллической решетки, соединенных .
3. Координационное число — количество ближайших частиц, окружающих в пространстве центральную частицу и сочетаются с ней химической связью.

Основой кристаллической решетки является элементарная ячейка, которая повторяется в кристалле бесконечное количество раз.

Элементарная ячейка — это наименьшая структурная единица кристаллической решетки, которая обнаруживает все свойства ее симметрии.

Упрощенно элементарную ячейку можно определить как малую часть кристаллической решетки, которая еще выявляет характерные особенности ее кристаллов. Признаки элементарной ячейки описываются с помощью трех правил Бреве:

• симметрия элементарной ячейки должна соответствовать симметрии кристаллической решетки;
• элементарная ячейка должна иметь максимальное количество одинаковых ребер а, b , с и одинаковых углов между ними a , b , g . ;
• при условии соблюдения первых двух правил элементарная ячейка должна занимать минимальный объем.

Для описания формы кристаллов используют систему трех кристаллографических осей а, b, с, которые отличаются от обычных координатных осей тем, что они являются отрезками определенной длины, углы между которыми a, b, g могут быть как прямыми, так и непрямыми.

Модель кристаллической структуры: а) кристаллическая решетка с выделенной элементарной ячейкой; б) элементарная ячейка с обозначениями гранных углов

Форму кристалла изучает наука геометрическая кристаллография, одним из основных положений которой является закон постоянства гранных углов: для всех кристаллов данного вещества углы между соответствующими гранями всегда остаются одинаковыми.

Если взять большое количество элементарных ячеек и заполнить ими плотно друг к другу определенный объем, сохраняя параллельность граней и ребер, то образуется монокристалл идеальной строения. Но на практике чаще всего встречаются поликристаллов, в которых регулярные структуры существуют в определенных пределах, по которым ориентация регулярности резко меняется.

В зависимости от соотношения длин ребер а, b, с и углов a, b, g между гранями элементарной ячейки различают семь систем — так называемых сингоний кристаллов. Однако элементарная ячейка может быть построенной и таким образом, что она имеет дополнительные узлы, которые размещаются внутри ее объема или на всех ее гранях — такие решетки называются соответственно объемноцентрированными и гранецентрированными. Если дополнительные узлы находятся только на двух противоположных гранях (верхний и нижний), то это базоцентрированная решетка. С учетом возможности дополнительных узлов существует всего 14 типов кристаллических решеток.

Внешняя форма и особенности внутреннего строения кристаллов определяются принципом плотной «упаковки»: наиболее устойчивой, а потому и наиболее вероятной структурой будет такая, которая соответствует наиболее плотному расположению частиц в кристалле и в которой остается наименьшее по объему свободное пространство.

Типы кристаллических решеток

В зависимости от природы частиц, содержащихся в узлах кристаллической решетки, а также от природы химических связей между ними, различаются четыре основных типа кристаллических решеток.

Ионные решетки

Ионные решетки построены из разноименных ионов, расположенных в узлах решетки и связанные силами электростатического притяжения. Поэтому структура ионной кристаллической решетки должна обеспечить ее электронейтральность. Ионы могут быть простыми (Na + , Cl —) или сложными (NH 4 + , NO 3 —). Вследствие ненасыщенности и ненаправленности ионной связи ионные кристаллы характеризуются большими координационными числами. Так, в кристаллах NaCl координационные числа ионов Na + и Cl — равна 6, а ионов Cs + и Cl — в кристалле CsCl — 8, поскольку один ион Cs + окружен восемью ионами Cl — , а каждый ион — Cl — соответственно восемью ионами Cs + . Ионные кристаллические решетки образуются большим количеством солей, оксидов и оснований.

Примеры ионных кристаллических решеток: а) NaCl; б) CsCl

Вещества с ионными кристаллическими решетками имеют сравнительно высокую твердость, они достаточно тугоплавкие, нелетучие. В отличие от ионные соединения очень хрупкие, поэтому даже небольшой сдвиг в кристаллической решетке приближает друг к другу одноименно заряженные ионы, отталкивания между которыми приводит к разрыву ионных связей и как следствие — к появлению в кристалле трещин или к его разрушению. В твердом состоянии вещества с ионной кристаллической решеткой относятся к диэлектрикам и не проводят электрический ток. Однако при расплавлении или растворении в полярных растворителях нарушается геометрически правильная ориентировка ионов относительно друг друга, сначала ослабляются, а затем разрушаются химические связи, поэтому меняются и свойства. Как следствие, электрический ток начинают проводить как расплавы ионных кристаллов, так и их растворы.

Атомные решетки

Эти решетки построены из атомов, соединенных между собой . Они, в свою очередь, делятся на три типа: каркасные, слоистые и цепочечные структуры.

Каркасную структуру имеет, например, алмаз — одно из самых твердых веществ. Благодаря sp 3 -гибридизации атома углерода строится трехмерная решетка, которая состоит исключительно из атомов углерода, соединенных ковалентными неполярными связями, оси которых размещаются под одинаковыми валентными углами (109,5 o).

Каркасная структура атомной кристаллической решетки алмаза

Слоистые структуры можно рассматривать как огромные двумерные молекулы. Для слоистых структур присущи ковалентные связи внутри каждого слоя и слабое вандерваальсовское взаимодействие между соседними слоями.

Слоистые структуры атомных кристаллических решеток: а) CuCl 2 ; б) PbO. На моделях с помощью очертаний параллелепипедов выделены элементарные ячейки

Классическим примером вещества со слоистой структурой является графит, в котором каждый атом углерода находится в состоянии sp 2 -гибридизации и образует в одной плоскости три ковалентные s-связи с тремя другими атомами С. Четвертые валентные электроны каждого атома углерода являются негибридизированными, за их счет образуются очень слабые вандерваальсовские связи между слоями. Поэтому при приложении даже небольшого усилия, отдельные слои легко начинают скользить друг вдоль друга. Этим объясняется, например, свойство графита писать. В отличие от алмаза графит хорошо проводит электричество: под воздействием электрического поля нелокализованные электроны могут перемещаться вдоль плоскости слоев, и, наоборот, в перпендикулярном направлении графит почти не проводит электрического тока.

Слоистая структура атомной кристаллической решетки графита

Цепочечные структуры характерны, например, для оксида серы (SO 3) n , киновари HgS, хлорида бериллия BeCl 2 , а также для многих аморфных полимеров и для некоторых силикатных материалов, таких, как асбест.

Цепная структура атомной кристаллической решетки HgS: а) проекция сбоку б) фронтальная проекция

Веществ с атомной строением кристаллических решеток сравнительно немного. Это, как правило, простые вещества, образованные элементами IIIА- и IVA-подгрупп (Si, Ge, B, C). Нередко соединения двух разных неметаллов имеют атомные решетки, например, некоторые полиморфные модификации кварца (оксид кремния SiO 2) и карборунда (карбид кремния SiC).

Все атомные кристаллы отличаются высокой прочностью, твердостью, тугоплавкостью и нерастворимостью практически ни в одном растворителе. Такие свойства обусловлены прочностью ковалентной связи. Вещества с атомной кристаллической решеткой имеют широкий диапазон электрической проводимости от изоляторов и полупроводников до электронных проводников.

Атомные кристаллические решетки некоторых полиморфных модификации карборунда — карбида кремния SiC

Металлические решетки

Эти кристаллические решетки содержат в узлах атомы и ионы металлов, между которыми свободно движутся общие для них всех электроны (электронный газ), которые образуют металлическую связь. Особенность кристаллических решеток металлов заключается в больших координационных числах (8-12), которые свидетельствуют о значительной плотность упаковки атомов металлов. Это объясняется тем, что «остовы» атомов, лишены внешних электронов, размещаются в пространстве как шарики одинакового радиуса. Для металлов чаще всего встречаются три типа кристаллических решеток: кубическая гранецентрированная с координационным числом 12 кубическая объемноцентрированная с координационным числом 8 и гексагональная, плотной упаковки с координационным числом 12.

Особые характеристики металлического связи и металлических решеток обусловливают такие важнейшие свойства металлов, как высокие температуры плавления, электро- и теплопроводность, ковкость, пластичность, твердость.

Металлические кристаллические решетки: а) кубическая объемноцентрированная (Fe, V, Nb, Cr) б) кубическая гранецентрированная (Al, Ni, Ag, Cu, Au) в) гексагональная (Ti, Zn, Mg, Cd)

Молекулярные решетки

Молекулярные кристаллические решетки содержат в узлах молекулы, соединенные между собой слабыми межмолекулярными силами — вандерваальсовскими или водородными связями. Например, лед состоит из молекул воды, удерживающихся в кристаллической решетке водородными связями. К тому же типу относятся кристаллические решетки многих веществ, переведенных в твердое состояние, например: простые вещества Н 2 , О 2 , N 2 , O 3 , P 4 , S 8 , галогены (F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2), «сухой лед» СО 2 , все благородные газы и большинство органических соединений.

Молекулярные кристаллические решетки: а) йод I2 ; б) лед Н2О

Поскольку силы межмолекулярного взаимодействия слабее, чем силы ковалентной или металлической связи, молекулярные кристаллы имеют небольшую твердость; они легкоплавкие и летучие, нерастворимые в и не проявляют электропроводности.

Образование молекул из атомов приводит к выигрышу энергии, так как в обычных условиях молекулярное состояние устойчивее, чем атомное.

Чтобы рассматривать данную тему необходимо знать:

Электроотрицательность - это способность атома смещать к себе общую электронную пару. (Самый электроотрицательный элемент - фтор.)

Кристаллическая решетка - трехмерное упорядоченное расположение частиц.

Различают три основных типа химических связей: ковалентную, ионную и металлическую.

Металлическая связь характерна для металлов, которые содержат небольшое количество электронов на внешнем энергетическом уровне (1 или 2, реже 3). Эти электроны легко теряют связь с ядром и свободно перемещаются по всему куску металла, образуя "электронное облако" и обеспечивая связь с положительно заряженными ионами, образовавшимися после отрыва электронов. Кристаллическая решетка - металлическая. Это обуславливает физические свойства металлов: высокую тепло- и электропроводность, ковкость и пластичность, металлический блеск.

Ковалентная связь образуется за счет общей электронной пары атомов неметаллов, при этом каждый из них достигает устойчивой конфигурации атома инертного элемента.

Если связь образуют атомы с одинаковой электроотрицательностью, то есть разница электроотрицательности двух атомов равна нулю, электронная пара располагается симметрично между двумя атомами и связь называется ковалентной неполярной.

Если связь образуют атомы с разной электроотрицательностью, причем разница в электроотрицательности двух атомов лежит в интервале от нуля примерно до двух (чаще всего это разные неметаллы), то общая электронная пара смещается к более электроотрицательному элементу. На нем возникает частично отрицательный заряд (отрицательный полюс молекулы), а на другом атоме - частично положительный заряд (положительный полюс молекулы). Такая связь называется ковалентной полярной.

Если связь образуют атомы с разной электроотрицательностью, причем разница в электроотрицательности двух атомов больше двух (чаще всего это неметалл и металл), то считают, что электрон полностью переходит к атому неметалла. В результате этот атом становится отрицательно заряженным ионом. Атом, отдавший электрон, - положительно заряженным ионом. Связь между ионами называется ионной связью.

Соединения с ковалентной связью имеют два типа кристаллических решеток: атомные и молекулярные.

В атомной кристаллической решетке в узлах находятся атомы, соединенные прочной ковалентной связью. Вещества с такой кристаллической решеткой имеют высокие температуры плавления, прочны и тверды, практически нерастворимы в жидкостях. например, алмаз, твердый бор, кремний, германий и соединения некоторых элементов с углеродом и кремнием.

В молекулярной кристаллической решетке в узлах находятся молекулы, соединенные слабым межмолекулярным взаимодействием. Вещества с такой решеткой имеют малую твердость и низкие температуры плавления, нерастворимы или малорастворимы в воде, из растворы практически не проводят электрический ток. Например, лед, твердый оксид углерода (IV) твердые галогеноводороды, твердые простые вещества, образованные одно-(благородные газы), двух- (F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 , H 2 , O 2 , N 2), трех-(О 3), четырех- (Р 4), восьми- (S 8) атомными молекулами. Большинство кристаллических органических соединений имеют молекулярную решетку.

Соединения с ионной связью имеют ионную кристаллическую решетку, в узлах которой чередуются положительно и отрицательно заряженные ионы. Вещества с ионной решеткой тугоплавки и малолетучи, имеют сравнительно высокую твердость, но хрупки. Расплавы и водные растворы солей и щелочей проводят электрический ток.

Примеры заданий

1. В какой молекуле ковалентная связь "элемент - кислород" наиболее полярна?

1) SO 2 2) NO 3) Cl 2 O 4) H 2 O

Решение:

Полярность связи определяется разностью электроотрицательности двух атомов (в данном случае элемента и кислорода). Сера, азот и хлор находятся рядом с кислородом, следовательно их электроотрицательности отличаются незначительно. И только водород находится на отдалении от кислорода, значит разница в электроотрицательности будет большая, и связь будет наиболее полярна.

Ответ: 4)

2. Водородные связи образуются между молекулами

1) метанола 2) метаналь 3) ацетилена 4) метилформиата

Решение:

В составе ацетилена вообще нет сильноэлектроотрицательных элементов. Метаналь Н 2 СО и метилформиат НСООСН 3 не содержат водорода, соединенного с сильноэлектроотрицательным элементом. Водород в них соединен с углеродом. А вот в метаноле СН 3 ОН между атомом водорода одной гидроксогруппы и атомом кислорода другой молекулы возможно образование водородной связи.

Ответ: 1)

Кристаллические вещества

Твердые кристаллы - трехмерные образования, характеризующиеся строгой повторяемостью одного и того же элемента структуры (элементарной ячейки ) во всех направлениях. Элементарная ячейка представляет собой наименьший объем кристалла в виде параллелепипеда, повторяющегося в кристалле бесконечное число раз.

Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена, прежде всего, их строго закономерным внутренним строением. Если вместо атомов, ионов или молекул в кристалле изобразить точки как центры тяжести этих частиц, то получится трехмерное регулярное распределение таких точек, называемое кристаллической решеткой. Сами точки называют узлами кристаллической решетки.

Типы кристаллических решеток

В зависимости от того, из каких частицы построена кристаллическая решетка и каков характер химической связи между ними, выделяют различные типы кристаллов.

Ионные кристаллы образованы катионами и анионами (например, соли и гидроксиды большинства металлов). В них между частицами имеется ионная связь.

Ионные кристаллы могут состоять из одноатомных ионов. Так построены кристаллы хлорида натрия , иодида калия, фторида кальция.
В образовании ионных кристаллов многих солей участвуют одноатомные катионы металлов и многоатомные анионы, например, нитрат-ион NO 3 ? , сульфат-ион SO 4 2? , карбонат-ион CO 3 2? .

В ионном кристалле невозможно выделить одиночные молекулы. Каждый катион притягивается к каждому аниону и отталкивается от других катионов. Весь кристалл можно считать огромной молекулой. Размеры такой молекулы не ограничены, поскольку она может расти, присоединяя новые катионы и анионы.

Большинство ионных соединений кристаллизуется по одному из структурных типов, которые отличаются друг от друга значением координационного числа, то есть числом соседей вокруг данного иона (4, 6 или 8). Для ионных соединений с равным числом катионов и анионов известно четыре основных типа кристаллических решеток: хлорида натрия (координационное число обоих ионов равно 6), хлорида цезия (координационное число обоих ионов равно 8), сфалерита и вюрцита (оба структурных типа характеризуются координационном числом катиона и аниона, равным 4). Если число катионов вдвое меньше числа анионов, то координационное число катионов должно быть вдвое больше координационного числа анионов. В этом случае реализуются структурные типы флюорита (координационные числа 8 и 4), рутила (координационные числа 6 и 3), кристобалита (координационные числа 4 и 2).

Обычно ионные кристаллы твердые, но хрупкие. Их хрупкость обусловлена тем, что даже при небольшой деформации кристалла катионы и анионы смещаются таким образом, что силы отталкивания между одноименными ионами начинают преобладать над силами притяжения между катионами и анионами, и кристалл разрушается.

Ионные кристаллы отличаются высокими температурами плавления. В расплавленном состоянии вещества, образующие ионные кристаллы, электропроводны. При растворении в воде эти вещества диссоциируют на катионы и анионы, и образующиеся растворы проводят электрический ток.

Высокая растворимость в полярных растворителях, сопровождающаяся электролитической диссоциацией обусловлена тем, что в среде растворителя с высокой диэлектрической проницаемостью е уменьшается энергия притяжения между ионами. Диэлектрическая проницаемость воды в 82 раза выше, чем вакуума (условно существующего в ионном кристалле), во столько же раз уменьшается притяжение между ионами в водном растворе. Эффект усиливается за счет сольватации ионов.

Атомные кристаллы состоят из отдельных атомов, объединенных ковалентными связями. Из простых веществ только бор и элементы IVA-группы имеют такие кристаллические решетки. Нередко соединения неметаллов друг с другом (например, диоксид кремния) также образуют атомные кристаллы.

Так же как и ионные, атомные кристаллы можно считать гигантскими молекулами. Они очень прочные и твердые, плохо проводят теплоту и электричество. Вещества, имеющие атомные кристаллические решетки, плавятся при высоких температурах. Они практически нерастворимы в каких-либо растворителях. Для них характерна низкая реакционная способность.

Молекулярные кристаллы построены из отдельных молекул, внутри которых атомы соединены ковалентными связями. Между молекулами действуют более слабые межмолекулярные силы. Они легко разрушаются, поэтому молекулярные кристаллы имеют низкие температуры плавления, малую твердость, высокую летучесть. Вещества, образующие молекулярные кристаллические решетки, не обладают электрической проводимостью, их растворы и расплавы также не проводят электрический ток.

Межмолекулярные силы возникают за счет электростатического взаимодействия отрицательно заряженных электронов одной молекулы с положительно заряженными ядрами соседних молекул. На силу межмолекулярного взаимодействия влияет много факторов. Важнейшими среди них является наличие полярных связей, то есть смещения электронной плотности от одних атомов к другим. Кроме того, межмолекулярное взаимодействие проявляется сильнее между молекулами с большим числом электронов.

Большинство неметаллов в виде простых веществ (например, иод I 2 , аргон Ar, сера S 8) и соединений друг с другом (например, вода, диоксид углерода, хлороводород), а также практически все твердые органические вещества образуют молекулярные кристаллы.

Для металлов характерна металлическая кристаллическая решетка. В ней имеется металлическая связь между атомами. В металлических кристаллах ядра атомов расположены таким образом, чтобы их упаковка была как можно более плотной. Связь в таких кристаллах является делокализованной и распространяется на весь кристалл. Металлические кристаллы обладают высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, металлическим блеском и непрозрачностью, легкой деформируемостью.

Классификация кристаллических решеток отвечает предельным случаям. Большинство кристаллов неорганических веществ принадлежит к промежуточным типам - ковалентно-ионным, молекулярно-ковалентным и т.д. Например, в кристалле графита внутри каждого слоя связи ковалентно-металлические, а между слоями - межмолекулярные.

Изоморфизм и полиморфизм

Многие кристаллические вещества имеют одинаковые структуры. В то же время одно и то же вещество может образовывать разные кристаллические структуры. Это находит отражение в явлениях изоморфизма и полиморфизма .

Изоморфизм заключается в способности атомов, ионов или молекул замещать друг друга в кристаллических структурах. Этот термин (от греческих «изос » - равный и «морфе » - форма) был предложен Э. Мичерлихом в 1819 г. Закон изоморфизма бы сформулирован Э. Мичерлихом в 1821 г. таким образом: «Одинаковые количества атомов, соединенные одинаковым способом, дают одинаковые кристаллические формы; при этом кристаллическая форма не зависит от химической природы атомов, а определяется только их числом и относительным положением».

Работая в химической лаборатории Берлинского университета, Мичерлих обратил внимание на полное сходство кристаллов сульфатов свинца, бария и стронция и близость кристаллических форм многих других веществ. Его наблюдения привлекли внимание известного шведского химика Й.-Я. Берцелиуса, который предложил Мичерлиху подтвердить замеченные закономерности на примере соединений фосфорной и мышьяковой кислот. В результате проведенного исследования был сделан вывод, что «две серии солей различаются лишь тем, что в одной в качестве радикала кислоты присутствует мышьяк, а в другой - фосфор». Открытие Мичерлиха очень скоро привлекло внимание минералогов, начавших исследования по проблеме изоморфного замещения элементов в минералах.

При совместной кристаллизации веществ, склонных к изоморфизму (изоморфных веществ), образуются смешанные кристаллы (изоморфные смеси). Это возможно лишь в том случае, если замещающие друг друга частицы мало различаются по размерам (не более 15%). Кроме того, изоморфные вещества должны иметь сходное пространственное расположение атомов или ионов и, значит, сходные по внешней форме кристаллы. К таким веществам относятся, например, квасцы. В кристаллах алюмокалиевых квасцов KAl(SO 4) 2 . 12H 2 O катионы калия могут быть частично или полностью заменены катионами рубидия или аммония, а катионы алюминия - катионами хрома (III) или железа (III).

Изоморфизм широко распространен в природе. Большинство минералов представляет собой изоморфные смеси сложного переменного состава. Например, в минерале сфалерите ZnS до 20% атомов цинка могут быть замещены атомами железа (при этом ZnS и FeS имеют разные кристаллические структуры). С изоморфизмом связано геохимическое поведение редких и рассеянных элементов, их распространение в горных породах и рудах, где они содержатся в виде изоморфных примесей.

Изоморфное замещение определяет многие полезные свойства искусственных материалов современной техники - полупроводников, ферромагнетиков, лазерных материалов.

Многие вещества могут образовывать кристаллические формы, имеющие различные структуру и свойства, но одинаковый состав (полиморфные модификации). Полиморфизм - способность твердых веществ и жидких кристаллов существовать в двух или нескольких формах с различной кристаллической структурой и свойствами при одном и том же химическом составе. Это слово происходит от греческого «полиморфос » - многообразный. Явление полиморфизма было открыто М. Клапротом, который в 1798 г. обнаружил, что два разных минерала - кальцит и арагонит - имеют одинаковый химический состав СаСО 3 .

Полиморфизм простых веществ обычно называют аллотропией, в то же время понятие полиморфизма не относится к некристаллическим аллотропным формам (например, газообразным О 2 и О 3). Типичный пример полиморфных форм - модификации углерода (алмаз, лонсдейлит, графит, карбины и фуллерены), которые резко различаются по свойствам. Наиболее стабильной формой существования углерода является графит, однако и другие его модификации при обычных условиях могут сохраняться сколь угодно долго. При высоких температурах они переходят в графит. В случае алмаза это происходит при нагревании выше 1000 o С в отсутствие кислорода. Обратный переход осуществить гораздо труднее. Необходима не только высокая температура (1200-1600 o С), но и гигантское давление - до 100 тысяч атмосфер. Превращение графита в алмаз проходит легче в присутствии расплавленных металлов (железа, кобальта, хрома и других).

В случае молекулярных кристаллов полиморфизм проявляется в различной упаковке молекул в кристалле или в изменении формы молекул, а в ионных кристаллах - в различном взаимном расположении катионов и анионов. Некоторые простые и сложные вещества имеют более двух полиморфных модификаций. Например, диоксид кремния имеет десять модификаций, фторид кальция - шесть, нитрат аммония - четыре. Полиморфные модификации принято обозначать греческими буквами б, в, г, д, е,… начиная с модификаций, устойчивых при низких температурах.

При кристаллизации из пара, раствора или расплава вещества, имеющего несколько полиморфных модификаций, сначала образуется модификация, менее устойчивая в данных условиях, которая затем превращается в более устойчивую. Например, при конденсации пара фосфора образуется белый фосфор, который в обычных условиях медленно, а при нагревании быстрее превращается в красный фосфор. При обезвоживании гидроксида свинца вначале (около 70 o С) образуется менее устойчивый при низких температурах желтый в-PbO, около 100 o С он превращается в красный б-PbO, а при 540 o С - снова в в-PbO.

Переход одной полиморфной модификации в другую называется полиморфными превращениями. Эти переходы происходят при изменении температуры или давления и сопровождаются скачкообразным изменением свойств.

Процесс перехода одной модификации в другую может быть обратимым или необратимым. Так, при нагревании белого мягкого графитоподобного вещества состава BN (нитрид бора) при 1500-1800 o С и давлении в несколько десятков атмосфер образуется его высокотемпературная модификация - боразон , по твердости близкий к алмазу. При понижении температуры и давления до значений, отвечающих обычным условиям, боразон сохраняет свою структуру. Примером обратимого перехода может служить взаимные превращения двух модификаций серы (ромбической и моноклинной) при 95 o С.

Полиморфные превращения могут проходить и без существенного изменения структуры. Иногда изменение кристаллической структуры вообще отсутствует, например, при переходе б-Fe в в-Fe при 769 o С структура железа не меняется, однако исчезают его ферромагнитные свойства.

Химико-термической обработкой (ХТО) называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

Химико-термическая обработка является одним из наиболее распространенных видов обработки материалов с целью придания им эксплуатационных свойств. Наиболее широко используются методы насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом как порознь, так и совместно. Это процессы цементации (науглероживания) поверхности, азотирования - насыщения поверхности стали азотом, нитроцементации и цианирования - совместного введения в поверхностные слои стали углерода и азота. Насыщение поверхностных слоев стали иными элементами (хромом - диффузионное хромирование, бором - борирование, кремнием - силицирование и алюминием - алитирование), применяются значительно реже. Процесс диффузионного насыщения поверхности детали цинком называется цинкованием, а титаном - титанированием.

Процесс химико-термической обработки представляет собой многоступенчатый процесс, который включает в себя три последовательные стадии:

1. Образование активных атомов в насыщающей среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла. Мощность диффузионного потока, т.е. количество образующихся в единицу времени активных атомов, зависит от состава и агрегатного состояния насыщающей среды, которая может быть твердой, жидкой или газообразной, взаимодействия отдельных составляющих между собой, температуры, давления и химического состава стали.

2. Адсорбция (сорбция) образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. Адсорбция является сложным процессом, который протекает на поверхности насыщения нестационарным образом. Различают физическую (обратимую) адсорбцию и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке эти типы адсорбции накладываются друг на друга. Физическая адсорбция приводит к сцеплению адсорбированных атомов насыщающего элемента (адсорбата) с образовываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря действию Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции - десорбция. При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому.

3. Диффузия - перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом материале и достаточно высокой температуре, обеспечивающей энергию необходимую для протекания процесса. Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав стали, т.е. содержание в ней тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя.

Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуатации должны сохраняться неизменными конфигурации и свойства режущей кромки. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью (ИКС 60-62) и износо­стойкостью, т.е. способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

Чем больше твердость обрабатываемых материалов, толще стружка и выше скорость резания, тем больше энергия, затрачиваемая на процесс обработки резанием. Механическая энергия переходит в тепловую. Выделяющееся тепло нагревает резец, деталь, стружку и частично рассеивается. Поэтому основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость, т.е. способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы. По теплостойкости различают три группы инструментальных сталей для режущего инструмента: нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие.

При нагреве до 200-300°С нетеплостойких сталей в процессе резания углерод выделяется из мартенсита закалки и начинается коагуляция карбидов цементитного типа. Это приводит к потере твердости и износостойкости режущего инструмента. К нетеплостойким относятся углеродистые и низколегированные стали. Полутеплостойкие стали, к которым относятся некоторые средне-легированные стали, например 9Х5ВФ, сохраняют твердость до температур 300-500°С. Теплостойкие стали сохраняют твердость и износостойкость при нагреве до температур 600°С.

Углеродистые и низколегированные стали имеют сравнительно низкую теплостойкость и невысокую прокаливаемость, поэтому их используют для более легких условий работы при малых скоростях резания. Быстрорежущие стали, имеющие более высокую теплостойкость и прокаливаемость, применяют для более тяжелых условий работы. Еще более высокие скорости резания допускают твердые сплавы и керамические материалы. Из существующих материалов наибольшей теплостойкостью обладает нитрид бора - эльбор, Эльбор позволяет обрабатывать материалы высокой твердости, например закаленную сталь, при высоких скоростях.

Кристаллические решетки Тип решетки Виды частиц в узлах решетки Вид связи между частицами Примеры веществ Физические свойства веществ Ионная ИоныИонная Это бинарные соединения металлов (I А и II A), соли, оксиды и гидроксиды типичных металлов. Твердые, прочные, нелетучие, хрупкие, тугоплавкие, многие растворимы в воде, растворы и расплавы проводят электрический ток.

Кристаллические решетки Тип решетки Виды частиц в узлах решетки Вид связи между частицами Примеры веществ Физические свойства веществ Атомная Атомы 1. Ковалентная неполярная - связь очень прочная 2. Ковалентная полярная - связь прочная Простые вещества: алмаз (C), графит (C), бор (B), кремний (Si), красный фосфор. Сложные вещества: оксид алюминия (Al 2 O 3), оксид кремния (IY) -SiO 2. Очень твердые, тугоплавкие, нелетучие, не растворимы в воде.

Кристаллические решетки Тип решетки Виды частиц в узлах решетки Вид связи между частицами Примеры веществ Физические свойства веществ Молеку лярная Молеку лы Между молекулами- слабые силы межмолекулярного притяжения, а внутри молекул прочная ковалентная связь. Твердые вещества при низких температурах. При обычных - газы или жидкости – О 2, Н 2, Cl 2, N 2, Br 2, H 2 O, CO 2, HCl, благородные газы, сера, белый фосфор Р 4, йод; органические вещества. Непрочные, летучие, легкоплавкие, имеют небольшую твердость.

Кристаллические решетки Тип решетки Виды частиц в узлах решетки Вид связи между частицами Примеры веществ Физические свойства веществ Металл ическая Атомы, ионы Металлич еская, разной прочности Металлы и сплавы. Металлы, которые находятся в I A, II A, IIIA (кроме бора), а металлы побочных подгрупп Ковкие, обладают металлическим блеском, тепло - и электропроводностью