Kekisi kristal secara ringkas. Ensiklopedia sekolah

Hablur pepejal boleh dianggap sebagai struktur tiga dimensi di mana struktur yang sama jelas berulang dalam semua arah. Bentuk kristal yang betul dari segi geometri adalah disebabkan oleh struktur dalaman yang teratur. Jika pusat tarikan ion atau molekul dalam kristal digambarkan sebagai titik, maka kita memperoleh taburan tetap tiga dimensi bagi titik tersebut, yang dipanggil kekisi kristal, dan titik itu sendiri adalah nod kekisi kristal. Bentuk luaran khusus kristal adalah akibat daripada struktur dalaman mereka, yang dikaitkan secara khusus dengan kekisi kristal.

Kekisi kristal ialah imej geometri khayalan untuk menganalisis struktur hablur, yang merupakan struktur rangkaian isipadu-ruang dalam nod di mana atom, ion atau molekul sesuatu bahan terletak.

Untuk mencirikan kekisi kristal, parameter berikut digunakan:

1. kekisi kristal E cr [KJ/mol] ialah tenaga yang dibebaskan semasa pembentukan 1 mol hablur daripada zarah mikro (atom, molekul, ion) yang berada dalam keadaan gas dan dipisahkan antara satu sama lain pada jarak sedemikian sehingga kemungkinan interaksi dikecualikan.
2. Pemalar kekisi d ialah jarak terkecil antara pusat dua zarah di tapak bersebelahan kekisi hablur yang disambungkan oleh .
3. Nombor penyelarasan- bilangan zarah berdekatan yang mengelilingi zarah pusat dalam ruang dan bergabung dengannya melalui ikatan kimia.

Asas kekisi kristal ialah sel unit, yang diulang dalam kristal dalam bilangan kali yang tidak terhingga.

Sel unit ialah unit struktur terkecil bagi kekisi kristal, yang mempamerkan semua sifat simetrinya.

Dalam istilah yang dipermudahkan, sel unit boleh ditakrifkan sebagai sebahagian kecil daripada kekisi kristal, yang masih mendedahkan ciri-ciri kristal dia. Ciri-ciri sel unit diterangkan menggunakan tiga peraturan Brevet:

• simetri sel unit mesti sepadan dengan simetri kekisi kristal;
• sel unit mesti ada jumlah maksimum rusuk yang sama A,b, Dengan dan sudut yang sama di antara mereka a, b, g. ;
• dengan syarat bahawa dua peraturan pertama dipenuhi, sel unit mesti menduduki volum minimum.

Untuk menerangkan bentuk kristal, sistem tiga paksi kristalografi digunakan a, b, c, yang berbeza daripada paksi koordinat biasa kerana ia adalah segmen dengan panjang tertentu, sudut antaranya a, b, g boleh sama ada lurus atau tidak langsung.

Model struktur kristal: a) kekisi kristal dengan sel unit yang diserlahkan; b) sel unit dengan sebutan sudut facet

Bentuk kristal dikaji oleh sains kristalografi geometri, salah satu peruntukan utamanya ialah undang-undang ketekalan sudut facet: untuk semua kristal bahan tertentu, sudut antara muka yang sepadan sentiasa kekal sama.

Jika anda mengambil sejumlah besar sel asas dan mengisi volum tertentu dengan mereka rapat antara satu sama lain, mengekalkan keselarian muka dan tepi, maka kristal tunggal struktur ideal terbentuk. Tetapi dalam praktiknya, selalunya terdapat polikristal di mana struktur biasa wujud dalam had tertentu, di mana orientasi keteraturan berubah secara mendadak.

Bergantung pada nisbah panjang tepi a, b, c dan sudut a, b, g antara muka sel unit, tujuh sistem dibezakan - apa yang dipanggil syngonies kristal. Walau bagaimanapun, sel asas juga boleh dibina sedemikian rupa sehingga ia mempunyai nod tambahan yang terletak di dalam isipadunya atau pada semua mukanya - kekisi tersebut masing-masing dipanggil berpusatkan badan dan berpusat muka. Jika nod tambahan hanya pada dua muka bertentangan (atas dan bawah), maka ia adalah kekisi berpusat asas. Dengan mengambil kira kemungkinan nod tambahan, terdapat sejumlah 14 jenis kekisi kristal.

Bentuk dan ciri luaran struktur dalaman kristal ditentukan oleh prinsip "pembungkusan" padat: yang paling stabil, dan oleh itu struktur yang paling mungkin adalah yang sepadan dengan susunan zarah yang paling padat dalam kristal dan di mana ruang bebas terkecil kekal.

Jenis kekisi kristal

Bergantung pada sifat zarah yang terkandung dalam nod kekisi kristal, serta pada sifat ikatan kimia di antara mereka, terdapat empat jenis utama kekisi kristal.

Kekisi ionik

Kekisi ionik dibina daripada ion tidak seperti yang terletak di tapak kekisi dan disambungkan oleh daya tarikan elektrostatik. Oleh itu, struktur kekisi kristal ionik harus memastikan neutraliti elektriknya. Ion boleh menjadi ringkas (Na +, Cl -) atau kompleks (NH 4 +, NO 3 -). Disebabkan ketidaktepuan dan tidak berarah ikatan ionik, kristal ionik dicirikan oleh nombor koordinasi yang besar. Oleh itu, dalam kristal NaCl, nombor koordinasi ion Na + dan Cl - ialah 6, dan ion Cs + dan Cl - dalam kristal CsCl ialah 8, kerana satu ion Cs + dikelilingi oleh lapan ion Cl -, dan setiap Cl - ion dikelilingi oleh lapan ion Cs, masing-masing + . Kisi kristal ionik dibentuk oleh sejumlah besar garam, oksida dan bes.

Contoh kekisi kristal ionik: a) NaCl; b) CsCl

Bahan dengan kisi kristal ionik mempunyai kekerasan yang agak tinggi, ia agak refraktori dan tidak meruap. Sebaliknya, sebatian ionik sangat rapuh, jadi walaupun anjakan kecil dalam kekisi kristal membawa ion bercas serupa lebih dekat antara satu sama lain, tolakan antara yang membawa kepada pemecahan ikatan ionik dan, sebagai akibatnya, kepada penampilan retakan. dalam kristal atau kemusnahannya. Dalam keadaan pepejal, bahan dengan kekisi kristal ionik dikelaskan sebagai dielektrik dan tidak mengalir elektrik. Walau bagaimanapun, apabila dicairkan atau dilarutkan dalam pelarut polar, orientasi geometri yang betul bagi ion relatif antara satu sama lain terganggu, ikatan kimia mula-mula lemah dan kemudian dimusnahkan, dan oleh itu sifat juga berubah. Akibatnya, kedua-dua cair kristal ionik dan penyelesaiannya mula mengalirkan arus elektrik.

Kekisi atom

Kekisi ini dibina daripada atom yang bersambung antara satu sama lain. Mereka, seterusnya, dibahagikan kepada tiga jenis: struktur bingkai, berlapis dan rantai.

Struktur bingkai mempunyai, sebagai contoh, berlian - salah satu bahan yang paling sukar. Terima kasih kepada penghibridan sp 3 atom karbon, kekisi tiga dimensi dibina, yang terdiri secara eksklusif daripada atom karbon yang disambungkan oleh ikatan nonpolar kovalen, yang paksinya terletak pada sudut ikatan yang sama (109.5 o).

Struktur rangka kerja kekisi kristal atom berlian

Struktur berlapis boleh dianggap sebagai molekul dua dimensi yang besar. Struktur berlapis dicirikan oleh ikatan kovalen dalam setiap lapisan dan interaksi van der Waals yang lemah antara lapisan bersebelahan.

Struktur berlapis bagi kekisi hablur atom: a) CuCl 2 ; b) PbO. Sel asas diserlahkan pada model menggunakan garis besar parallelepiped

Contoh klasik bahan dengan struktur berlapis ialah grafit, di mana setiap atom karbon berada dalam keadaan hibridisasi sp 2 dan membentuk tiga ikatan-s kovalen dengan tiga atom C lain dalam satu satah. Elektron valens keempat bagi setiap atom karbon tidak berhibrid, kerana ikatan van der Waals yang sangat lemah antara lapisan. Oleh itu, apabila daya yang kecil dikenakan, lapisan individu dengan mudah mula menggelongsor antara satu sama lain. Ini menerangkan, sebagai contoh, keupayaan grafit untuk menulis. Tidak seperti berlian, grafit mengalirkan elektrik dengan baik: apabila terdedah kepada medan elektrik elektron bukan setempat boleh bergerak di sepanjang satah lapisan, dan, sebaliknya, dalam arah serenjang grafit hampir tidak mengalirkan arus elektrik.

Struktur berlapis kekisi kristal atom grafit

Struktur rantai ciri, sebagai contoh, sulfur oksida (SO 3) n, cinnabar HgS, berilium klorida BeCl 2, serta banyak polimer amorf dan beberapa bahan silikat seperti asbestos.

Struktur rantai kekisi hablur atom HgS: a) unjuran sisi b) unjuran hadapan

Terdapat sedikit bahan dengan struktur atom kekisi kristal. Ini adalah, sebagai peraturan, bahan mudah yang dibentuk oleh unsur-unsur subkumpulan IIIA dan IVA (Si, Ge, B, C). Selalunya, sebatian dua bukan logam berbeza mempunyai kekisi atom, contohnya, beberapa polimorf kuarza (silikon oksida SiO 2) dan karborundum (silikon karbida SiC).

Semua kristal atom dibezakan oleh kekuatan tinggi, kekerasan, refraktori dan tidak larut dalam hampir mana-mana pelarut. Sifat-sifat ini disebabkan oleh kekuatan ikatan kovalen. Bahan dengan kekisi kristal atom mempunyai julat yang luas kekonduksian elektrik daripada penebat dan semikonduktor kepada konduktor elektronik.

Kekisi kristal atom beberapa pengubahsuaian polimorfik karborundum - silikon karbida SiC

Kisi-kisi logam

Kekisi kristal ini mengandungi atom logam dan ion pada nodnya, di antaranya elektron (gas elektron) yang biasa bagi kesemuanya bergerak bebas dan membentuk ikatan logam. Keanehan kekisi kristal logam ialah nombor koordinasinya yang besar (8-12), yang menunjukkan kepadatan pembungkusan atom logam yang ketara. Ini dijelaskan oleh fakta bahawa "teras" atom, tanpa elektron luaran, terletak di angkasa seperti bola dengan jejari yang sama. Untuk logam, tiga jenis kekisi kristal paling kerap dijumpai: kubik berpusat muka dengan nombor koordinasi 12, padu berpusat badan dengan nombor koordinasi 8, dan heksagon, padat rapat dengan nombor koordinasi 12.

Ciri khas ikatan logam dan jeriji logam menentukan sedemikian sifat yang paling penting logam, seperti takat lebur yang tinggi, kekonduksian elektrik dan haba, kebolehtempaan, kemuluran, kekerasan.

Kekisi hablur logam: a) padu berpusat badan (Fe, V, Nb, Cr) b) padu berpusat muka (Al, Ni, Ag, Cu, Au) c) heksagon (Ti, Zn, Mg, Cd)

Kekisi molekul

Kekisi kristal molekul mengandungi molekul pada nodnya yang disambungkan antara satu sama lain oleh daya antara molekul yang lemah—van der Waals atau ikatan hidrogen. Sebagai contoh, ais terdiri daripada molekul air yang dipegang dalam kekisi kristal oleh ikatan hidrogen. Jenis yang sama termasuk kekisi kristal dari banyak bahan yang dipindahkan ke keadaan pepejal, contohnya: bahan mudah H 2, O 2, N 2, O 3, P 4, S 8, halogen (F 2, Cl 2, Br 2, I 2 ), "ais kering" CO 2, semua gas mulia dan kebanyakan sebatian organik.

Kekisi hablur molekul: a) iodin I2; b) ais H2O

Oleh kerana daya interaksi antara molekul adalah lebih lemah daripada ikatan kovalen atau logam, hablur molekul mempunyai kekerasan yang sedikit; Ia boleh melebur dan meruap, tidak larut dalam dan tidak menunjukkan kekonduksian elektrik.

Tema Pengekod Peperiksaan Negeri Bersatu: Bahan struktur molekul dan bukan molekul. Jenis kekisi kristal. Kebergantungan sifat bahan pada komposisi dan strukturnya.

Teori kinetik molekul

Semua molekul terdiri daripada zarah-zarah kecil yang dipanggil atom. Semua atom yang ditemui pada masa ini dikumpulkan dalam jadual berkala.

Atom ialah zarah terkecil yang tidak boleh dibahagikan secara kimia bagi bahan yang mengekalkan sifat kimianya. Atom bersambung antara satu sama lain ikatan kimia. Kami telah melihat a. Pastikan anda mempelajari teori mengenai topik: Jenis ikatan kimia sebelum mempelajari artikel ini!

Sekarang mari kita lihat bagaimana zarah dalam jirim boleh bersambung.

Bergantung pada lokasi zarah relatif antara satu sama lain, sifat bahan yang terbentuk boleh berbeza-beza. Jadi, jika zarah-zarah terletak berasingan antara satu sama lain jauh(jarak antara zarah adalah jauh lebih banyak saiz zarah itu sendiri), boleh dikatakan tidak berinteraksi antara satu sama lain, bergerak di angkasa secara huru-hara dan berterusan, maka kita berhadapan dengan gas .

Jika zarah terletak dekat antara satu sama lain, tetapi huru hara, lagi berinteraksi antara satu sama lain, membuat pergerakan berayun yang kuat dalam satu kedudukan, tetapi boleh melompat ke kedudukan lain, maka ini adalah model struktur cecair .

Jika zarah terletak dekat antara satu sama lain, tetapi lebih dengan tertib, Dan lebih banyak berinteraksi antara mereka sendiri, tetapi bergerak hanya dalam satu kedudukan keseimbangan, secara praktikal tanpa berpindah ke yang lain keadaan, maka kita sedang menghadapinya padu .

Kebanyakan bahan kimia dan campuran yang diketahui boleh wujud dalam keadaan pepejal, cecair dan gas. Contoh paling mudah ialah air. Pada keadaan biasa dia cecair, pada 0 o C ia membeku - berubah daripada keadaan cecair kepada keras, dan pada 100 o C ia mendidih - bertukar menjadi fasa gas- wap air. Selain itu, banyak bahan dalam keadaan normal adalah gas, cecair atau pepejal. Sebagai contoh, udara - campuran nitrogen dan oksigen - adalah gas dalam keadaan normal. Tetapi apabila tekanan darah tinggi dan suhu rendah, nitrogen dan oksigen terpeluwap dan masuk ke dalam fasa cecair. Nitrogen cecair digunakan secara aktif dalam industri. Kadang-kadang terpencil plasma, dan kristal cecair, sebagai fasa yang berasingan.

Banyak sifat bahan dan campuran individu dijelaskan susunan zarah bersama dalam ruang relatif antara satu sama lain!

Artikel ini mengkaji hartanah pepejal , bergantung kepada struktur mereka. Sifat fizikal asas pepejal: takat lebur, kekonduksian elektrik, kekonduksian terma, kekuatan mekanikal, kemuluran, dsb.

Suhu lebur - ini ialah suhu di mana bahan berpindah dari fasa pepejal ke fasa cecair, dan sebaliknya.

ialah keupayaan sesuatu bahan untuk berubah bentuk tanpa kemusnahan.

Kekonduksian elektrik ialah keupayaan bahan untuk mengalirkan arus.

Arus ialah pergerakan tertib zarah bercas. Oleh itu, arus hanya boleh dijalankan oleh bahan yang mengandungi zarah bercas mudah alih. Berdasarkan keupayaan mereka untuk mengalirkan arus, bahan dibahagikan kepada konduktor dan dielektrik. Konduktor ialah bahan yang boleh mengalirkan arus (iaitu mengandungi zarah bercas mudah alih). Dielektrik adalah bahan yang boleh dikatakan tidak mengalirkan arus.

Dalam bahan pepejal, zarah bahan boleh ditemui huru hara, atau lebih teratur O. Jika zarah-zarah bahan pepejal terletak di angkasa huru hara, bahan itu dipanggil amorfus. Contoh bahan amorfus - arang batu, kaca mika.

Jika zarah bahan pepejal disusun dalam ruang dengan teratur, i.e. membentuk mengulangi struktur geometri tiga dimensi, bahan sedemikian dipanggil kristal, dan struktur itu sendiri - kekisi kristal . Kebanyakan bahan yang kita tahu adalah kristal. Zarah-zarah itu sendiri terletak di nod kekisi kristal.

Bahan kristal dibezakan, khususnya, oleh jenis ikatan kimia antara zarah dalam kristal - atom, molekul, logam, ionik; Oleh bentuk geometri sel termudah bagi kekisi kristal - padu, heksagon, dsb.

Bergantung kepada jenis zarah yang membentuk kekisi kristal , membezakan struktur atom, molekul, ion dan hablur logam .

Kekisi kristal atom

Kekisi kristal atom terbentuk apabila nod hablur terletak atom. Atom-atom bersambung kuat antara satu sama lain ikatan kimia kovalen. Oleh itu, kekisi kristal seperti itu akan menjadi sangat tahan lama, bukan mudah untuk memusnahkannya. Kekisi kristal atom boleh dibentuk oleh atom dengan valensi tinggi, i.e. Dengan sebilangan besar ikatan dengan atom jiran (4 atau lebih). Sebagai peraturan, ini adalah bukan logam: bahan mudah - silikon, boron, karbon (berlian pengubahsuaian alotropik, grafit), dan sebatiannya (karbon boron, silikon oksida (IV), dsb..). Oleh kerana ikatan kimia kovalen kebanyakannya berlaku antara bukan logam, elektron bebas(seperti zarah bercas lain) dalam bahan dengan kekisi kristal atom dalam kebanyakan kes tidak. Oleh itu, bahan tersebut biasanya mengalirkan elektrik dengan sangat buruk, i.e. adalah dielektrik. ini corak umum, yang mana terdapat beberapa pengecualian.

Komunikasi antara zarah dalam hablur atom: .

Di nod kristal dengan struktur hablur atom terletak atom.

Keadaan fasa kristal atom dalam keadaan normal: sebagai peraturan, pepejal.

Bahan-bahan, membentuk hablur atom dalam keadaan pepejal:

1. Bahan mudah valensi tinggi (terletak di tengah-tengah jadual berkala): boron, karbon, silikon, dll.
2. Bahan kompleks yang dibentuk oleh bukan logam ini: silika (silikon oksida, pasir kuarza) SiO 2 ; silikon karbida (korundum) SiC; boron karbida, boron nitrida, dll.

Ciri-ciri fizikal bahan dengan kekisi kristal atom:

— kekuatan;

- refraktori (takat lebur tinggi);

- kekonduksian elektrik yang rendah;

- kekonduksian haba yang rendah;

- lengai kimia (bahan tidak aktif);

- tidak larut dalam pelarut.

Kekisi kristal molekul- ini adalah kekisi, pada nod yang terdapat molekul. Memegang molekul dalam kristal daya tarikan antara molekul yang lemah (pasukan van der Waals, ikatan hidrogen, atau tarikan elektrostatik). Oleh itu, kisi kristal seperti itu, sebagai peraturan, cukup mudah untuk dimusnahkan. Bahan dengan kekisi kristal molekul - boleh melebur, rapuh. Semakin besar daya tarikan antara molekul, semakin tinggi takat lebur bahan tersebut. Sebagai peraturan, suhu lebur bahan dengan kekisi kristal molekul tidak lebih tinggi daripada 200-300K. Oleh itu, dalam keadaan biasa, kebanyakan bahan dengan kekisi kristal molekul wujud dalam bentuk gas atau cecair. Kisi kristal molekul, sebagai peraturan, dibentuk dalam bentuk pepejal oleh asid, oksida bukan logam, sebatian binari lain bukan logam, bahan mudah yang membentuk molekul stabil (oksigen O 2, nitrogen N 2, air H 2 O, dsb.), bahan organik. Sebagai peraturan, ini adalah bahan dengan ikatan polar kovalen (kurang kerap nonpolar). Kerana elektron terlibat dalam ikatan kimia, bahan dengan kisi kristal molekul - dielektrik, tidak mengalirkan haba dengan baik.

Komunikasi antara zarah dalam hablur molekul: m daya tarikan antara molekul, elektrostatik atau antara molekul.

Di nod kristal dengan struktur kristal molekul terletak molekul.

Keadaan fasa kristal molekul dalam keadaan normal: gas, cecair dan pepejal.

Bahan-bahan, terbentuk dalam keadaan pepejal kristal molekul:

1. Bahan bukan logam ringkas yang membentuk molekul kecil dan kuat (O 2, N 2, H 2, S 8, dll.);
2. Bahan kompleks (sebatian bukan logam) dengan ikatan kovalen polar (kecuali silikon dan boron oksida, silikon dan sebatian karbon) - air H 2 O, sulfur oksida SO 3, dsb.
3. Gas mulia monoatomik (helium, neon, argon, kripton dan lain-lain);
4. Majoriti bahan organik, yang tidak terdapat ikatan ionik — metana CH 4, benzena C 6 H 6, dsb.

Ciri-ciri fizikal bahan dengan kekisi kristal molekul:

- kebolehpaduan (takat lebur rendah):

- kebolehmampatan tinggi;

— kristal molekul dalam bentuk pepejal, serta dalam larutan dan cair, tidak mengalirkan arus;

- keadaan fasa dalam keadaan normal - gas, cecair, pepejal;

- turun naik yang tinggi;

- kekerasan rendah.

Kisi kristal ionik

Jika terdapat zarah bercas pada nod kristal – ion, kita boleh bercakap tentang kekisi kristal ionik . Biasanya, kristal ionik silih berganti ion positif(kation) dan ion negatif(anion), jadi zarah-zarah tertahan di dalam kristal daya tarikan elektrostatik . Bergantung kepada jenis kristal dan jenis ion yang membentuk kristal, bahan tersebut boleh agak tahan lama dan tahan api. Dalam keadaan pepejal, biasanya tiada zarah bercas mudah alih dalam kristal ionik. Tetapi apabila kristal larut atau cair, ion dibebaskan dan boleh bergerak di bawah pengaruh medan elektrik luaran. Itu. Hanya larutan atau cair mengalirkan arus kristal ionik. Kekisi kristal ionik adalah ciri-ciri bahan dengan ikatan kimia ionik. Contoh bahan sedemikian - garam NaCl, kalsium karbonat– CaCO 3, dsb. Kekisi kristal ionik, sebagai peraturan, terbentuk dalam fasa pepejal garam, bes, serta oksida logam dan sebatian binari logam dan bukan logam.

Komunikasi antara zarah dalam kristal ionik: .

Di nod kristal dengan kekisi ionik terletak ion.

Keadaan fasa kristal ionik dalam keadaan normal: sebagai peraturan, pepejal.

Bahan kimia dengan kekisi kristal ionik:

1. Garam (organik dan bukan organik), termasuk garam ammonium (Sebagai contoh, ammonium klorida NH 4 Cl);
2. Pangkalan;
3. Oksida logam;
4. Sebatian binari yang mengandungi logam dan bukan logam.

Sifat fizikal bahan dengan struktur kristal ionik:

- takat lebur tinggi (refractoriness);

— larutan dan leburan hablur ionik ialah konduktor semasa;

— kebanyakan sebatian larut dalam pelarut polar (air);

- keadaan fasa pepejal untuk kebanyakan sebatian dalam keadaan normal.

Dan akhirnya, logam dicirikan oleh jenis struktur spatial khas - kekisi kristal logam, yang perlu dibayar ikatan kimia logam . Atom logam memegang elektron valens agak lemah. Dalam kristal yang dibentuk oleh logam, proses berikut: Sesetengah atom melepaskan elektron dan menjadi ion bercas positif; ini elektron bergerak secara rawak dalam kristal; sesetengah elektron tertarik kepada ion. Proses ini berlaku serentak dan huru-hara. Oleh itu, timbul ion , seperti dalam pembentukan ikatan ionik, dan elektron yang dikongsi terbentuk , seperti dalam pembentukan ikatan kovalen. Elektron bebas bergerak secara rawak dan berterusan sepanjang keseluruhan isipadu kristal, seperti gas. Itulah sebabnya mereka kadang-kadang dipanggil " gas elektron " Oleh kerana kehadiran sejumlah besar zarah bercas mudah alih, logam mengalirkan arus dan haba. Takat lebur logam sangat berbeza. Logam juga dicirikan kilauan logam yang khas, kebolehtempaan, iaitu keupayaan untuk menukar bentuk tanpa kemusnahan di bawah tekanan mekanikal yang kuat, kerana ikatan kimia tidak dimusnahkan.

Komunikasi antara zarah : .

Di nod kristal Dengan jeriji logam terletak ion logam dan atom.

Keadaan fasa logam dalam keadaan normal: biasanya pepejal(kecuali merkuri, cecair dalam keadaan normal).

Bahan kimia dengan kekisi kristal logam - bahan mudah - logam.

Sifat fizikal bahan dengan kekisi kristal logam:

- kekonduksian haba dan elektrik yang tinggi;

- kebolehtempaan dan keplastikan;

- kilauan logam;

- logam biasanya tidak larut dalam pelarut;

- Kebanyakan logam adalah pepejal dalam keadaan normal.

Perbandingan sifat bahan dengan kekisi kristal yang berbeza

Jenis kekisi kristal (atau kekurangan kekisi kristal) membolehkan seseorang menilai sifat fizikal asas sesuatu bahan. Untuk membandingkan secara kasar sifat fizikal sebatian dengan kekisi kristal yang berbeza, adalah sangat mudah untuk menggunakan bahan kimia dengan sifat ciri. Untuk kekisi molekul ini, sebagai contoh, karbon dioksida , untuk kekisi kristal atom - berlian, untuk logam - tembaga, dan untuk kekisi kristal ionik - garam, natrium klorida NaCl.

Jadual ringkasan mengikut struktur bahan mudah, berpendidikan unsur kimia daripada subkumpulan utama jadual berkala (elemen subkumpulan sekunder adalah logam, oleh itu, mempunyai kekisi kristal logam).

Jadual akhir hubungan antara sifat bahan dan strukturnya:

Struktur jirim.

Ia bukan atom atau molekul individu yang memasuki interaksi kimia, tetapi bahan.
Tugas kita adalah untuk membiasakan diri dengan struktur jirim.

Pada suhu rendah Bagi bahan, keadaan pepejal yang stabil adalah stabil.

☼ Bahan yang paling keras dalam alam adalah berlian. Dia dianggap raja segala permata dan Batu berharga. Dan namanya sendiri bermaksud "tidak dapat dihancurkan" dalam bahasa Yunani. Berlian telah lama dilihat sebagai batu ajaib. Adalah dipercayai bahawa seseorang yang memakai berlian tidak mengetahui penyakit perut, tidak terkena racun, mengekalkan ingatannya dan suasana ceria sehingga usia yang sangat tua, dan menikmati nikmat diraja.

☼ Berlian yang telah mengalami pemprosesan barang kemas - pemotongan, penggilap - dipanggil berlian.

Apabila lebur akibat getaran haba, susunan zarah terganggu, ia menjadi mudah alih, manakala sifat ikatan kimia tidak terganggu. Oleh itu, antara keadaan pepejal dan cecair perbezaan asas Tidak.
Cecair memperoleh kecairan (iaitu, keupayaan untuk mengambil bentuk kapal).

Kristal cecair.

Kristal cecair terbuka masuk lewat XIX berabad-abad, tetapi telah dikaji dalam 20-25 tahun yang lalu. Banyak peranti paparan Teknologi moden, sebagai contoh, beberapa jam tangan elektronik, komputer mini, beroperasi pada kristal cecair.

Secara umum, perkataan "hablur cecair" berbunyi tidak kurang luar biasa daripada " Ais panas". Namun, pada hakikatnya, ais juga boleh menjadi panas, kerana... pada tekanan lebih daripada 10,000 atm. air ais cair pada suhu melebihi 2000 C. Keanehan gabungan "hablur cecair" ialah keadaan cair menunjukkan mobiliti struktur, dan kristal mencadangkan keteraturan yang ketat.

Jika bahan terdiri daripada molekul poliatomik berbentuk memanjang atau lamelar dan mempunyai struktur tidak simetri, maka apabila ia cair, molekul ini berorientasikan dengan cara tertentu berbanding satu sama lain (paksi panjangnya selari). Dalam kes ini, molekul boleh bergerak bebas selari dengan diri mereka sendiri, i.e. sistem memperoleh sifat kecairan ciri cecair. Pada masa yang sama, sistem mengekalkan struktur yang teratur, yang menentukan ciri ciri kristal.

Mobiliti tinggi struktur sedemikian memungkinkan untuk mengawalnya melalui pengaruh yang sangat lemah (terma, elektrik, dll.), i.e. sengaja mengubah sifat bahan, termasuk yang optik, dengan perbelanjaan tenaga yang sangat sedikit, yang digunakan dalam teknologi moden.

Jenis kekisi kristal.

mana-mana Bahan kimia dibentuk oleh sebilangan besar zarah yang serupa yang bersambung antara satu sama lain.
Pada suhu rendah, apabila pergerakan haba sukar, zarah-zarah berorientasikan ketat di angkasa dan membentuk kekisi kristal.

sel kristal ialah struktur dengan geometri lokasi yang betul zarah di angkasa.

Dalam kekisi kristal itu sendiri, nod dan ruang internodal dibezakan.
Bahan yang sama, bergantung kepada keadaan (p, t,...) wujud dalam bentuk kristal yang berbeza (iaitu mereka mempunyai kekisi kristal yang berbeza) – pengubahsuaian alotropik, yang berbeza dalam sifat.
Sebagai contoh, empat pengubahsuaian karbon diketahui: grafit, berlian, karbin dan lonsdaleite.

☼ Varieti keempat karbon kristal, "lonsdaleite," kurang diketahui. Ia ditemui dalam meteorit dan diperoleh secara buatan, dan strukturnya masih dikaji.

☼ Jelaga, kok, arang dikelaskan sebagai polimer karbon amorf. Walau bagaimanapun, kini telah diketahui bahawa ini juga merupakan bahan kristal.

☼ Secara kebetulan, zarah hitam berkilat ditemui dalam jelaga, yang dipanggil "karbon cermin". Karbon cermin adalah lengai secara kimia, tahan haba, tidak tembus gas dan cecair, mempunyai permukaan licin dan serasi sepenuhnya dengan tisu hidup.

☼ Nama grafit berasal dari "graffito" Itali - Saya menulis, saya melukis. Grafit ialah hablur kelabu gelap dengan kilauan logam yang lemah dan mempunyai kekisi berlapis. Lapisan individu atom dalam kristal grafit, bersambung antara satu sama lain secara relatif lemah, mudah dipisahkan antara satu sama lain.

JENIS KEJIK KRISTAL

Sifat bahan dengan kekisi kristal yang berbeza (jadual)

Jika kadar pertumbuhan hablur rendah apabila disejukkan, keadaan berkaca (amorfus) terbentuk.

Hubungan antara kedudukan unsur dalam Jadual Berkala dan kekisi hablur bahan ringkasnya.

Terdapat hubungan rapat antara kedudukan unsur dalam jadual berkala dan kekisi kristal bahan unsur yang sepadan.

Bahan ringkas unsur-unsur yang tinggal mempunyai kekisi kristal logam.

MEMBAIKI

Kaji bahan kuliah dan jawab soalan berikut secara bertulis dalam buku nota anda:
- Apakah kekisi kristal?
- Apakah jenis kekisi kristal yang wujud?
- Terangkan setiap jenis kekisi kristal mengikut pelan:

Apakah yang terdapat dalam nod kekisi kristal, unit struktur → Jenis ikatan kimia antara zarah nod → Daya interaksi antara zarah hablur → Sifat fizikal ditentukan oleh kekisi kristal → Keadaan agregat bahan dalam keadaan normal → Contoh

Selesaikan tugasan mengenai topik ini:

- Apakah jenis kekisi kristal yang terdapat pada bahan berikut yang biasa digunakan dalam kehidupan seharian: air, asid asetik (CH3 COOH), gula (C12 H22 O11), baja potash(KCl), pasir sungai (SiO2) – takat lebur 1710 0C, ammonia (NH3), garam meja? Buat kesimpulan umum: dengan apakah sifat bahan seseorang boleh menentukan jenis kekisi kristalnya?
Menggunakan formula bahan yang diberikan: SiC, CS2, NaBr, C2 H2 - tentukan jenis kekisi kristal (ionik, molekul) bagi setiap sebatian dan, berdasarkan ini, huraikan sifat fizik setiap empat bahan.
Jurulatih No. 1. "Kekisi kristal"
Jurulatih No. 2. "Tugas ujian"
Ujian (kawalan kendiri):

1) Bahan yang mempunyai kisi kristal molekul, sebagai peraturan:
a). refraktori dan sangat larut dalam air
b). boleh melebur dan tidak menentu
V). Pepejal dan konduktif elektrik
G). Secara konduktif terma dan plastik

2) Konsep "molekul" tidak boleh digunakan untuk unit struktur bahan:

b). oksigen

V). berlian

3) Kekisi kristal atom adalah ciri-ciri:

a). aluminium dan grafit

b). sulfur dan iodin

V). silikon oksida dan natrium klorida

G). berlian dan boron

4) Jika bahan sangat larut dalam air, mempunyai takat lebur yang tinggi, dan konduktif elektrik, maka kekisi kristalnya ialah:

A). molekul

b). atom

V). ionik

G). logam

Seperti yang kita sedia maklum, bahan boleh wujud dalam tiga keadaan pengagregatan: bergas, keras Dan cecair. Oksigen, yang dalam keadaan normal berada dalam keadaan gas, pada suhu -194 ° C diubah menjadi cecair kebiruan, dan pada suhu -218.8 ° C ia berubah menjadi jisim seperti salji dengan kristal biru.

Julat suhu untuk kewujudan bahan dalam keadaan pepejal ditentukan oleh takat didih dan lebur. Pepejal adalah berbentuk kristal Dan amorfus.

U bahan amorfus tiada takat lebur tetap - apabila dipanaskan, mereka beransur-ansur melembut dan bertukar menjadi keadaan bendalir. Di negeri ini, sebagai contoh, pelbagai resin dan plastisin ditemui.

Bahan kristal Mereka dibezakan oleh susunan biasa zarah yang terdiri daripadanya: atom, molekul dan ion, pada titik yang ditentukan dengan ketat di angkasa. Apabila titik-titik ini disambungkan dengan garis lurus, rangka kerja spatial dicipta, ia dipanggil kekisi kristal. Titik di mana zarah kristal terletak dipanggil nod kekisi.

Nod kekisi yang kita bayangkan boleh mengandungi ion, atom dan molekul. Zarah-zarah ini melakukan pergerakan berayun. Apabila suhu meningkat, julat ayunan ini juga meningkat, yang membawa kepada pengembangan haba badan.

Bergantung pada jenis zarah yang terletak di nod kekisi kristal dan sifat sambungan di antara mereka, empat jenis kekisi kristal dibezakan: ionik, atom, molekul Dan logam.

ionik Ini dipanggil kekisi kristal di mana ion terletak di nod. Mereka dibentuk oleh bahan dengan ikatan ionik, yang boleh mengikat kedua-dua ion ringkas Na+, Cl-, dan kompleks SO24-, OH-. Oleh itu, kekisi kristal ionik mempunyai garam, beberapa oksida dan hidroksil logam, i.e. bahan-bahan di mana ikatan kimia ionik wujud. Pertimbangkan kristal natrium klorida; ia terdiri daripada ion Na+ dan CL- negatif yang berselang-seli positif, bersama-sama mereka membentuk kekisi berbentuk kubus. Ikatan antara ion dalam kristal sedemikian sangat stabil. Oleh kerana itu, bahan dengan kekisi ionik mempunyai kekuatan dan kekerasan yang agak tinggi; ia adalah refraktori dan tidak meruap.

atom Kisi kristal ialah kisi kristal yang nodnya mengandungi atom individu. Dalam kekisi sedemikian, atom disambungkan antara satu sama lain oleh ikatan kovalen yang sangat kuat. Sebagai contoh, berlian adalah salah satu pengubahsuaian alotropik karbon.

Bahan dengan kekisi kristal atom tidak begitu biasa dalam alam semula jadi. Ini termasuk boron kristal, silikon dan germanium, serta bahan kompleks, contohnya, yang mengandungi silikon oksida (IV) - SiO 2: silika, kuarza, pasir, hablur batu.

Sebahagian besar bahan dengan kekisi kristal atom mempunyai takat lebur yang sangat tinggi (untuk berlian ia melebihi 3500 ° C), bahan tersebut kuat dan keras, boleh dikatakan tidak larut.

Molekul Ini dipanggil kekisi kristal di mana molekul terletak di nod. Ikatan kimia dalam molekul ini juga boleh bersifat polar (HCl, H 2 0) atau bukan polar (N 2, O 3). Dan walaupun atom di dalam molekul disambungkan oleh ikatan kovalen yang sangat kuat, daya tarikan antara molekul yang lemah bertindak antara molekul itu sendiri. Itulah sebabnya bahan dengan kekisi kristal molekul dicirikan oleh kekerasan rendah, takat lebur rendah, dan turun naik.

Contoh bahan tersebut termasuk air pepejal - ais, karbon monoksida pepejal (IV) - "ais kering", hidrogen klorida pepejal dan hidrogen sulfida, bahan ringkas pepejal yang dibentuk oleh satu - (gas mulia), dua - (H 2, O 2, CL 2 , N 2 , I 2), tiga - (O 3), empat - (P 4), molekul lapan atom (S 8). Sebilangan besar sebatian organik pepejal mempunyai kekisi kristal molekul (naftalena, glukosa, gula).

blog.site, apabila menyalin bahan sepenuhnya atau sebahagian, pautan ke sumber asal diperlukan.

Salah satu bahan yang paling biasa digunakan oleh orang ramai ialah logam. Dalam setiap era, keutamaan diberikan jenis yang berbeza bahan-bahan yang menakjubkan ini. Oleh itu, milenium IV-III SM dianggap sebagai Chalcolithic, atau Zaman Tembaga. Kemudian ia digantikan dengan gangsa, dan kemudian yang masih relevan hari ini berkuat kuasa - besi.

Hari ini secara amnya sukar untuk membayangkan bahawa ia pernah boleh dilakukan tanpa produk logam, kerana hampir segala-galanya, dari barangan rumah, alat perubatan hingga peralatan berat dan ringan, terdiri daripada bahan ini atau termasuk bahagian individu daripadanya. Mengapakah logam berjaya mendapat populariti sedemikian? Mari cuba fikirkan apakah ciri-ciri itu dan bagaimana ini wujud dalam strukturnya.

Konsep umum logam

"Kimia. Darjah 9" adalah buku teks yang digunakan oleh pelajar sekolah. Di sinilah logam dikaji secara terperinci. Pertimbangan fizikal mereka dan sifat kimia satu bab yang besar dikhaskan, kerana kepelbagaian mereka sangat hebat.

Dari usia ini disyorkan untuk memberi idea kepada kanak-kanak tentang atom-atom ini dan sifat-sifatnya, kerana remaja sudah dapat menghayati makna sepenuhnya. pengetahuan yang serupa. Mereka melihat dengan baik bahawa kepelbagaian objek, mesin dan benda lain di sekeliling mereka adalah berdasarkan sifat logam.

Apakah logam? Dari sudut pandangan kimia, atom-atom ini biasanya diklasifikasikan sebagai yang mempunyai:

• kecil pada peringkat luaran;
• mempamerkan sifat pemulihan yang kuat;
• mempunyai jejari atom yang besar;
• Sebagai bahan mudah, ia mempunyai beberapa sifat fizikal tertentu.

Asas pengetahuan tentang bahan ini boleh diperolehi dengan mempertimbangkan struktur atom-hablur logam. Ini adalah yang menerangkan semua ciri dan sifat sebatian ini.

Dalam jadual berkala, kebanyakan keseluruhan jadual diperuntukkan kepada logam, kerana mereka membentuk semua subkumpulan sekunder dan yang utama dari kumpulan pertama hingga ketiga. Oleh itu, keunggulan berangka mereka adalah jelas. Yang paling biasa ialah:

• kalsium;
• natrium;
• titanium;
• besi;
• magnesium;
• aluminium;
• potasium.

Semua logam mempunyai beberapa sifat yang membolehkan mereka digabungkan menjadi satu kumpulan besar bahan. Sebaliknya, sifat-sifat ini dijelaskan dengan tepat oleh struktur kristal logam.

Sifat-sifat logam

Sifat khusus bahan yang dimaksudkan termasuk yang berikut.

1. Kilauan logam. Semua wakil bahan mudah memilikinya, dan kebanyakannya adalah sama. Hanya beberapa (emas, tembaga, aloi) yang berbeza.
2. Kebolehtempaan dan keplastikan - keupayaan untuk berubah bentuk dan pulih dengan mudah. Ia dinyatakan kepada darjah yang berbeza dalam wakil yang berbeza.
3. Kekonduksian elektrik dan haba adalah salah satu sifat utama yang menentukan kawasan penggunaan logam dan aloinya.

Struktur kristal logam dan aloi menerangkan sebab bagi setiap sifat yang ditunjukkan dan bercakap tentang keterukan mereka dalam setiap wakil tertentu. Jika anda mengetahui ciri-ciri struktur sedemikian, maka anda boleh mempengaruhi sifat sampel dan menyesuaikannya dengan parameter yang dikehendaki, yang telah dilakukan oleh orang ramai selama beberapa dekad.

Struktur hablur atom logam

Apakah struktur ini, apakah ciri-cirinya? Nama itu sendiri menunjukkan bahawa semua logam adalah kristal dalam keadaan pepejal, iaitu, dalam keadaan normal (kecuali merkuri, iaitu cecair). Apa itu kristal?

Ini bersyarat imej grafik, dibina dengan memotong garisan khayalan melalui atom yang membariskan badan. Dengan kata lain, setiap logam terdiri daripada atom. Mereka terletak di dalamnya tidak secara huru-hara, tetapi sangat betul dan konsisten. Jadi, jika anda menggabungkan semua zarah ini secara mental menjadi satu struktur, anda akan mendapat imej yang cantik dalam bentuk badan geometri biasa dari beberapa bentuk.

Inilah yang biasa dipanggil kekisi kristal logam. Ia sangat kompleks dan besar secara spatial, oleh itu, untuk kesederhanaan, tidak semuanya ditunjukkan, tetapi hanya sebahagian, sel asas. Satu set sel sedemikian, dikumpulkan bersama dan dipantulkan dan membentuk kekisi kristal. Kimia, fizik dan metalurgi ialah sains yang mengkaji ciri-ciri struktur struktur tersebut.

Ia sendiri adalah satu set atom yang terletak pada jarak tertentu antara satu sama lain dan menyelaraskan bilangan zarah lain yang tetap di sekelilingnya. Ia dicirikan oleh ketumpatan pembungkusan, jarak antara struktur konstituen, dan nombor koordinasi. Secara umum, semua parameter ini adalah ciri-ciri keseluruhan kristal, dan oleh itu mencerminkan sifat yang dipamerkan oleh logam.

Terdapat beberapa jenis, semuanya mempunyai satu ciri yang sama - nod mengandungi atom, dan di dalamnya terdapat awan gas elektron, yang dibentuk oleh pergerakan bebas elektron di dalam kristal.

Jenis kekisi kristal

Empat belas pilihan struktur kekisi biasanya digabungkan menjadi tiga jenis utama. Mereka adalah seperti berikut:

1. Kubik berpusat badan.
2. Heksagon padat.
3. Kubik berpusat muka.

Struktur kristal logam dikaji hanya apabila ia menjadi mungkin untuk mendapatkan imej pembesaran tinggi. Dan klasifikasi jenis kekisi pertama kali diberikan oleh saintis Perancis Bravais, yang namanya kadang-kadang dipanggil.

Kekisi berpusat badan

Struktur kekisi kristal logam jenis ini adalah struktur berikut. Ini adalah kubus dengan lapan atom pada nodnya. Satu lagi terletak di tengah-tengah ruang dalaman bebas sel, yang menerangkan nama "berpusatkan badan".

Ini antara yang paling banyak struktur ringkas sel unit, dan oleh itu keseluruhan kekisi secara keseluruhan. Logam berikut mempunyai jenis ini:

• molibdenum;
• vanadium;
• kromium;
• mangan;
• besi alfa;
• besi beta dan lain-lain.

Ciri-ciri utama wakil tersebut ialah darjat tinggi kemuluran dan kemuluran, kekerasan dan kekuatan.

Kekisi berpusat muka

Struktur hablur logam yang mempunyai kekisi kubik berpusat muka ialah struktur berikut. Ini adalah kubus yang merangkumi empat belas atom. Lapan daripadanya membentuk nod kekisi, dan enam lagi terletak, satu pada setiap muka.

Mereka mempunyai struktur yang sama:

• aluminium;
• nikel;
• memimpin;
• besi gamma;
• tembaga.

asas sifat tersendiri- bersinar warna yang berbeza, ringan, kekuatan, kebolehtempaan, peningkatan ketahanan terhadap kakisan.

Kekisi heksagon

Struktur kristal logam dengan kekisi adalah seperti berikut. Sel unit adalah berdasarkan prisma heksagon. Terdapat 12 atom pada nodnya, dua lagi di tapak, dan tiga atom terletak bebas di dalam ruang di tengah-tengah struktur. Terdapat tujuh belas atom secara keseluruhan.

Logam seperti:

• alfa titanium;
• magnesium;
• alfa kobalt;
• zink.

Ciri-ciri utama adalah tahap kekuatan yang tinggi, bersinar perak yang kuat.

Kecacatan dalam struktur kristal logam

Walau bagaimanapun, semua jenis sel yang dipertimbangkan mungkin juga mempunyai kekurangan semula jadi, atau apa yang dipanggil kecacatan. Ini mungkin disebabkan oleh atas pelbagai alasan: atom asing dan bendasing dalam logam, pengaruh luar, dsb.

Oleh itu, terdapat klasifikasi yang mencerminkan kecacatan yang mungkin ada pada kekisi kristal. Kimia sebagai sains mengkaji setiap satunya bagi mengenal pasti punca dan kaedah penyingkiran supaya sifat bahan tidak berubah. Jadi, kecacatan adalah seperti berikut.

1. Spot. Mereka datang dalam tiga jenis utama: kekosongan, kekotoran atau atom terkehel. Membawa kepada kemerosotan sifat magnetik logam, kekonduksian elektrik dan habanya.
2. Linear atau terkehel. Terdapat tepi dan skru. Mereka merosot kekuatan dan kualiti bahan.
3. Kecacatan permukaan. Kesan penampilan dan struktur logam.

Pada masa ini, kaedah telah dibangunkan untuk menghapuskan kecacatan dan mendapatkan kristal tulen. Walau bagaimanapun, ia tidak mungkin untuk menghapuskannya sepenuhnya; kekisi kristal yang ideal tidak wujud.

Kepentingan pengetahuan tentang struktur kristal logam

Daripada bahan di atas, jelas bahawa pengetahuan tentang struktur dan struktur halus memungkinkan untuk meramalkan sifat bahan dan mempengaruhinya. Dan sains kimia membolehkan anda melakukan ini. darjah 9 sekolah Menengah memberi penekanan dalam proses pembelajaran untuk mengembangkan pemahaman yang jelas dalam diri pelajar kepentingan rantaian logik asas: komposisi - struktur - sifat - aplikasi.

Maklumat tentang struktur kristal logam digambarkan dengan sangat jelas dan membolehkan guru menerangkan dengan jelas dan menunjukkan kepada kanak-kanak betapa pentingnya mengetahui struktur halus untuk menggunakan semua sifat dengan betul dan cekap.