Твердые вещества и их строение в зависимости от типа кристаллической решетки

Твердые вещества состоят из прочно связанных между собой атомов, молекул и ионов. Свойства твердых тел зависят от прочности химических связей внутри их.

Большинство твердых веществ имеют кристаллическую структуру. Их частицы — молекулы, атомы или ионы — расположены в строгом порядке. Такая регулярная структура называется пространственной, или кристаллической, решеткой.

Тип кристиаллической решетки твердых веществ

Тип решетки зависит от того, какие частицы находятся в узлах решетки. Существует 4 основных типа пространственных решеток — ионная, молекулярная, атомная и металлическая.

Частицы в кристаллических решетках не подвижны, или постоянно совершают колебательные движения.

С повышением температуры энергия колебаний частиц твердого вещества увеличивается, и когда она превышает энергию межмолекулярного притяжения, кристаллическая решетка разрушается — происходит плавление.

Ионная структура

Вещества с ионной структурой, например хлорид натрия, обычно имеют довольно высокие температуры плавления. Это свойство вытекает из сильного взаимодействия между противоположно заряженными ионами решетки. В тоже время ионные вещества достаточно хрупкие. Силой, приложенной кристаллу извне, можно сместить слои ионов, так что одинаково заряженные ионы окажутся друг напротив друга. Они начнут отталкиваться, слои раздвигаться, и кристаллическая решетка в этом месте разрушится. Растворы и расплавы таких соединений хорошо проводят электрический ток.

Кристаллическая решетка хлорида натрия

На рисунке пространственная модель кубической решетки кристалла хлорида натрия. Здесь показаны относительные размеры двух типов ионов и их расположение в пространстве.

Молекулярная структура твердых веществ

В узлах атомной решетки находятся атомы. Молекулы состоят из атомов, связанных прочной ковалентной связью. Например, молекулы йода состоит из двух атомов, связанных одинаковой ковалентной связью. Связи между молекулами и твердых веществ не столь прочны.

Молекула йода I2. Твердый йод состоит из молекул йода, связанных в регулярную кристаллическую решетку. Каждая молекула йода состоит из 2 прочно связанных между собой атомов йода.

Кристаллическая решена твердого йода

Йод в твердом состоянии достаточно мягкий элемент, поскольку связи между его молекулами слаб.

Как выглядит твердый йод

Твердые вещества с молекулярной структурой плавятся, как правило, при низких температурах. При плавлении ковалентные связи не рвутся, разрушаются только связи между слабо взаимодействующими друг с другом молекулами.

Атомная структура

Свободный углерод известен в двух модификациях — алмаз и графит. И алмаз и графит состоит только из атомов углерода, однако эти два вещества имеют совершенно разные структуры. В графите атом углерода соединен с 3 другими атомами короткими прочными ковалентными связями. 4-ый электрон остается свободным, что обусловливает электропроводность графита. Шестиугольные кольца образуют плоские слои.

Связи между слоями довольно слабые, и слои могут скользить один относительно другого. Именно поэтому графит используют как твердый смазочный материал. В алмазе каждый атом углерода соединен прочными ковалентными связями с 4 другими атомами. Миллиарды атомов связаны в трехмерную кристаллическую решетку необычной прочности, что делает алмаз самым твердым из известных веществ.

Строение кристаллических решеток алмаза и графита

Несомненно, алмаз встречается намного реже, чем графит, и гораздо ценнее его. И алмаз и графит состоят только из атомов углерода, однако эти 2 вещества имеют совершенно разные структуры, и следовательно, совершенно разные своства. На рисунке показана структура кристаллической решетки алмаза.

Строение атомов поваренной соли

Кристаллы из поваренной соли состоят из ионов натрия и хлорид ионов. На рисунке атомы показаны в виде шариков. Шарики условно разнесены, чтобы усло была видна трехмерная структура кристалла.

Карандашный грифель сделан из графита. Слабые силы притяжения между слоями атомов углерода позволяют слоям скользить относительно друг-друга, вот поэтому на бумаге и остается графитовый след.

Металлическая структура твердых веществ

В узлах веществ с металлической решеткой находятся положительные ионы и атомы металлов, а между узлами — электроны. Атомы плотно упакованы слоями, причем атомы одного слоя приходятся на углубление соседнего слоя. Взаимодействия между атомами в такой структуре довольно сильны, и большинство металлов имеют высокие температуры плавления.

Множество электронов могут свободно перемещаться по всему кристаллу металла, и поэтому называются свободными электронами. Свободные электроны имеют отрицательный заряд и притягивают катионы металлов, в результате чего кристаллическая решетка металлов является устойчивой. Свободные электроны могут свободно переносить теплоту и электричество, поэтому они являются причиной главных физических свойств, отличающих металлы от неметаллов, — высокой электро- и теплопроводности.

В отличие от ионных веществ металлы являются пластичными и ковкими — слои металлов могут скользить друг относительно друга, не разрушая при этом пространственную решетку.

Атомы металла в твердом состоянии плотно упакованы. Внешние электроны свободно передвигаются и равномерно распределены между всеми атомами. Единое электронное облако прочно связывает атомы друг с другом.

При прохождении электрического тока через металл суммарный поток электронов имеет определенное направление — от отрицательного полюса к положительному.

Проводимость графита — редкий пример проводника неметалла

Электрический ток — это направленный поток заряженных частиц. Такими заряженными частицами могут быть ионы или электроны, способные свободно передвигаться. В некоторых случаях способность материала проводить или не проводить электрический ток позволяет судить о его структуре.

Графит — редкий пример проводника — неметалла. На практике его используют в качестве токопроводящих «щеток» в электроинструменте.

Графит проводит ток, поскольку каждый атом углерода в его структуре соединен ковалентно только с 3 другими атомами. Таким образом, 1 (4-ы) электрон у каждого атома остается относительно свободным, принимая участия в образовании связи, «размазанной» по всему слою атомов. Такая связь называется делокализованной. Она является источников электронов, способных свободно передвигаться по слоям графита проводить электрический ток.

Интересное видео, в котором наглядно показана не только проводимость графита, но и образование электрической дуги между графитовыми стержнями.

Когда вещества с ионными связями (соли) расплавлены или растворены в воде, кристаллическая решетка разрушается, ионы становятся свободными и могут проводить электричество. Это явление помогло в свое время ученым понять, что ионные вещества состоят из заряженных частиц.

Интересные опыты с диоксидом углерода или твердым льдом

На видео проведен эксперимент, в котором 90 сухого льда высыпают в надувной бассейн.

При -78,5 0С твердый диоксид углерода (сухой лед) превращается в углекислый газ, минуя жидкое состояние. Если бросить сухой лед в воду, он начнет испаряться. Смесь сухого льда и воды используют для сценических эффектов (густой туман).

(6 votes, average: 4,67 out of 5)
Загрузка...


  • Матвей ВидеоКонь

    В титлах к видео сказано, что высыпали 1000 футов сухого льда, а у вас в описании отмечено о 90 киллограммах!

  • Рукоделов Булат

    Да, электропроводность графита прямо стало находкой в электротехнике. Прямо на ум не приходит, что могло быть альтернативой графитовым щеткам в электроинструменте! Может кто подскажет, есть ли похожий материал, возможно искусственный, который мог бы заменить графит в электросъемных щетках?

    • Крымский перец

      Да, графит был не случайно выбран в качестве материала для токопроводящих щеток для электроинструмента. Он обладает уникальным свойством токопроводности при низком коэффициенте трения и малым удельным сопротивлением! Основной его недостаток — это существенный износ в процессе эксплуатации. Простыми словами он стирается, превращаясь в порошок. Далее эти щетки можно поменять. Зачастую запасные электросети укладывают в комплект электроинструмента. На счет альтернативного сырья для щеток кроме графита применяют сажу и кокс. В качестве дополнительных метарилов к графиту добавляют медную крошку, а также свинцовую. Ну и на стоит снимать со счетов сегодняшнее развитие полимерной продукции, свойства которой могут быть наделены электропроводностью, низким сопротивлением и нужным коэффициентом скольжения!