Испарение жидкости или плавление твердого тела относится к категории процессов, которые называются в физике фазовыми переходами или превращениями. Состояния вещества, между которыми происходит фазовый переход, называется его фазами. Характерной особенностью этих переходов является их скачкообразность. Например, при охлаждении воды ниже комнатной температуры, её тепловое состояние меняется постепенным образом, понижение температуры на десять-пятнадцать градусов к каким-либо видимым изменениям не приводит, и вдруг, при охлаждении на ничтожную долю градуса, вода переходит в совершенно иное состояние, состояние льда. Вода и лёд – две фазы одного и того же вещества.

Фазовые переходы бывают двух типов - первого и второго рода. К фазовым переходам первого рода относится изменение агрегатного состояния вещества: процессы плавления и кристаллизации, испарения и конденсации, сублимации или возгонки , при этом скачком изменяются плотность, внутренняя энергия, энтропия.

Следует заметить, что твердым считается кристаллическое состояние, т.е. состояние, в котором атомы располагаются в узлах кристаллической решетки. На рис. 2-5.1 изображена кристаллическая решетка каменной соли NaCl . Как видно из рисунка, кристалл, благодаря пространственной периодичности структуры, состоит как бы из повторяющихся частей.

В кристалле размером 1 мм повторяющееся расположение атомов встречается сотни тысяч раз. Поэтому к такому расположению атомов применяется термин “дальний порядок ”. Большинство твердых тел являются кристаллическими телами. В обычных условиях они состоят из сросшихся зерен размером порядка 0,001 мм. В таком зернышке отчетливо выражен дальний порядок.

Однако в природе встречаются твердые вещества со сложным молекулярным строением, например, стекла, смолы, пластики, которые не имеют периодической структуры. Это аморфные твердые тела, которые на самом деле являются жидкостями с аномально большой вязкостью. Такие тела приобретают свойство текучести не скачком, а путём постепенного уменьшения вязкости, которое вызывается повышением температуры. Аморфные твердые тела противопоставляются кристаллам, которые имеют форму правильного многогранника. Следует подчеркнуть, что кристалличность не обязательно проявляется в особенностях их внешней формы, это структура решетки (кусок металла не имеет правильной формы, но не является аморфным).

Каков же основной признак кристаллов? Этим признаком является наличие резко выраженной температуры плавления. Если подводить тепло к кристаллическому телу, то температура его будет повышаться до тех пор, пока не начнёт плавиться. После чего подъем температуры прекратится, и весь процесс плавления будет происходить при строго определённой постоянной температуре, называемой температурой плавления Т пл .

На рис. 2-5.2 изображены схемы строения кварца и кварцевого стекла. Одно и то же в химическом отношении вещество, но одно в кристаллическом, другое в аморфном виде. Характер окружения ближайшими соседями в обоих случаях одинаков, но в аморфном теле отсутствует дальний порядок; аморфное тело – это “испорченный кристалл”. Отсутствие дальнего порядка, характерного признака кристаллических тел, является непосредственной причиной отсутствия выраженной точки плавления. В точке плавления совершается переход, при котором дальний порядок исчезает и решетка распадается на легкоподвижные субмикроскопические области, имеющие то же расположение атомов, что и исходный кристалл, но статически беспорядочно ориентированные друг относительно друга, остаётся лишь ближний порядок в расположении атомов.

Схема строения кварца

а) кристаллический, б) аморфный

(рисунок соответствует упрощенной плоской модели)

В аморфных телах при повышении температуры характер расположения атомов не меняется, увеличивается их подвижность, атомы с увеличением температуры “выскальзывают” из своего окружения, меняя соседей. Наконец число таких перемен в секунду становится таким же большим, как для жидкости.

Выше мы говорили, что при всех агрегатных превращениях поглощается или выделяется энергия. Например, для превращения килограмма воды в пар необходимо затратить энергию 2,3×10 6 Дж. Эта энергия необходима для преодоления сил притяжения, действующих между молекулами воды.

Металлы начинают плавиться только тогда, когда начинает разрушаться их кристаллическая решетка, на что также необходимо затрачивать энергию. Эта энергия называется скрытой теплотой плавления. Теплота плавления, отнесённая к массе вещества, называется удельной скрытой теплотой плавления. Например, для цинка она составляет 1.11×10 5 Дж/кг, т.е. нужно количество теплоты 111 кДж/кг, чтобы при Т пл = 419.5°С перевести 1 кг цинка из твердого состояния в жидкое. На рис. 2-5.3 представлена кривая фазового перехода твердого тела в жидкость (1). Обратное превращение – кристаллизация (2) происходит при той же температуре и сопровождается поглощением того же количества энергии, что и при плавлении – скрытой теплоты кристаллизации. Скрытой теплота перехода называется потому, что подвод (поглощение) и отвод (выделение) этой теплоты не сопровождается таким эффектом, как повышение и понижение температуры. Несмотря на то, что мы продолжаем нагревать тело (кривая правления 1), во время плавления температура не повышается, так же во время кристаллизации (кривая кристаллизации 2) температура не понижается, хотя мы продолжаем охлаждать жидкость. Переход жидкость - твердое тело сопровождается выделением энергии. Энергия взаимодействия микроскопических кристаллов становится значительно выше энергии тепловых колебаний, жидкость кристаллизуется. Однако новая фаза при таком переходе образуется не сразу во всем объеме, сначала образуются зародыши ее, которые затем растут, распространяясь на весь объем.

К числу фазовых превращений первого рода относятся и некоторые переходы твердого тела из одной кристаллической модификации в другую. Эти превращения называются полиморфными. Кристаллы различной модификации состоят из одного и того же вещества и отличаются друг от друга лишь строением кристаллической решетки. Например, графит и алмаз состоят из одного и того же элемента – углерода. Разные структуры означают и разные физические свойства. Алмаз по физическим свойствам очень не похож на графит. Графит имеет черный цвет, он совершенно непрозрачен, алмаз же прозрачен и бесцветен; графит не горит даже при очень высоких температурах (он плавится при 385 °С), алмаз же в струе кислорода сгорает при 720 °С. Другой пример – белое и серое олово. Белое олово – блестящий, легкий и очень пластичный металл, серое олово – хрупкое и легко превращается в порошок.

Кристаллические решетки

8 КЛАСС

* По учебнику: Габриелян О.С. Химия-8. М.: Дрофа, 2003.

Цели. Обучающие. Дать понятие о кристаллическом и аморфном состоянии твердых веществ; познакомиться с типами кристаллических решеток, их взаимосвязью с видами химической связи и влиянием на физические свойства веществ; дать представление о законе постоянства состава веществ.
Развивающие . Развивать логическое мышление, умения наблюдать и делать выводы.
Воспитательные . Формировать эстетический вкус и коллективизм, расширять кругозор.
Оборудование и реактивы. Модели кристаллических решеток, диафильм «Зависимость свойств веществ от состава и строения», диапозитивы «Химическая связь. Строение вещества»; пластилин, жевательная резинка, смолы, воск, поваренная соль NaCl, графит, сахар, вода.
Форма организации работы. Групповая.
Методы и приемы. Самостоятельная работа, демонстрационный опыт, лабораторная работа.
Эпиграф.

ХОД УРОКА

УЧИТЕЛЬ. Кристаллы встречаются нам повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, создаем приборы и изделия из кристаллов, широко применяем кристаллы в технике и в науке, едим кристаллы, лечимся кристаллами, находим кристаллы в живых организмах, выходим на просторы космических дорог с помощью приборов из кристаллов…
Что же такое кристаллы?
Вообразите на минутку, что ваши глаза стали видеть атомы или молекулы; рост уменьшился, и вы смогли войти внутрь кристалла. Цель нашего урока – понять, что такое кристаллическое и аморфное состояние твердых веществ, познакомиться с типами кристаллических решеток, получить представление о законе постоянства состава веществ.
Какие агрегатные состояния веществ известны? Твердое, жидкое и газообразное. Они взаимосвязаны (схема 1).

Сказка о жадном хлоре

В некотором царстве, химическом государстве, жил-был Хлор. И хотя принадлежал он к старинному роду Галогенов, да и наследство получил немалое (на внешнем энергетическом уровне у него было семь электронов), был он очень жадным и завистливым, а от злости даже стал желто-зеленым. Днем и ночью мучило его желание сделаться похожим на Аргон. Думал он думал и наконец придумал: «У Аргона на внешнем уровне восемь электронов, а у меня только семь. Значит, мне надо заполучить еще один электрон, тогда я тоже буду благородным». На следующий день собрался Хлор в дорогу за заветным электроном, но далеко идти ему не пришлось: возле самого дома встретил он атом, похожий на него как две капли воды.
– Слушай, брат, дай мне свой электрон, – заговорил Хлор.
– Нет уж, лучше ты дай мне электрон, – ответил близнец.
– Ладно, давай тогда объединим наши электроны, чтобы никому не было обидно, – сказал жадный Хлор, надеясь, что потом он заберет электрон себе.
Но не тут-то было: оба атома в равной степени пользовались общими электронами, несмотря на отчаянные усилия жадного Хлора перетянуть их на свою сторону.

УЧИТЕЛЬ. Посмотрите на вещества на ваших столах и распределите их на две группы. Пластилин, жевательная резинка, смола, воск – это аморфные вещества. У них часто нет постоянной температуры плавления, наблюдается текучесть, нет упорядоченного строения (кристаллической решетки). Напротив, соль NaCl, графит и сахар – кристаллические вещества. Для них характерны четкие температуры плавления, правильные геометрические формы, симметрия.
Применение находят и аморфные, и кристаллические вещества. Мы познакомимся с типами кристаллических решеток и их влиянием на физические свойства веществ. Помогут в повторении видов химической связи подготовленные вами творческие задания – сказки.

Сказка про ковалентную полярную связь

В некотором царстве, в некотором государстве с названием «Периодическая система» жил-был маленький электрончик. У него не было друзей. Но однажды к нему в село под названием «Внешний уровень» пришел другой электрончик, точь-в-точь похожий на первого. Они сразу же подружились, ходили всегда вместе и даже не заметили, как оказались спаренными. Эти электроны прозвали ковалентными.

Сказка про ионную связь

В доме периодической системы Менделеева жили два друга – металл Na и неметалл Cl. Каждый жил в своей квартире: Na – в квартире под № 11, а Cl – под № 17.
И вот решили друзья поступить в кружок, а там им сказали: чтобы поступить в этот кружок, надо завершить энергетический уровень. Друзья расстроились и поплелись домой. Дома они думали, как завершить энергетический уровень. И вдруг Сl сказал:
– Давай, ты мне подаришь со своего третьего уровня один электрон.
– То есть как подарю? – спросил Na.
– А так, возьмешь и подаришь. У тебя будет два уровня и все завершенные, а у меня будет три уровня и тоже все завершенные. Тогда нас примут в кружок.
– Ладно, забирай, – сказал Na и отдал свой электрон.
Когда они пришли в кружок, то директор кружка спросил: «Как вам это удалось?» Они все ему рассказали. Директор сказал: «Молодцы, ребята» – и принял их в свой кружок. Натрию директор дал карточку со знаком «+1», а хлору – со знаком «–1». И теперь он принимает в кружок всех желающих – металлы и неметаллы. А то, что сделали Na и Сl, он назвал ионной связью.

УЧИТЕЛЬ. Вы хорошо разобрались в типах химической связи? Эти знания пригодятся при изучении кристаллических решеток. Мир веществ велик и разнообразен. Они обладают самыми разными свойствами. Различают физические и химические свойства веществ. Какие свойства мы отнесем к физическим?
Ответы учеников: агрегатное состояние, цвет, плотность, температуры плавления и кипения, растворимость в воде, электропроводность.

УЧИТЕЛЬ. Опишите физические свойства веществ: O 2 , H 2 O, NaCl, графит С.
Ученики заполняют таблицу, которая в результате приобретает следующий вид.

Таблица

Физические свойства	Вещества
	О 2	Н 2 О	NaCl	C
Агрегатное состояние	Газ	Жидкость	Твердое	Твердое
Плотность, г/см 3	1,429 (г/л)	1,000	2,165	2,265
Цвет	Бесцветный	Бесцветный	Белый	Черный
t пл, °С	–218,8	0,0	+801,0	–
t кип, °С	–182,97	+100	+1465	+3700
Растворимость в воде	Малорастворим	–	Растворим	Нерастворим
Электропроводность	Неэлектропроводный	Слабая	Проводник	Проводник

УЧИТЕЛЬ. По физическим свойствам веществ можно определить их строение.

Диапозитив.

УЧИТЕЛЬ. Кристалл – твердое тело, частицы которого (атомы, молекулы, ионы) расположены в определенном, периодически повторяющемся порядке (в узлах). При мысленном соединении узлов линиями образуется пространственный каркас – кристаллическая решетка. Различают четыре типа кристаллических решеток (схема 2 , см. с. 24).

Схема 2

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ РЕШЕТКИ

УЧИТЕЛЬ. Какие кристаллические решетки у О 2 , Н 2 О, NaCl, С?

Ответ учеников. О 2 и Н 2 О – молекулярные кристаллические решетки, NaCl – ионная решетка,
С – атомная решетка.
Демонстрация моделей кристаллических решеток: NaCl, C (графит), Mg, CO 2 .

УЧИТЕЛЬ. Обратите внимание на типы кристаллических решеток простых веществ в зависимости от их положения в периодической системе (с. 79 учебника).
Какой тип решетки не встречается в простых веществах?
Ответ учеников. У простых веществ не бывает ионных решеток.

Ж.Л.Пруст (1754–1826)

УЧИТЕЛЬ. Для веществ с молекулярной решеткой характерно явление возгонки или сублимации.
Демонстрационный опыт. Возгонка бензойной кислоты или нафталина. (Возгонка – это превращение (при нагревании) твердого вещества в газ, минуя жидкую фазу, а затем снова кристаллизация в виде инея.)

УЧИТЕЛЬ. Вещества с молекулярным строением подчиняются закону постоянства состава вещества; вещества молекулярного строения имеют постоянный состав независимо от способа их получения. Закон был открыт Ж.Л.Прустом. Он разрешил долгий спор К.Л.Бертолле и Дж.Дальтона в пользу первого.
Например, углекислый газ или оксид углерода(IV) CO 2 – сложное вещество молекулярного строения. Оно состоит из двух элементов: углерода и кислорода, причем в молекуле один атом углерода и два атома кислорода. Относительная молекулярная масса M r (CO 2 ) = 44, молярная масса M(CO 2 ) = 44 г/моль. Молярный объем V M (CO 2 ) = 22,4 моль (н.у.). Число молекул в 1 моль вещества N A (CO 2 ) = 6 10 23 молекул.
Для веществ с ионным строением закон Пруста не всегда выполняется.

Графический диктант
«Виды химических связей и типы кристаллических решеток»

Знаками «+» и «–» отмечается, характерно ли данное утверждение (1–20) для типа химической связи указанного варианта.
Вариант 1. Ионная связь.
Вариант 2. Ковалентная неполярная связь.
Вариант 3. Ковалентная полярная связь.

Утверждения.

1. Связь образуется между атомами металлов и неметаллов.
2. Связь образуется между атомами металлов.
3. Связь образуется между атомами неметаллов.
4. В процессе взаимодействия атомов образуются ионы.
5. Образовавшиеся молекулы поляризованы.
6. Связь устанавливается за счет спаривания электронов без сдвига общих электронных пар.
7. Связь устанавливается путем спаривания электронов и сдвига общей пары к одному из атомов.
8. В процессе химической реакции происходит полная передача валентных электронов от одного атома реагирующих элементов к другому.
9. Степень окисления атомов в молекуле равна нулю.
10. Степени окисления атомов в молекуле равны количеству отданных или принятых электронов.
11. Степени окисления атомов в молекуле равны количеству смещенных общих электронных пар.
12. Соединения с данным видом связи образуют кристаллическую решетку ионного типа.
13. Для соединений с этим видом химической связи характерны кристаллические решетки молекулярного типа.
14. Соединения с таким видом связи образуют кристаллические решетки атомного типа.
15. Соединения могут быть газообразными при обычных условиях.
16. Соединения твердые при обычных условиях.
17. Соединения с таким видом связи обычно тугоплавкие.
18. Вещества с таким видом связи могут быть жидкими при обычных условиях.
19. Вещества с такой химической связью имеют запах.
20. Вещества с такой химической связью имеют металлический блеск.

Ответы (самооценка).

Вариант 1

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
+	–	–	+	+	–	–	+	–	+
11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
–	+	–	–	–	+	+	–	–	–

Вариант 2

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
–	–	+	–	–	+	–	–	+	–
11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
–	–	+	–	+	+	–	+	+	–

Вариант 3

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
–	–	+	–	+	–	+	–	–	–
11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
+	–	+	+	+	–	+	+	+	–

Критерии оценки: 1–2 ошибки – «5», 3–4 ошибки – «4», 5–6 ошибок – «3».

Закрепление материала

Кремний имеет атомную кристаллическую решетку. Каковы его физические свойства?
Какой тип кристаллической решетки у Na 2 SO 4 ?
Оксид СО 2 имеет низкую t пл, а кварц SiO 2 – очень высокую (кварц плавится при 1725 °С). Какие кристаллические решетки они должны иметь?

УЧИТЕЛЬ. Мы заглянули в нутро вещей, не правда ли? В заключение хочется упомянуть драгоценные камни: алмаз, сапфир, изумруд, александрит, аметист, жемчуг, опал и др. Драгоценным камням издавна приписывали целебные свойства. Считали, что кристалл аметиста предохраняет от пьянства и навевает счастливые сны. Изумруд спасает от бурь. Алмаз бережет от болезней. Топаз приносит счастье в ноябре, а гранат – в январе.

Драгоценные камни служили мерой богатств князей и императоров. Иноземные послы, побывавшие в XVII в. в России, писали, что ими овладел «тихий ужас» при виде роскошных нарядов царской семьи, сплошь унизанных драгоценными камнями.
На голове царицы Ирины Годуновой была корона, «как стена с зубцами», разделенная на 12 башенок, искусно выделанных из рубинов, топазов, алмазов и «скатных жемчугов», кругом корона была унизана огромными аметистами и сапфирами.

Известно, что шляпа князя Потемкина Таврического так была усеяна бриллиантами и из-за этого столь тяжела, что владелец не мог носить ее на голове; адъютант нес шляпу в руках за князем. На одном из платьев императрицы Елизаветы было нашито столько драгоценных камней, что она, не выдержав их тяжести, упала на балу в обморок. Впрочем, еще раньше с супругой царя Александра Михайловича случилось более досадное происшествие: ей пришлось прервать обряд венчания, чтобы снять с себя усыпанный самоцветами наряд.
Самые большие в мире алмазы известны каждый под своим названием: «Орлов», «Шах», «Конкур», «Регент» и др.
Кристаллы необходимы – в часах, эхолотах, микрофонах; алмаз – «работник» (в подшипниках, стеклорезах и др.).
«Камень сейчас в руках человека – не забава и роскошь, а прекрасный материал, которому мы сумели вернуть его место, материал, среди которого прекраснее и веселее жить. Он не будет “драгоценным камнем” – его время прошло: это будет самоцвет, дающий красоту жизни. ...В нем человек будет видеть воплощение непревзойденных красок и нетленности самой природы, к которым может прикоснуться только горящим огнем вдохновения художник», – писал академик А.Е.Ферсман.
Кристаллы можно вырастить даже в бытовых условиях. Попробуйте выполнить творческое домашнее задание по выращиванию кристаллов.

Домашнее задание
«Выращивание кристаллов»

Оборудование и реактивы. Чистые стаканы, картон, карандаш, нитки; вода, соль (NaCl, или СuSO 4 , или KNO 3 .)

Ход работы

Первый способ . Приготовьте насыщенный раствор выбранной вами соли. Для этого в горячую воду насыпьте порциями соль и перемешивайте до растворения. Как только соль перестанет растворяться, раствор насыщен. Раствор профильтруйте через марлю. Этот раствор налейте в стакан, положите карандаш с ниткой и грузом (пуговичка, например). Через 2–3 дня груз должен обрасти кристалликами.
Второй способ . Банку с насыщенным раствором закройте картоном и подождите, пока при медленном охлаждении на дно выпадут кристаллы. Обсушите кристаллы на салфетке, несколько самых привлекательных укрепите на нитке, привяжите к карандашу и опустите в насыщенный раствор, освобожденный от других кристаллов. Кристаллы могут расти 2–3 недели.

Для большинства веществ характерна способность в зависимости от условий находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком или газообразном.

Например, вода при нормальном давлении в интервале температур 0-100 o C является жидкостью, при температуре выше 100 о С способна существовать только в газообразном состоянии, а при температуре менее 0 о С представляет собой твердое вещество.
Вещества в твердом состоянии различают аморфные и кристаллические.

Характерными признаками аморфных веществ является отсутствие четкой температуры плавления: их текучесть плавно увеличивается с ростом температуры. К аморфным веществам относятся такие соединения, как воск, парафин, большинство пластмасс, стекло и т.д.

Все же кристаллические вещества обладают конкретной температурой плавления, т.е. вещество с кристаллическим строением переходит из твердого состоянии в жидкое не постепенно, а резко, при достижении конкретной температуры. В качестве примера кристаллических веществ можно привести поваренную соль, сахар, лед.

Разница в физических свойствах аморфных и кристаллических твердых веществ обусловлена прежде всего особенностями строения таких веществ. В чем заключается разница между веществом в аморфном и кристаллическом состоянии, проще всего понять из следующей иллюстрации:

Как можно заметить, в аморфном веществе, в отличие от кристаллического, отсутствует какой-либо порядок в расположении частиц. Если же в кристаллическом веществе мысленно соединить прямой два близкорасположенных друг к другу атома, то можно обнаружить, что на этой линии на строго определенных промежутках будут лежать одни и те же частицы:

Таким образом, в случае кристаллических веществах можно говорить о таком понятии, как кристаллическая решетка.

Кристаллической решеткой называют пространственный каркас, соединяющий точки пространства, в которых находятся частицы, образующие кристалл.

Точки пространства, в которых находятся образующие кристалл частицы, называют узлами кристаллической решетки .

В зависимости от того, какие частицы находятся в узлах кристаллической решетки, различают: молекулярную, атомную, ионную и металлическую кристаллические решетки .

В узлах молекулярной кристаллической решетки

Кристаллическая решетка льда как пример молекулярной решетки

находятся молекулы, внутри которых атомы связаны прочными ковалентными связями, однако сами молекулы удерживаются друг возле друга слабыми межмолекулярными силами. Вследствие таких слабых межмолекулярных взаимодействий кристаллы с молекулярной решеткой являются непрочными. Такие вещества от веществ с иными типами строения отличаются существенно более низкими температурами плавления и кипения, не проводят электрический ток, могут как растворяться, так и не растворяться в различных растворителях. Растворы таких соединений могут как проводить, так и не проводить электрический ток в зависимости от класса соединения. К соединениям с молекулярной кристаллической решеткой относятся многие простые вещества — неметаллы (отвержденные H 2 , O 2 , Cl 2 , ромбическая сера S 8 , белый фосфор P 4), а также многие сложные вещества – водородные соединения неметаллов, кислоты, оксиды неметаллов, большинство органических веществ. Следует отметить, что, если вещество находится в газообразном или жидком состоянии, говорить о молекулярной кристаллической решетке неуместно: корректнее использовать термин — молекулярный тип строения.

Кристаллическая решетка алмаза как пример атомной решетки

В узлах атомной кристаллической решетки

находятся атомы. При этом все узлы такой кристаллической решетки «сшиты» между собой посредством прочных ковалентных связей в единый кристалл. Фактически, такой кристалл является одной гигантской молекулой. Вследствие особенностей строения все вещества с атомной кристаллической решеткой являются твердыми, обладают высокими температурами плавления, химически мало активны, не растворимы ни в воде, ни в органических растворителях, а их расплавы не проводят электрический ток. Следует запомнить, что к веществам с атомным типом строения из простых веществ относятся бор B, углерод C (алмаз и графит), кремний Si, из сложных веществ — диоксид кремния SiO 2 (кварц), карбид кремния SiC, нитрид бора BN.

У веществ с ионной кристаллической решеткой

в узлах решетки находятся ионы, связанные друг с другом посредством ионных связей.
Поскольку ионные связи достаточно прочны, вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью и тугоплавкостью. Чаще всего они растворимы в воде, а их растворы, как и расплавы проводят электрический ток.
К веществам с ионным типом кристаллической решетки относятся соли металлов и аммония (NH 4 +), основания, оксиды металлов. Верным признаком ионного строения вещества является наличие в его составе одновременно атомов типичного металла и неметалла.

Кристаллическая решетка хлорида натрия как пример ионной решетки

наблюдается в кристаллах свободных металлов, например, натрия Na, железа Fe, магния Mg и т.д. В случае металлической кристаллической решетки, в ее узлах находятся катионы и атомы металлов, между которыми движутся электроны. При этом движущиеся электроны периодически присоединяются к катионам, таким образом нейтрализуя их заряд, а отдельные нейтральные атомы металлов взамен «отпускают» часть своих электронов, превращаясь, в свою очередь, в катионы. Фактически, «свободные» электроны принадлежат не отдельным атомам, а всему кристаллу.

Такие особенности строения приводят к тому, что металлы хорошо проводят тепло и электрический ток, часто обладают высокой пластичностью (ковкостью).
Разброс значений температур плавления металлов очень велик. Так, например, температура плавления ртути составляет примерно минус 39 о С (жидкая в обычных условиях), а вольфрама — 3422 °C. Следует отметить, что в обычных условиях все металлы, кроме ртути, являются твердыми веществами.

Координационные структуры. Координационными называются решетки, Б которых каждый атом (нон) окружен определенным числом соседей, находящихся на равных расстояниях и удерживаемых одинаковым типом химической связи (ионной, ковалентной, металлической). К координационным относятся ранее рассмотренные решетки хлорида натрия и хлорида цезия (см. рис. 58), алмаза (см. рис. 64) и металлов (см. рис. 65). 

    В больщинстве случаев поляризующее влияние катиона и поляризуемость анионов (особенно таких, как анион иода, серы,кислорода) приводят к увеличению ковалентного характера связей. Другим фактором, оказывающим действие на состояние связей, является степень экранирования катиона соединенными с ним анионами. Так, например, в решетке хлорида натрия анионы хлора в гораздо меньшей степени экранируют катион, чем в решетке хлорида алюминия или олова (IV). Решетка хлорида алюминия, возникшая при конденсации газообразного хлорида, имеет все шансы сохранить в узлах молекулы - ее ионный характер выражен очень слабо. Но уже фторид алюминия, в молекуле которого ион алюминия окружен анионами меньшего радиуса, дает при конденсации решетку ионного типа и само соединение имеет солеобразный характер. 

Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отделе-ные атомы, называют атомными. Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями. Примером можег служить алмаз - одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами. Координационное число углерода в алмазе равно 4. Структура алмаза приведена на с. 127. В решетке алмаза, как и в решетке хлорида натрия, молекулы отсутствуют. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую макромолекулу. Число веществ с атомной кристаллической решеткой в неорганической химии велико. Они имеют высокие температуры плавления (у алмаза свыше 3500 °С), прочны и тверды, практически нерастворимы в жидкостях. 

Упрощенная модель ионной решетки хлорида натрия. 

Для оценки точности формулы (11.6) представляет интерес сопоставить АСкаС с изменением энтальпии в ходе разрушения кристаллической решетки хлорида натрия АВ аа- Величину A/fsaa можно определить при помощи следующего термодинамического цикла  

Чем отличаются ионы, содержащиеся в кристаллической решетке хлорида натрия и гидроксида натрия, от ионов, содержащихся в растворах этих веществ  

    Пространственное расположение ионов в ионной решетке хлорида натрия. 

Рассмотрим структуру типичных неорганических веществ. На рис. 1 приведена кристаллическая решетка хлорида натрия. Приня- 

Дефекты этого типа наблюдаются, например, в решетке хлорида натрия - некоторые узлы, отвечающие катионам и анионам, остаются пустыми. Анионы вообще редко смещаются в междоузлия, так как они, как правило, крупнее катионов. Для катионов возможны оба типа дефектов. 

В другом цикле, предложенном Майером (1930), используются энергии сублимации галогенидов шелочных металлов, энергии диссоциации их газообразных молекул и некоторые другие термохимические величины, уже фигурировавшие в цикле Габера - Борна. Для Na l этот цикл дает AG = 75(5 кДж-м оль. Таким образом, можно полагать, что энергия решетки хлорида натрия должна лежать в пределах от 760 до 790 кДж-моль, куда попадают значения, подсчитанные по уравнениям. (1.23) и (1.25) величину 762 кДж-моль- можно считать наиболее вероятным значением энергии решетки Na l. 

Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называют атомными. Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями. Примером может служить алмаз - одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами. Координационное число углерода в алмазе равно 4. Структура алмаза приведена на рис. 84. В решетке алмаза, как и в решетке хлорида натрия, молекулы отсутствуют. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую макромолекулу. 

Тепловой эффект здееь характеризует энергию кристаллической решетки хлорида натрия. 

Способ образования ионных решеток приводит к тому, что они обладают компактной структурой. Кристаллическая решетка хлорида натрия построена как бы взаимопроникновением гранецентрированных кубических систем, одна из которых содержит только катионы N3+, а другая - анионы С1 рис. 19). 

В решетке хлорида натрия координационные числа обоих ион зв равны 6. Итак, в кристалле хлорида натрия нельзя выделить отдельные молекулы соли. Их нет. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую макромолекулу, состоящую из равного числа ионов Ка+ и С1 , На С1 , где/г - большое число (см. рис. 3.15). Связи между ионами в таком кристалле весьма прочны. Поэтому вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью. Они тугоплавки и малолетучи. 

Некоторые электролиты уже до растворения состоят из ионов. Так, например, кристаллическая решетка хлорида натрия построена из ионов натрия и хлорид-ионов, решетка нитрата калия - из. ионов калия и нитрат-ионов и т. п. При растворении таких веществ ионы сольватируются и переходят в жидкую фазу. В растворе нет молекул растворенного вещества, имеются только ионы. Такие электролиты называют сильными электролитами. 

Воспол11зуемся приведенными уравЕ(ениямн для оценки энергии решетки хлорида натрия. Формула Борна (1.23) после подстановки численных значений всех входящих в нее величин дает для энергии решетки 

Энергии и теплоты сольватации электролитов были рассчитаны впервые Борном и Габером (1919) фи помощи циклов, основанных на термохимическом законе Гесса. Так, например, при вычислении теплоты гидратации хлорида натрия 1 моль твердой кристаллической соли мысленно переводят в бесконечно большсш объем воды при зтом выделяется теплота растворения -AHl, = Qь Тот же раствор хлорида натрия можно получить, если сначала разрушить кристаллическую решетку с образованием ионов натрия и хлора в газовой фазе на это затрачивается элергия, равная энергии решетки хлорида натрия -Д(5р = - V Затем эти ионы переводят в бесконечно большой объем воды, при этом освобождается суммарная теплота гидратации ионов натрия и хлора - Д/У, + 

Энтропия метанола, СН3ОН, при растворении возрастает лишь незначительно, поскольку моль молекул метанола, диспергированных между молекулами воды, оказывается нена шого больше неупорядоченным, чем моль чистого жидкого метанола. Растворение муравьиной кислоты, НСООН, приводит к большему возрастанию энтропии, поскольку ее молекулы частично диссоциируют на протоны и формиат-ионы, НСОО в результате чего из одной частицы образуются две. Кристаллическая решетка хлорида натрия при растворении полностью разрушается, и при этом образуются гидратированные ионы Na и С1 , что обусловливает значительное возрастание неупорядоченности, хотя часть молекул воды оказывается связанной вследствие гидратирования ионов. Заметим, что энтропия раствора Na l получена из данньк приложения 3 путем сум шрования энтропий водных растворов двух ионов  

Следовательно, энергия кулононского взаимодействия одною иона со всеми другими ионами в решетке хлорида натрия в а раз превышает энергию взаимодействия двух однозарядных иоков, находящихся на расстоянии г. Таким образом, коэффициент Маделунга а для Na l равен 1,7475. Аналогичным методом можно вычислить эти величины и для других кристаллических решеток. Значения коэффициентов Маделунга для некоторых типов кристаллических структур приведены в табл. 24. 

Помимо типов связи кристаллы отличаются своей геометрией. Кубическая решетка хлорида натрия является простейшим примером. Кристалл СзС1 образует так называемую объемно-центрированную кубическую решетку. В вершинах куба, образующего элементарную ячейку, находятся одноименно заряженные ионы, скажем, ионы С1 , а в центре куба - ион Сз+. В то же время этот центр может рассматриваться, как вершина другого куба, в вершинах которого находятся ионы цезия, а в центре-анион С1 . В этом варианте каждый ион окружен восемью (а не шестью, как в случае ЫаС1) противоионами, т. е. координационное число равно восьми (рис. 55). 

Для галидов щелочных и щелочноземельных металлов харак-кулярных, образующих молекулярные решетки. Степень ковалент-рированная решетка хлорида натрия. Хлорид, бромид и иодид цезия кристаллизуются в решетке типа объемно центрированного куба. Тип решетки ионного кристалла определяется правилом, основанным на простых геометрических соображениях отношение радиусов катиона и аниона 0,2 соответствует решетке типа сульфида цинка если это отношение лежит в пределах от 0,22 до 0,41, мож- 

Число ближайших соседних частиц, вплотную примыкающих к данной частице в кристалле или в отдельной молекуле, назысается координационным числом. В решетке хлорида натрия координационные числа обоих ионов равны 6. Итак, в кристалле хлорида натрия нельзя выделить отдельные ионные молекулы соли. Их нет. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую макромолекулу, состоящую из равного числа ионов и С1 , например Ыа,Х, где п- большое число (см. рис. 1.21). Связи между ионами в таком кристалле весьма прочны. Поэтому вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высоко11 твердостью. Они тугоплавки и малолетучи. 

Существенно то, что в структуре поваренной соли нельзя очертить отдельные молекулы ЫаС1, так как их нет. Атомы натрия и хлора в решетке хлорида натрия не связаны попарно между собой. Между тем в условиях повышенной температуры в парах хлорида натрия существуют молекулы ЫаС1. При этом равновесное расстояние между натрием и хлором в кристалле на 15% больше, чем в газообразной молекуле Na l, т. е. последняя менее ионна. 

Таким образом, во всех рассмотренных структурах нельзя выделить обособленные молекулы в кристаллической решетке. Такие кристаллические решетки, в которых отсутствуют дискретные молекулы, называются координационными решетками. Для большинства неорганических веществ (более 95%) характерны именно координационные решетки. К ним относятся условно ионные, металлические и ковалентные решетки. К условно ионным решеткам принадлежит решетка хлорида натрия, металлическим - решетка натрия и ковалентным - решетки кремния и сульфида цинка. Это деление, основанное на преобладающем типе химической связи, условно. В реальных кристаллах сосуществуют различные типы химической связи, и можно рассматривать решетки ионно-ко-валентные, ковалентно-металлические и т. п. На рис. 5 для сравнения приведены элементарные ячейки м.о. 1екулярных решеток иода (а) и диоксида углерода (б). Их важнейшей особенностью в отличие от предыдущих типов кристаллов является то, что в узлах кристаллической решетки находятся не атомы, а молекулы. При этом расстояния между атомами в молекуле меньше, чем межмолекулярные расстояния в кристалле, в то время как в координационных решетках все расстояния одинаковы. Однако молекулярные решетки не характерны для твердых неорганических веществ. В неорганической химии молекулы являются типичной формой существования химического соединения в наро- и газообразном состоянии. 

Отсюда Ещ, = -772,4 кДж/моль. Большая отрицательная величина энергии кристаллической решетки хлорида натрия указывает на экзотермичность процесса образования и значительную стабильность кристаллического Na l. Расчеты по приведенной схеме, называемой циклом Борна - Габера, крайне важны в неорганической химии, поскольку позволяют оценить энергию связи в соединении и другие важные энергетические характеристики твердых тел. 

Отсюда и = -772,А кДж/моль. Большая отрицательная величина энергии кристаллической решетки хлорида натрия указывает на экзотермичность процесса образования и значительную стабильность кристаллического Na l. 

Термохимический цикл для расчета эиергаи кристаллической решетки хлорида натрия складывается из следующих реакций  

Смотреть страницы где упоминается термин Решетка хлорида натрия :                   Общая химия (1968) -- [

«Кристаллическая решетка» - Задание: Определите тип химической связи в данных соединениях: Классификация твердых веществ. Характеристика основных типов кристаллических решеток. тема урока КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ РЕШЁТКИ. HCl, Cl2, H2O, NaBr, BaCl2, CaS, O2, NH3, CO2, C.

«Кристаллические решётки химия» - Типы кристаллических решеток. Вещества с АКР имеют высокие температуры плавления, обладают повышенной твёрдостью. Точки размещения частиц называют узлами кристаллической решётки. Выше показана кристаллическая решётка алмаза. Оценка собственного продвижения. Закон постоянства состава. Атомные. Ионными называют кристаллические решетки, в узлах которых находятся ионы.

«Кристаллические и аморфные вещества» - Сера S8. Йод I2. Твердое. Примеры: простые вещества (H2, N2, O2, F2, P4, S8, Ne, He), сложные вещества (СО2, H2O, сахар С12H22O11 и др.). Агрегатное состояние вещества (на примере кислорода О2). Нет строгого расположения частиц, нет кристаллической решетки. Свойства веществ: 1) металлический блеск, 2) тепло- и электропроводность, 3) ковкость и пластичность, 4) непрозрачность.

Поликристалл аметиста (разновидность кварца). Аморфные тела. Леденец. Свойства твердых тел. Янтарь. Друза кристаллов горного хрусталя. Кристаллы. Поликристалл металла. Монокристалл Каменной соли. Друза мариона. Монокристалл шпата. Аморфное тело. Монокристалл горного хрусталя. Физические свойства аморфных тел: 1. Бесформенные 2. Отсутствие точки плавления 3. Изотропия.

«Кристаллические и аморфные тела» - Цель: выявить различия в свойствах кристаллов и аморфных тел. Кристаллы имеют температуру плавления, аморфные тела – интервал температур (текучесть). Оборудование: лупа, коллекция минералов и горных пород, коллекция металлов. Поликристаллы изотропны. Кристаллы анизотропны, аморфные тела изотропны. Наличие постоянной температуры плавления.

«Соль 4life» - Marbelle 750г. Зимушка-краса 750г. 4life 125г. Предпосылки. Droga 1000г. Морская соль 4Life обладает уникальными вкусовыми свойствами. Ассортимент. В чём достоинства соли 4Life? Позиционирование. Marsel (пакет 1000г). Карта позиционирования (тубы-солонки). Целевая аудитория. Цена, руб. Экстра 1000г.