Krystalová mřížka oxidů kovů. Krystalové mřížky v chemii
Většina pevných látek má krystalová struktura, ve kterém částice, ze kterých je „postaven“, jsou v určitém pořadí, čímž vytvářejí krystalová mřížka. Je postaven z opakujících se stejných konstrukčních jednotek - jednotkové buňky, který komunikuje se sousedními buňkami a tvoří další uzly. Výsledkem je 14 různých krystalových mřížek.
Typy krystalových mřížek.
V závislosti na částicích, které stojí v uzlech mřížky, se rozlišují:
- kovová krystalová mřížka;
- iontová krystalová mřížka;
- molekulární krystalová mřížka;
- makromolekulární (atomární) krystalová mřížka.
Kovová vazba v krystalových mřížkách.
Iontové krystaly mají zvýšenou křehkost, protože posun v krystalové mřížce (i nepatrný) vede k tomu, že se podobně nabité ionty začnou vzájemně odpuzovat a dochází k přerušování vazeb, prasklinám a štěpení.
Molekulární vazba krystalových mřížek.
Hlavním rysem mezimolekulární vazby je její „slabost“ (van der Waals, vodík).
Toto je struktura ledu. Každá molekula vody je spojena vodíkovými můstky se 4 molekulami, které ji obklopují, což vede k tetraedrické struktuře.
Vodíková vazba vysvětluje vysoký bod varu, bod tání a nízkou hustotu;
Makromolekulární spojení krystalových mřížek.
V uzlech krystalové mřížky jsou atomy. Tyto krystaly se dělí na 3 typy:
- rám;
- řetěz;
- vrstvené struktury.
Rámová struktura diamant je jednou z nejtvrdších látek v přírodě. Atom uhlíku tvoří 4 stejné kovalentní vazby, což naznačuje tvar pravidelného čtyřstěnu ( sp 3 - hybridizace). Každý atom má osamocený elektronový pár, který se může také vázat se sousedními atomy. V důsledku toho vzniká trojrozměrná mřížka, v jejíchž uzlech jsou pouze atomy uhlíku.
Rozbití takové struktury vyžaduje hodně energie; bod tání takových sloučenin je vysoký (u diamantu je to 3500 °C).
Vrstvené struktury mluvit o přítomnosti kovalentních vazeb v každé vrstvě a slabých van der Waalsových vazbách mezi vrstvami.
Podívejme se na příklad: grafit. Každý atom uhlíku je uvnitř sp 2 - hybridizace. 4. nepárový elektron tvoří van der Waalsovu vazbu mezi vrstvami. Proto je 4. vrstva velmi mobilní:
Vazby jsou slabé, takže se snadno přetrhnou, což lze pozorovat v tužce – „vlastnost psaní“ – na papíře zůstává 4. vrstva.
Grafit je výborný vodič elektrického proudu (elektrony se mohou pohybovat po rovině vrstvy).
Řetězové struktury mají oxidy (např. TAK 3 ), který krystalizuje ve formě lesklých jehliček, polymerů, některých amorfních látek, silikátů (azbestu).
Podrobnosti Kategorie: Molekulárně-kinetická teorie Zveřejněno 14.11.2014 17:19 Zobrazení: 14761V pevných látkách jsou částice (molekuly, atomy a ionty) umístěny tak blízko u sebe, že interakční síly mezi nimi nedovolí, aby se od sebe rozlétly. Tyto částice mohou provádět pouze oscilační pohyby kolem rovnovážné polohy. Pevné látky si proto zachovávají svůj tvar a objem.
Podle své molekulární struktury se pevné látky dělí na krystalický A amorfní .
Stavba krystalických těles
Krystalová mřížka
Krystalické jsou ty pevné látky, molekuly, atomy nebo ionty, ve kterých jsou uspořádány v přesně definovaném geometrickém pořadí a tvoří strukturu v prostoru tzv. krystalová mřížka . Toto pořadí se periodicky opakuje ve všech směrech v trojrozměrném prostoru. Přetrvává na velké vzdálenosti a není prostorově omezen. Volají mu dlouhým způsobem .
Typy krystalových mřížek
Krystalová mřížka je matematický model, který lze použít k představě, jak jsou částice uspořádány v krystalu. Mentálním spojením bodů v prostoru, kde se tyto částice nacházejí, přímkami, dostaneme krystalovou mřížku.
Vzdálenost mezi atomy umístěnými v místech této mřížky se nazývá mřížkový parametr .
V závislosti na tom, které částice jsou umístěny v uzlech, jsou krystalové mřížky molekulární, atomové, iontové a kovové .
Vlastnosti krystalických těles jako je teplota tání, elasticita a pevnost závisí na typu krystalové mřížky.
Když teplota stoupne na hodnotu, při které začíná tání pevné látky, krystalová mřížka je zničena. Molekuly získávají větší volnost a pevná krystalická látka přechází do kapalného stavu. Čím silnější jsou vazby mezi molekulami, tím vyšší je bod tání.
Molekulární mřížka
V molekulárních mřížkách nejsou vazby mezi molekulami pevné. Proto jsou za normálních podmínek takové látky v kapalném nebo plynném stavu. Pevné skupenství je pro ně možné pouze při nízkých teplotách. Nízká je i jejich teplota tání (přechod z pevné látky na kapalinu). A za normálních podmínek jsou v plynném stavu. Příklady jsou jód (I 2), „suchý led“ (oxid uhličitý CO 2).
Atomová mřížka
V látkách, které mají atomovou krystalovou mřížku, jsou vazby mezi atomy pevné. Proto jsou samotné látky velmi tvrdé. Při vysokých teplotách tají. Krystalickou atomovou mřížku mají křemík, germanium, bor, křemen, oxidy některých kovů a nejtvrdší látka v přírodě, diamant.
Iontová mřížka
Mezi látky s iontovou krystalovou mřížkou patří alkálie, většina solí a oxidy typických kovů. Protože přitažlivá síla iontů je velmi silná, mohou tyto látky tát pouze při velmi vysokých teplotách. Říká se jim žáruvzdorné. Mají vysokou pevnost a tvrdost.
Kovový gril
V uzlech kovové mřížky, kterou mají všechny kovy a jejich slitiny, se nacházejí jak atomy, tak ionty. Díky této struktuře mají kovy dobrou kujnost a tažnost, vysokou tepelnou a elektrickou vodivost.
Nejčastěji je tvar krystalu pravidelný mnohostěn. Plochy a hrany takových mnohostěnů zůstávají pro konkrétní látku vždy konstantní.
Jednokrystal se nazývá monokrystal . Má pravidelný geometrický tvar, souvislou krystalovou mřížku.
Příklady přírodních monokrystalů jsou diamant, rubín, horský křišťál, kamenná sůl, islandský rákos, křemen. V umělých podmínkách se monokrystaly získávají procesem krystalizace, kdy se z nich ochlazením roztoků nebo tavenin na určitou teplotu izoluje pevná látka ve formě krystalů. Při pomalé rychlosti krystalizace má výbrus takových krystalů přirozený tvar. Tímto způsobem se za speciálních průmyslových podmínek získávají monokrystaly polovodičů nebo dielektrik.
Malé krystaly náhodně srostlé dohromady se nazývají polykrystaly . Nejjasnějším příkladem polykrystalu je žulový kámen. Všechny kovy jsou také polykrystalické.
Anizotropie krystalických těles
V krystalech jsou částice umístěny s různou hustotou v různých směrech. Pokud spojíme atomy v jednom ze směrů krystalové mřížky přímkou, pak vzdálenost mezi nimi bude v celém tomto směru stejná. V jakémkoli jiném směru je vzdálenost mezi atomy také konstantní, ale její hodnota se již může lišit od vzdálenosti v předchozím případě. To znamená, že interakční síly různé velikosti působí mezi atomy v různých směrech. Proto se budou lišit i fyzikální vlastnosti látky v těchto směrech. Tento jev se nazývá anizotropie - závislost vlastností hmoty na směru.
Elektrická vodivost, tepelná vodivost, elasticita, index lomu a další vlastnosti krystalické látky se mění v závislosti na směru v krystalu. Elektrický proud je veden různě v různých směrech, látka se různě zahřívá a paprsky světla se různě lámou.
U polykrystalů není fenomén anizotropie pozorován. Vlastnosti látky zůstávají ve všech směrech stejné.
Což je za normálních podmínek plyn, při teplotě -194 °C se mění v modrou kapalinu a při teplotě -218,8 °C ztuhne na sněhovou hmotu sestávající z modrých krystalů.
V této části se podíváme na to, jak vlastnosti chemických vazeb ovlivňují vlastnosti pevných látek. Teplotní rozsah pro existenci látky v pevném stavu je určen jejími body varu a tání. Pevné látky se dělí na krystalické a amorfní.
Amorfní látky nemají jasnou teplotu tání – zahřátím postupně měknou a přecházejí do tekutého stavu. V amorfním stavu je například plastelína nebo různé pryskyřice.
Krystalické látky se vyznačují správným uspořádáním částic, ze kterých jsou složeny: atomů, molekul a iontů. - v přesně definovaných bodech prostoru. Když jsou tyto body spojeny přímkami, vzniká prostorová kostra, která se nazývá krystalová mřížka. Body, ve kterých se nacházejí krystalové částice, se nazývají mřížky.
Uzly pomyslné mřížky mohou obsahovat ionty, atomy a molekuly. Tyto částice provádějí oscilační pohyby. S rostoucí teplotou se rozsah těchto kmitů zvětšuje, což zpravidla vede k tepelné roztažnosti těles.
Podle typu částic umístěných v uzlech krystalové mřížky a charakteru spojení mezi nimi se rozlišují čtyři typy krystalových mřížek: iontové, atomové, molekulární a kovové (tab. 6).
Jednoduché látky zbývajících prvků, které nejsou uvedeny v tabulce 6, mají kovovou mřížku.
Iontové krystalové mřížky jsou ty, jejichž uzly obsahují ionty. Jsou tvořeny látkami s iontovými vazbami, které mohou vázat jak jednoduché ionty Na+, Cl-, tak komplexní ionty SO 2- 4, OH-. V důsledku toho mají iontové krystalové mřížky soli, některé oxidy a hydroxidy kovů, tedy takové látky, ve kterých existuje iontová chemická vazba. Například krystal chloridu sodného je postaven ze střídajících se kladných Na+ a záporných Cl- iontů a tvoří tak mřížku ve tvaru krychle. Vazby mezi ionty v takovém krystalu jsou velmi stabilní. Proto mají látky s iontovým sítem poměrně vysokou tvrdost a pevnost, jsou žáruvzdorné a netěkavé.
Atomové mřížky jsou přelity do krystalových mřížek, v jejichž uzlech jsou jednotlivé atomy. V takových mřížkách jsou atomy navzájem spojeny velmi silnými kovalentními vazbami. Příkladem látek s tímto typem krystalových mřížek je diamant, jedna z alotropních modifikací uhlíku.
Množství látek s atomovou krystalovou mřížkou není příliš velké. Patří mezi ně krystalický bór, křemík a germanium a také komplexní látky, například obsahující oxid křemíku (IV) - SlO2: oxid křemičitý, křemen, písek, horský křišťál.
Většina látek s atomovou krystalovou mřížkou má velmi vysoké teploty tání (např. u diamantu je to přes 3500 ºС), jsou pevné a tvrdé, prakticky nerozpustné.
Molekulární jsou krystalové mřížky, ve kterých jsou molekuly umístěny v uzlech. Chemické vazby v těchto molekulách mohou být polární nebo nepolární. Navzdory tomu, že atomy uvnitř molekul jsou spojeny velmi silnými kovalentními vazbami, působí mezi molekulami samotnými slabé síly molekulární přitažlivosti. Proto látky s molekulárními krystalovými mřížkami mají nízkou tvrdost, nízké teploty tání a jsou těkavé.
Příklady látek s molekulárními krystalovými mřížkami jsou pevná voda - led, pevný oxid uhelnatý (IV) - „suchý led“, pevný chlorovodík a sirovodík, pevné jednoduché látky tvořené jedno- (vzácné plyny), dvou-, tří- ( O3), čtyři- (P4). osmiatomové molekuly. Většina pevných organických sloučenin má molekulární krystalové mřížky (naftalen, glukóza, cukr).
Látky s kovovými vazbami mají kovové krystalové mřížky. V místech takových mřížek jsou atomy a ionty (buď atomy nebo ionty, na které se atomy kovů snadno promění a odevzdají své vnější elektrony pro běžné použití). Tato vnitřní struktura kovů určuje jejich charakteristické fyzikální vlastnosti: kujnost, plasticita, elektrická a tepelná vodivost, charakteristický kovový lesk.
Pro látky s molekulární strukturou platí zákon stálosti složení objevený francouzským chemikem J. L. Proustem (1799-1803). V současnosti je tento zákon formulován takto: „Molekulární chemické sloučeniny, bez ohledu na způsob jejich přípravy, mají konstantní složení a vlastnosti. Proustův zákon je jedním ze základních zákonů chemie. Pro látky s nemolekulární strukturou, například iontovou, však tento zákon vždy neplatí.
1. Pevné, kapalné a plynné skupenství látek.
2. Pevné látky: amorfní a krystalické.
3. Krystalové mřížky: atomové, iontové, kovové a molekulární.
4. Zákon stálosti složení.
Jaké vlastnosti naftalenu jsou základem jeho použití k ochraně vlněných výrobků před moly?
Jaké vlastnosti amorfních těl jsou použitelné pro identifikaci charakterových vlastností jednotlivých lidí?
Proč byl hliník, objevený dánským vědcem K. H. Oerstedem v roce 1825, dlouhou dobu řazen mezi drahé kovy?
Vzpomeňte si na práci A. Belyaeva „The Air Seller“ a charakterizujte vlastnosti pevného kyslíku pomocí jeho popisu uvedeného v knize.
Proč se teplota tání kovů mění ve velmi širokém rozmezí? K přípravě odpovědi na tuto otázku použijte další literaturu.
Proč se silikonový produkt při nárazu rozbije na kusy, zatímco olověný produkt se pouze zploští? Ve kterém z těchto případů se chemická vazba rozpadne a ve kterém ne? Proč?
Tvorba molekul z atomů vede k nárůstu energie, protože za normálních podmínek je molekulární stav stabilnější než atomový stav.
Chcete-li zvážit toto téma, musíte vědět:
Elektronegativita je schopnost atomu posunout společný elektronový pár směrem k sobě. (Nejelektronegativnějším prvkem je fluor.)
Krystalová mřížka – trojrozměrné uspořádané uspořádání částic.
Existují tři hlavní typy chemických vazeb: kovalentní, iontové a kovové.
Kovové spojení charakteristické pro kovy, které obsahují malý počet elektronů na vnější energetické úrovni (1 nebo 2, méně často 3). Tyto elektrony snadno ztrácejí kontakt s jádrem a volně se pohybují skrz kus kovu, vytvářejí „elektronový mrak“ a zajišťují komunikaci s kladně nabitými ionty vytvořenými po odstranění elektronů. Krystalová mřížka je kovová. To určuje fyzikální vlastnosti kovů: vysoká tepelná a elektrická vodivost, kujnost a tažnost, kovový lesk.
Kovalentní vazba vzniká díky společnému elektronovému páru nekovových atomů, přičemž každý z nich dosahuje stabilní konfigurace atomu inertního prvku.
Pokud je vazba tvořena atomy se stejnou elektronegativitou, to znamená, že rozdíl v elektronegativitě dvou atomů je nulový, elektronový pár se nachází symetricky mezi dvěma atomy a vazba je tzv. kovalentní nepolární.
Pokud je vazba tvořena atomy s různou elektronegativitou a rozdíl v elektronegativitě obou atomů leží v rozmezí od nuly do přibližně dvou (nejčastěji se jedná o různé nekovy), pak je sdílený elektronový pár posunut k více elektronegativní prvek. Na něm se objeví částečně záporný náboj (záporný pól molekuly) a na druhém atomu částečně kladný náboj (kladný pól molekuly). Toto spojení se nazývá kovalentní polární.
Pokud je vazba tvořena atomy s různou elektronegativitou a rozdíl v elektronegativitě dvou atomů je větší než dva (nejčastěji se jedná o nekov a kov), pak se má za to, že elektron je zcela převeden na ne - atom kovu. V důsledku toho se tento atom stává záporně nabitým iontem. Atom, který daruje elektron, je kladně nabitý iont. Vazba mezi ionty se nazývá iontová vazba.
Sloučeniny s kovalentními vazbami mají dva typy krystalových mřížek: atomovou a molekulární.
V atomové krystalové mřížce obsahují uzly atomy spojené silnými kovalentními vazbami. Látky s takovou krystalovou mřížkou mají vysoké teploty tání, jsou pevné a tvrdé a jsou prakticky nerozpustné v kapalinách. například diamant, pevný bor, křemík, germanium a sloučeniny některých prvků s uhlíkem a křemíkem.
V molekulární krystalové mřížce uzly obsahují molekuly spojené slabými mezimolekulárními interakcemi.
Látky s takovou mřížkou mají nízkou tvrdost a nízké teploty tání, jsou nerozpustné nebo málo rozpustné ve vodě a roztoky prakticky nevedou elektrický proud. Například led, pevný oxid uhelnatý (IV) pevné halogenovodíky, jednoduché pevné látky tvořené jedním-(vzácné plyny), dvou- (F 2, Cl 2, Br 2, I 2, H 2, O 2, N 2) , tří-(O 3), čtyř-(P 4), osmi-(S 8) atomových molekul. Většina krystalických organických sloučenin má molekulární mřížku. Sloučeniny s iontovými vazbami mají iontovou krystalovou mřížku, v jejíchž uzlech se střídají kladně a záporně nabité ionty. Látky s iontovou mřížkou žáruvzdorné a málo těkavé,
Mají poměrně vysokou tvrdost, ale jsou křehké. Taveniny a vodné roztoky solí a zásad vedou elektrický proud.
Příklady úloh
1. Ve které molekule je kovalentní vazba „prvek - kyslík“ nejpolární?
1) SO 2 2) NO 3) Cl 2O 4) H20
Polarita vazby je určena rozdílem v elektronegativitě mezi dvěma atomy (v tomto případě prvkem a kyslíkem). Síra, dusík a chlór se nacházejí vedle kyslíku, proto se jejich elektronegativita mírně liší. A pouze vodík se nachází ve vzdálenosti od kyslíku, což znamená, že rozdíl v elektronegativitě bude velký a vazba bude nejpolární.
Odpověď: 4)
2. Mezi molekulami vznikají vodíkové vazby
1) methanol 2) methanal 3) acetylen 4) methylformiát
1) SO 2 2) NO 3) Cl 2O 4) H20
Acetylen neobsahuje vůbec žádné vysoce elektronegativní prvky. Methanal H 2 CO a methylformiát HCOOCH 3 neobsahují vodík spojený se silně elektronegativním prvkem. Vodík v nich je kombinován s uhlíkem. Ale v methanolu CH 3 OH se může vytvořit vodíková vazba mezi atomem vodíku jedné hydroxoskupiny a atomem kyslíku jiné molekuly.
Odpověď: 1)
