Az anyag szerkezete.
Nem egyes atomok vagy molekulák lépnek kémiai kölcsönhatásba, hanem anyagok.
Feladatunk az anyag szerkezetének megismerése.
Alacsony hőmérsékleten az anyagok stabil szilárd állapotban vannak.
☼ A természet legkeményebb anyaga a gyémánt. Őt tartják minden drágakő és drágakő királyának. Maga a neve pedig görögül „elpusztíthatatlant” jelent. A gyémántokat régóta csodás köveknek tekintik. Úgy tartották, hogy a gyémántot viselő ember nem ismeri a gyomorbetegségeket, nem hat rá a méreg, idős koráig megőrzi emlékét és vidám hangulatát, és élvezi a királyi kegyet.
☼ Az ékszerfeldolgozásnak - vágásnak, polírozásnak - alávetett gyémántot gyémántnak nevezzük.
A termikus rezgések hatására megolvadva a részecskék rendje megbomlik, mozgékonyak lesznek, miközben a kémiai kötés jellege nem bomlik. Így nincs alapvető különbség a szilárd és a folyékony halmazállapot között.
A folyadék folyékonyságot nyer (azaz képes felvenni egy edény alakját).
Folyékony kristályok.
A folyadékkristályokat a 19. század végén fedezték fel, de az elmúlt 20-25 évben tanulmányozták. Számos modern technológiájú megjelenítő eszköz, például néhány elektronikus óra és miniszámítógép folyadékkristályokon működik.
Általában a „folyékony kristályok” szavak nem kevésbé szokatlanul hangzanak, mint a „forró jég”. A valóságban azonban a jég is forró lehet, mert... 10 000 atm-nél nagyobb nyomáson. A vízjég 2000 C feletti hőmérsékleten megolvad. A „folyékony kristályok” kombináció szokatlansága, hogy a folyékony halmazállapot a szerkezet mozgékonyságát jelzi, a kristály pedig szigorú rendet.
Ha egy anyag megnyúlt vagy lamellás alakú és aszimmetrikus szerkezetű többatomos molekulákból áll, akkor olvadáskor ezek a molekulák egymáshoz képest meghatározott módon orientálódnak (hosszú tengelyeik párhuzamosak). Ebben az esetben a molekulák szabadon mozoghatnak egymással párhuzamosan, azaz. a rendszer elnyeri a folyadékra jellemző folyékonyság tulajdonságát. Ugyanakkor a rendszer megtartja a rendezett szerkezetet, amely meghatározza a kristályokra jellemző tulajdonságokat.
Az ilyen szerkezet nagy mobilitása lehetővé teszi, hogy nagyon gyenge hatásokon (termikus, elektromos stb.) keresztül szabályozzuk, pl. céltudatosan megváltoztatni egy anyag tulajdonságait, beleértve az optikaiakat is, nagyon kis energiaráfordítással, amit a modern technológia alkalmaz.
A kristályrácsok fajtái.
Bármely kémiai anyagot nagyszámú azonos részecske alkot, amelyek egymással kapcsolatban vannak.
Alacsony hőmérsékleten, amikor a termikus mozgás nehéz, a részecskék szigorúan térben orientálódnak, és kristályrácsot alkotnak.
Kristály cella a részecskék térbeli geometriailag helyes elrendezésű szerkezete.
Magában a kristályrácsban csomópontokat és internodális teret különböztetnek meg.
Ugyanaz az anyag a körülményektől (p, t,...) függően különböző kristályformákban létezik (azaz különböző kristályrácsokkal rendelkeznek) - allotróp módosulatokban, amelyek tulajdonságaik különböznek egymástól.
Például a szén négy változata ismert: grafit, gyémánt, karbin és lonsdaleit.
☼ A kristályos szén negyedik fajtája, a „lonsdaleite” kevéssé ismert. Meteoritokban fedezték fel és mesterségesen szerezték be, szerkezetét pedig még vizsgálják.
☼ A kormot, a kokszot és a szenet amorf szénpolimerek közé sorolták. Mára azonban ismertté vált, hogy ezek is kristályos anyagok.
☼ A koromban egyébként fényes fekete részecskéket találtak, amelyeket „tükörszénnek” neveztek. A tükörszén kémiailag inert, hőálló, gázokat és folyadékokat át nem eresztő, sima felületű és teljesen kompatibilis az élő szövetekkel.
☼ A grafit név az olasz „graffito” szóból ered – írok, rajzolok. A grafit sötétszürke kristályok, amelyek gyenge fémes fényűek és rétegrácsosak. A grafitkristály egyes atomrétegei, amelyek egymással viszonylag gyengén kapcsolódnak, könnyen elválaszthatók egymástól.
A KRISTÁLYRÁCSOK TÍPUSAI
Különböző kristályrácsokkal rendelkező anyagok tulajdonságai (táblázat)
Ha a kristálynövekedés sebessége hűtéskor alacsony, üveges állapot (amorf) képződik.
Egy elem periódusos rendszerbeli helyzete és egyszerű anyagának kristályrácsa közötti kapcsolat.
Szoros kapcsolat van egy elemnek a periódusos rendszerben elfoglalt helyzete és a megfelelő elemi anyag kristályrácsa között.
A fennmaradó elemek egyszerű anyagai fémes kristályrácsot tartalmaznak.
RÖGZÍTŐ
Tanulmányozza át az előadás anyagát, és válaszoljon a következő kérdésekre írásban a füzetébe:
- Mi az a kristályrács?
- Milyen típusú kristályrácsok léteznek?
- Ismertesse az egyes kristályrács típusokat a terv szerint:
Mi van a kristályrács csomópontjaiban, szerkezeti egység → A csomópont részecskéi közötti kémiai kötés típusa → A kristály részecskéi közötti kölcsönhatási erők → A kristályrács által meghatározott fizikai tulajdonságok → Az anyag aggregált állapota normál körülmények között → Példák
Végezze el a feladatokat ebben a témában:
- Milyen típusú kristályrácsuk van a mindennapi életben széles körben használt anyagoknak: víz, ecetsav (CH3 COOH), cukor (C12 H22 O11), káliumműtrágya (KCl), folyami homok (SiO2) - olvadáspont 1710 0C, ammónia (NH3), só? Vegyünk egy általános következtetést: egy anyag milyen tulajdonságai alapján határozható meg a kristályrács típusa?
Az adott anyagok képleteinek felhasználásával: SiC, CS2, NaBr, C2 H2 - határozza meg az egyes vegyületek kristályrácsának típusát (ionos, molekuláris), és ennek alapján írja le mind a négy anyag fizikai tulajdonságait.
1. számú edző. "Kristályrácsok"
2. számú edző. "Tesztfeladatok"
Teszt (önkontroll):
1) Azok az anyagok, amelyeknek általában molekuláris kristályrácsa van:
a) tűzálló és vízben jól oldódik
b). olvadékony és illékony
V). Szilárd és elektromosan vezető
G). Hővezető és műanyag
2) A „molekula” fogalma nem alkalmazható egy anyag szerkezeti egységére:
b). oxigén
V). gyémánt
3) Az atomi kristályrács a következőkre jellemző:
a) alumínium és grafit
b). kén és jód
V). szilícium-oxid és nátrium-klorid
G). gyémánt és bór
4) Ha egy anyag vízben jól oldódik, olvadáspontja magas, és elektromosan vezetőképes, akkor a kristályrács:
A). molekuláris
b). atom
V). ión
G). fém
Utasítás
Amint magából a névből könnyen kitalálható, a fémrács fémtípusa a fémekben található. Ezeket az anyagokat általában magas olvadáspont, fémes csillogás, keménység jellemzi, és jó elektromos áramvezetők. Ne feledje, hogy az ilyen típusú rácshelyek semleges atomokat vagy pozitív töltésű ionokat tartalmaznak. A csomópontok közötti terekben elektronok vannak, amelyek vándorlása biztosítja az ilyen anyagok nagy elektromos vezetőképességét.
Ionos típusú kristályrács. Emlékeztetni kell arra, hogy a sókban is benne rejlik. Jellemző - a jól ismert konyhasó, a nátrium-klorid kristályai. Az ilyen rácsok helyén a pozitív és negatív töltésű ionok felváltva váltakoznak. Az ilyen anyagok általában tűzállóak és alacsony illékonyságúak. Ahogy sejtheti, ionos típusúak.
A kristályrács atomi típusa az egyszerű anyagok - nemfémek - velejárója, amelyek normál körülmények között szilárd anyagok. Például kén, foszfor,... Az ilyen rácsok helyein semleges atomok vannak, amelyek kovalens kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Az ilyen anyagokat tűzállóság és vízben való oldhatatlanság jellemzi. Némelyikük (például a formában lévő szén) kivételesen nagy keménységű.
Végül az utolsó típusú rács molekuláris. Azokban az anyagokban található meg, amelyek normál körülmények között folyékony vagy gáz halmazállapotúak. Amint az ismét könnyen érthető, az ilyen rácsok csomópontjaiban molekulák találhatók. Lehetnek nem polárisak (egyszerű gázok, például Cl2, O2) vagy polárisak (leghíresebb példa a víz H2O). Az ilyen típusú rácsos anyagok nem vezetnek áramot, illékonyak és alacsony olvadáspontúak.
Források:
- rács típus
Hőfok olvasztó megmérik a szilárd anyag tisztaságát. A tiszta anyagban lévő szennyeződések általában csökkentik a hőmérsékletet olvasztó vagy növelje azt az intervallumot, amely alatt a vegyület megolvad. A kapilláris módszer a szennyeződések elleni küzdelem klasszikus módszere.
Szükséged lesz
- - vizsgált anyag;
- - üvegkapilláris, egyik végén tömített (átmérő 1 mm);
- - 6-8 mm átmérőjű és legalább 50 cm hosszúságú üvegcső;
- - fűthető blokk.
Utasítás
Helyezze az üvegcsövet függőlegesen egy kemény felületre, és többször engedje át rajta a kapillárist, lezárt végével lefelé. Ez segít tömöríteni az anyagot. A hőmérséklet meghatározásához a kapillárisban lévő anyagoszlopnak körülbelül 2-5 mm-nek kell lennie.
Helyezze a kapilláris hőmérőt a fűtött blokkba, és figyelje meg a vizsgált anyag változásait a hőmérséklet növekedésével. Fűtés előtt és közben a hőmérő ne érintse meg a blokk falait vagy más nagyon forró felületeket, különben szétrepedhet.
Jegyezze fel azt a hőmérsékletet, amelyen az első cseppek megjelennek a kapillárisban (eleje olvasztó), és azt a hőmérsékletet, amelyen az utolsó anyagok eltűnnek (vége olvasztó). Ebben az intervallumban az anyag csökkenni kezd, amíg teljesen folyékony halmazállapotúvá nem válik. Az elemzés végrehajtásakor figyelje meg az anyag változásait vagy bomlását is.
Ismételje meg a mérést még 1-2 alkalommal. Mutassa be az egyes mérések eredményeit a megfelelő hőmérsékleti intervallum formájában, amely alatt az anyag szilárdból folyékony állapotba kerül. Az elemzés végén vonjon le következtetést a vizsgált anyag tisztaságára vonatkozóan.
Videó a témáról
A kristályokban a kémiai részecskék (molekulák, atomok és ionok) meghatározott sorrendben helyezkednek el, bizonyos körülmények között szabályos szimmetrikus poliédereket alkotnak. Négyféle kristályrács létezik - ionos, atomi, molekuláris és fémes.
Kristályok
A kristályos állapotot a nagy hatótávolságú rend jelenléte jellemzi a részecskék elrendezésében, valamint a kristályrács szimmetriája. A szilárd kristályok olyan háromdimenziós képződmények, amelyekben ugyanaz a szerkezeti elem minden irányban ismétlődik.
A kristályok helyes alakját belső szerkezetük határozza meg. Ha a bennük lévő molekulákat, atomokat és ionokat pontokkal helyettesítjük a részecskék súlypontja helyett, háromdimenziós szabályos eloszlást kapunk - . Szerkezetének ismétlődő elemeit elemi celláknak, a pontokat pedig a kristályrács csomópontjainak nevezzük. A kristályoknak többféle típusa létezik az őket alkotó részecskéktől, valamint a köztük lévő kémiai kötés természetétől függően.
Ionos kristályrácsok
Az ionos kristályok anionokat és kationokat képeznek, amelyek között vannak. Ez a kristálytípus a legtöbb fém sóit tartalmazza. Mindegyik kationt vonzza az anion, és más kationok taszítják őket, így lehetetlen egyetlen molekulát izolálni egy ionkristályban. A kristály egy hatalmasnak tekinthető, mérete nem korlátozott, képes új ionok megkötésére.
Atom kristályrácsok
Az atomkristályokban az egyes atomokat kovalens kötések kötik össze. Az ionos kristályokhoz hasonlóan hatalmas molekuláknak is felfoghatók. Ugyanakkor az atomkristályok nagyon kemények és tartósak, és nem vezetik jól az elektromosságot és a hőt. Gyakorlatilag oldhatatlanok és alacsony reaktivitás jellemzi. Az atomrácsos anyagok nagyon magas hőmérsékleten megolvadnak.
Molekuláris kristályok
A molekuláris kristályrácsok olyan molekulákból jönnek létre, amelyek atomjait kovalens kötések egyesítik. Emiatt gyenge molekuláris erők hatnak a molekulák között. Az ilyen kristályokat alacsony keménység, alacsony olvadáspont és nagy folyékonyság jellemzi. Az általuk képződött anyagok, valamint olvadékaik és oldataik nem vezetik jól az elektromos áramot.
Fém kristályrácsok
A fémkristályrácsokban az atomok maximális sűrűséggel helyezkednek el, kötéseik delokalizálódnak, és az egész kristályon átnyúlnak. Az ilyen kristályok átlátszatlanok, fémes fényűek, könnyen deformálódnak, jó elektromos és hővezetők.
Ez az osztályozás csak korlátozott eseteket ír le, a legtöbb szervetlen anyag köztes típusokhoz tartozik - molekuláris-kovalens, kovalens stb. Ilyen például a grafitkristály, minden rétegben kovalens-fémes kötések, a rétegek között pedig molekuláris kötések találhatók; .
Források:
- alhimik.ru, Szilárd anyagok
A gyémánt egy ásvány, amely a szén egyik allotróp módosulatához tartozik. Megkülönböztető tulajdonsága a nagy keménység, ami joggal érdemli ki a legkeményebb anyag címet. A gyémánt meglehetősen ritka ásvány, ugyanakkor a legelterjedtebb. Kivételes keménysége a gépiparban és az iparban is alkalmazható.
Utasítás
A gyémántnak atomkristályrácsa van. A molekula alapját képező szénatomok tetraéderek formájában helyezkednek el, ezért van a gyémánt olyan nagy szilárdságú. Minden atomot erős kovalens kötés köt össze, amelyek a molekula elektronszerkezete alapján jönnek létre.
A szénatom sp3 hibridizált pályái 109 fokos szöget zárnak be és 28 perc. A hibrid pályák átfedése a vízszintes síkban egyenes vonalban történik.
Így amikor a pályák ilyen szögben átfedik egymást, akkor egy középpontos képződik, amely a köbös rendszerhez tartozik, tehát azt mondhatjuk, hogy a gyémánt köbös szerkezetű. Ez a szerkezet a természetben az egyik legerősebbnek tekinthető. Minden tetraéder hattagú atomgyűrűk rétegeinek háromdimenziós hálózatát alkotja. A kovalens kötések ilyen stabil hálózata és háromdimenziós eloszlása a kristályrács további szilárdságát eredményezi.
Anyagok molekuláris és nem molekuláris szerkezete. Az anyag szerkezete
Nem egyes atomok vagy molekulák lépnek kémiai kölcsönhatásba, hanem anyagok. Az anyagokat a kötés típusa szerint osztályozzák molekulárisÉs nem molekuláris szerkezet. A molekulákból álló anyagokat ún molekuláris anyagok. Az ilyen anyagokban a molekulák közötti kötések nagyon gyengék, sokkal gyengébbek, mint a molekulán belüli atomok között, és még viszonylag alacsony hőmérsékleten is megszakadnak - az anyag folyadékká, majd gázzá alakul (a jód szublimációja). A molekulákból álló anyagok olvadáspontja és forráspontja a molekulatömeg növekedésével nő. NAK NEK molekuláris anyagok Ide tartoznak az atomi szerkezetű anyagok (C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W), köztük fémek és nemfémek. Az anyagokhoz nem molekuláris szerkezet ionos vegyületeket tartalmaznak. A legtöbb fém és nemfém vegyület szerkezete ilyen: minden só (NaCl, K 2 SO 4), néhány hidrid (LiH) és oxidok (CaO, MgO, FeO), bázisok (NaOH, KOH). Ionos (nem molekuláris) anyagok magas olvadáspontú és forráspontú.
Szilárd anyagok: amorf és kristályos
A szilárd anyagokat felosztjuk kristályos és amorf.
Amorf anyagok nincs tiszta olvadáspontjuk - hevítéskor fokozatosan meglágyulnak és folyékony halmazállapotúvá válnak. Például a gyurma és a különféle gyanták amorf állapotban vannak.
Kristályos anyagok a részecskék, amelyekből állnak: atomok, molekulák és ionok, helyes elrendezése a tér szigorúan meghatározott pontjain. Ha ezeket a pontokat egyenes vonalak kötik össze, akkor egy térbeli keret jön létre, amelyet kristályrácsnak neveznek. Azokat a pontokat, ahol a kristályrészecskék elhelyezkednek, rácscsomópontoknak nevezzük. A kristályrács csomópontjain elhelyezkedő részecskék típusától és a köztük lévő kapcsolat jellegétől függően négyféle kristályrácsot különböztetünk meg: ionos, atomi, molekuláris és fémes.
A kristályrácsokat ionosnak nevezik, melynek csomópontjaiban ionok vannak. Ionos kötéssel rendelkező anyagok alkotják őket, amelyek mind az egyszerű Na+, Cl -, mind pedig a komplex SO 4 2-, OH - ionokat képesek megkötni. Következésképpen a fémek sói és egyes oxidjai és hidroxidjai ionos kristályrácsokkal rendelkeznek. Például egy nátrium-klorid kristályt váltakozó pozitív Na + és negatív Cl - ionokból építenek fel, és egy kocka alakú rácsot alkotnak. Az ilyen kristályokban az ionok közötti kötések nagyon stabilak. Ezért az ionrácsos anyagokat viszonylag nagy keménység és szilárdság jellemzi, tűzállóak és nem illékonyak.
Kristályrács - a) és amorf rács - b).
Kristályrács - a) és amorf rács - b). Atom kristályrácsok
Atom kristályrácsoknak nevezzük, amelyek csomópontjaiban egyes atomok találhatók. Az ilyen rácsokban az atomok kapcsolódnak egymáshoz nagyon erős kovalens kötések. Az ilyen típusú kristályrácsokkal rendelkező anyagokra példa a gyémánt, a szén egyik allotróp módosulata. A legtöbb atomi kristályrácsos anyag nagyon magas olvadásponttal rendelkezik (például a gyémántnál ez meghaladja a 3500 °C-ot), erősek és kemények, és gyakorlatilag oldhatatlanok.
Molekuláris kristályrácsok
Molekuláris kristályrácsoknak nevezzük, amelyek csomópontjaiban molekulák találhatók. A kémiai kötések ezekben a molekulákban lehetnek polárisak (HCl, H 2 O) és nem polárisak (N 2, O 2). Annak ellenére, hogy a molekulák belsejében lévő atomokat nagyon erős kovalens kötések kötik össze, az intermolekuláris vonzás gyenge erői maguk között a molekulák között hatnak. Ezért a molekuláris kristályrácsokkal rendelkező anyagok alacsony keménységűek, alacsony olvadáspontúak és illékonyak. A legtöbb szilárd szerves vegyület molekuláris kristályrácsokkal rendelkezik (naftalin, glükóz, cukor).
Molekuláris kristályrács (szén-dioxid) Fém kristályrácsok
Anyagok a fém kötés fém kristályrácsokkal rendelkeznek. Az ilyen rácsok csomópontjainál vannak atomok és ionok(akár atomok, akár ionok, amelyekké a fématomok könnyen átalakulnak, feladva külső elektronjaikat „közhasználatra”). A fémeknek ez a belső szerkezete határozza meg jellemző fizikai tulajdonságaikat: alakíthatóság, plaszticitás, elektromos és hővezető képesség, jellegzetes fémes csillogás.
Csalólapok
A legtöbb szilárd anyag rendelkezik kristályos szerkezet, amelyben a részecskék, amelyekből „épült”, meghatározott sorrendben vannak, ezáltal létrehozva kristályrács. Ismétlődő azonos szerkezeti egységekből épül fel - egységcellák, amely a szomszédos cellákkal kommunikál, további csomópontokat képezve. Ennek eredményeként 14 különböző kristályrács létezik.
A kristályrácsok fajtái.
A rácscsomópontokon álló részecskéktől függően megkülönböztetik őket:
- fém kristályrács;
- ionos kristályrács;
- molekuláris kristályrács;
- makromolekuláris (atomi) kristályrács.
Fémes kötés kristályrácsokban.
Az ionkristályok fokozott törékenységgel rendelkeznek, mert a kristályrács eltolódása (akár csekély is) oda vezet, hogy a hasonló töltésű ionok taszítani kezdik egymást, és a kötések megszakadnak, repedések és hasadások keletkeznek.
Kristályrácsok molekuláris kötése.
Az intermolekuláris kötés fő jellemzője a „gyengesége” (van der Waals, hidrogén).
Ez a jég szerkezete. Minden vízmolekula hidrogénkötésekkel kapcsolódik az őt körülvevő 4 molekulához, ami tetraéderes szerkezetet eredményez.
A hidrogénkötés magyarázza a magas forráspontot, az olvadáspontot és az alacsony sűrűséget;
Kristályrácsok makromolekuláris kapcsolata.
A kristályrács csomópontjain atomok vannak. Ezek a kristályok fel vannak osztva 3 fajta:
- keret;
- lánc;
- réteges szerkezetek.
Keret szerkezet A gyémánt a természet egyik legkeményebb anyaga. A szénatom 4 egyforma kovalens kötést alkot, ami egy szabályos tetraéder alakját jelzi ( sp 3 - hibridizáció). Minden atomnak van egy magányos elektronpárja, amelyek a szomszédos atomokhoz is kapcsolódhatnak. Ennek eredményeként egy háromdimenziós rács képződik, amelynek csomópontjaiban csak szénatomok vannak.
Egy ilyen szerkezet tönkretétele sok energiát igényel, az ilyen vegyületek olvadáspontja magas (a gyémántnál 3500 °C);
Réteges szerkezetek beszélnek kovalens kötések jelenlétéről az egyes rétegeken belül, és gyenge van der Waals kötésekről a rétegek között.
Nézzünk egy példát: grafit. Minden szénatom benne van sp 2 - hibridizáció. A 4. párosítatlan elektron van der Waals kötést képez a rétegek között. Ezért a 4. réteg nagyon mobil:
A kötések gyengék, ezért könnyen felszakadnak, ami ceruzában megfigyelhető - „írási tulajdonság” - a 4. réteg a papíron marad.
A grafit kiváló elektromos áramvezető (az elektronok képesek mozogni a réteg síkjában).
Láncszerkezetek oxidjai vannak (pl. ÍGY 3 ), amely fényes tűk, polimerek, egyes amorf anyagok, szilikátok (azbeszt) formájában kristályosodik.
Számos fizikai és kémiai reakció végrehajtásakor az anyag szilárd halmazállapotba kerül. Ebben az esetben a molekulák és az atomok hajlamosak olyan térbeli sorrendbe rendeződni, amelyben az anyagrészecskék közötti kölcsönhatási erők maximálisan kiegyensúlyozottak lennének. Így érhető el a szilárd anyag szilárdsága. Az atomok, miután elfoglaltak egy bizonyos pozíciót, kis oszcillációs mozgásokat hajtanak végre, amelyek amplitúdója a hőmérséklettől függ, de helyzetük a térben rögzített marad. A vonzás és a taszítás erői bizonyos távolságban kiegyensúlyozzák egymást.
Modern elképzelések az anyag szerkezetéről
A modern tudomány azt állítja, hogy az atom egy töltött magból, amely pozitív töltést hordoz, és elektronokból, amelyek negatív töltést hordoznak. Több ezer billió fordulat/másodperc sebességgel az elektronok keringenek pályájukon, és elektronfelhőt hoznak létre az atommag körül. Az atommag pozitív töltése számszerűen megegyezik az elektronok negatív töltésével. Így az anyag atomja elektromosan semleges marad. Lehetséges kölcsönhatások más atomokkal akkor lépnek fel, amikor az elektronok leválanak az anyaatomjukról, megzavarva ezzel az elektromos egyensúlyt. Az egyik esetben az atomok egy bizonyos sorrendben vannak elrendezve, amit kristályrácsnak neveznek. Egy másikban az atommagok és elektronok összetett kölcsönhatása miatt különféle típusú és összetettségű molekulákká egyesülnek.
A kristályrács definíciója
Összességében az anyagok különféle típusú kristályrácsai különböző térbeli orientációjú hálózatok, amelyek csomópontjaiban ionok, molekulák vagy atomok helyezkednek el. Ezt a stabil geometriai térbeli helyzetet az anyag kristályrácsának nevezzük. Egy kristálycella csomópontjai közötti távolságot identitásperiódusnak nevezzük. A cella csomópontjainak térbeli szögeit paramétereknek nevezzük. A kötések felépítésének módszere szerint a kristályrácsok lehetnek egyszerűek, bázisközpontúak, arcközpontúak és testközpontúak. Ha az anyag részecskéi csak a paralelepipedon sarkaiban helyezkednek el, egy ilyen rácsot egyszerűnek nevezünk. Az alábbiakban látható egy példa egy ilyen rácsra:
Ha a csomópontokon kívül az anyag részecskéi a térátlók közepén helyezkednek el, akkor az anyagban lévő részecskéknek ezt az elrendezését testközpontú kristályrácsnak nevezzük. Ez a típus jól látható az ábrán.
Ha a rács csúcsaiban lévő csomópontokon kívül van egy csomópont azon a helyen, ahol a paralelepipedon képzeletbeli átlói metszik egymást, akkor van egy arcközpontú rács.
A kristályrácsok fajtái
Az anyagot alkotó különböző mikrorészecskék határozzák meg a különböző típusú kristályrácsokat. Meg tudják határozni a kristályon belüli mikrorészecskék közötti kapcsolatok kialakításának elvét. A kristályrácsok fizikai típusai ionos, atomi és molekulárisak. Ide tartoznak a különböző típusú fémkristályrácsok is. A kémia az elemek belső szerkezetének alapelveit vizsgálja. A kristályrácsok típusait az alábbiakban mutatjuk be részletesebben.
Ionos kristályrácsok
Az ilyen típusú kristályrácsok ionos típusú kötéssel rendelkező vegyületekben vannak jelen. Ebben az esetben a rácshelyek ellentétes elektromos töltésű ionokat tartalmaznak. Az elektromágneses térnek köszönhetően az interionos kölcsönhatás erői meglehetősen erősek, és ez határozza meg az anyag fizikai tulajdonságait. A közös jellemzők a tűzállóság, a sűrűség, a keménység és az elektromos áramvezetési képesség. Az ionos típusú kristályrácsok olyan anyagokban találhatók, mint az asztali só, a kálium-nitrát és mások.
Atom kristályrácsok
Az anyag ilyen típusú szerkezete olyan elemekben rejlik, amelyek szerkezetét kovalens kémiai kötések határozzák meg. Az ilyen típusú kristályrácsok a csomópontokban egyedi atomokat tartalmaznak, amelyek erős kovalens kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Ez a fajta kötés akkor jön létre, amikor két azonos atom „megosztja” az elektronokat, és ezáltal közös elektronpárt képez a szomszédos atomok számára. Ennek a kölcsönhatásnak köszönhetően a kovalens kötések egy bizonyos sorrendben egyenletesen és erősen kötik meg az atomokat. Az atom típusú kristályrácsokat tartalmazó kémiai elemek kemények, magas olvadáspontúak, rossz elektromos vezetők és kémiailag inaktívak. A hasonló belső szerkezetű elemek klasszikus példái közé tartozik a gyémánt, a szilícium, a germánium és a bór.
Molekuláris kristályrácsok
Azok az anyagok, amelyek molekuláris típusú kristályrácsot tartalmaznak, stabil, kölcsönhatásban lévő, szorosan egymásra épülő molekulák rendszerét alkotják, amelyek a kristályrács csomópontjain helyezkednek el. Az ilyen vegyületekben a molekulák megőrzik térbeli helyzetüket gáz-, folyékony és szilárd fázisban. A kristály csomópontjain a molekulákat gyenge van der Waals erők tartják össze, amelyek több tízszer gyengébbek, mint az ionos kölcsönhatási erők.
A kristályt alkotó molekulák polárisak vagy nem polárisak lehetnek. Az elektronok spontán mozgása és a molekulákban lévő atommagok rezgései miatt az elektromos egyensúly elmozdulhat - így keletkezik egy pillanatnyi elektromos dipólusmomentum. A megfelelően orientált dipólusok vonzó erőket hoznak létre a rácsban. A szén-dioxid és a paraffin tipikus példái a molekuláris kristályrácsos elemeknek.
Fém kristályrácsok
A fémkötés rugalmasabb és képlékenyebb, mint az ionos kötés, bár úgy tűnhet, hogy mindkettő ugyanazon az elven alapul. A fémek kristályrácsainak típusai megmagyarázzák tipikus tulajdonságaikat - például a mechanikai szilárdságot, a hő- és elektromos vezetőképességet, valamint az olvaszthatóságot.
A fémkristályrács megkülönböztető jellemzője a pozitív töltésű fémionok (kationok) jelenléte a rács helyein. A csomópontok között elektronok vannak, amelyek közvetlenül részt vesznek a rács körüli elektromos mező létrehozásában. A kristályrácson belül mozgó elektronok számát elektrongáznak nevezzük.
Elektromos tér hiányában a szabad elektronok kaotikus mozgást végeznek, véletlenszerűen kölcsönhatásba lépve a rácsionokkal. Minden ilyen kölcsönhatás megváltoztatja a negatív töltésű részecske lendületét és mozgási irányát. Az elektronok elektromos mezőjükkel kationokat vonzanak magukhoz, egyensúlyba hozva kölcsönös taszításukat. Bár az elektronok szabadnak számítanak, energiájuk nem elegendő ahhoz, hogy elhagyják a kristályrácsot, így ezek a töltött részecskék folyamatosan a határain belül vannak.
Az elektromos tér jelenléte többletenergiát ad az elektrongáznak. A fémek kristályrácsában az ionokkal való kapcsolat nem erős, így az elektronok könnyen elhagyják a határait. Az elektronok erővonalak mentén mozognak, pozitív töltésű ionokat hagyva maguk után.
következtetéseket
A kémia nagy jelentőséget tulajdonít az anyag belső szerkezetének tanulmányozásának. A különféle elemek kristályrácsainak típusai meghatározzák tulajdonságaik szinte teljes körét. A kristályok befolyásolásával és belső szerkezetük megváltoztatásával lehetőség nyílik egy anyag kívánt tulajdonságainak fokozására, a nemkívánatosak eltávolítására és a kémiai elemek átalakítására. Így a környező világ belső szerkezetének tanulmányozása segíthet megérteni az univerzum szerkezetének lényegét és elveit.
