Как определить молекулярную кристаллическую решетку: Как различаются типы кристаллической решетки? Какие способы определения?

Содержание

Как различаются типы кристаллической решетки? Какие способы определения?

Существует 4 типа кристаллических решеток: ионные, молекулярные, атомные и металлические.

В узлах ионных кристаллических решеток находятся ионы, как можно понять из названия. Такой тип решетки характерен для солей, оксидов и некоторых гидроксидов. Например, самый яркий представитель — NaCl. Вещества подобного строения характеризуются высокой твердостью, тугоплавкостью и нелетучестью.

В молекулярных кристаллических решетках в узлах находятся молекулы. Такие решетки могут быть полярные и неполярные. Например, I2 или N2 — неполярные, а HCl или h3O — полярные. Характерны для жидких и газообразных веществ (при н.у.). Так как молекулярные взаимодействия слабые, то и кристаллические решетки эти будут нетвердые, летучие и с низкой температурой плавления. К таким решеткам относят твердую органику (сахар, глюкоза, нафталин).

В атомных кристаллических решетках в узлах находятся атомы, связанные друг с другом прочными ковалентными связями. Такая решетка характерна простым веществам неметаллам, которые при нормальных условиях находятся в твердом состоянии, например алмаз. Температура плавления у подобных веществ очень высокая, они прочные, твердые и нерастворимы в воде.

Металлические решетки характеризуются тем, что в узлах находятся атомы или ионы одного или нескольких металлов (у сплавов). Для металлических решеток характерно наличие так называемого общего электронного облака. Так как непрерывно происходит процесс перехода валентных электронов одного атома к другому с образованием иона, то можно говорить о том, что электроны свободно двигаются в объеме всего металла. Этим свойством объясняется электро- и теплопроводность металлов. Вещества такого строения ковки и пластичны.

Вообще в материаловедении для изучения кристаллических структур существует множество методов, основанных на свойствах рентгеновского излучения (дифракция, интерференция), электронографический анализ и другие. Но если вы хотите просто определить тип решетки вещества известного состава, нужно понять к какому классу веществ оно относится и какие физико-химические свойства имеет.

Урок 4. строение кристаллов. кристаллические решётки. причины многообразия веществ — Химия — 11 класс

Химия, 11 класс

Урок № 4. Строение кристаллов. Кристаллические решётки. Причина многообразия веществ

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён изучению кристаллического состояния вещества, зависимости свойств веществ от типов кристаллических решеток. Объясняются причины многообразия веществ, такие как изотопия элементов, аллотропия, изомерия, гомология. Дается понятие химического синтеза.

Глоссарий

Аллотропия – существование нескольких простых веществ, образованных одним и тем же химическим элементом.

Атомная кристаллическая решётка – регулярная структура твёрдого вещества, в узловых точках которой находятся атомы химического элемента.

Гомология – явление наличия в природе органических соединений, имеющих одинаковое строение и химические свойства, но отличающихся на некоторое целое число групп СН2— состав.

Изомерия – явления наличия нескольких веществ, имеющих один и тот же состав, но отличающихся по порядку соединения атомов.

Ионная кристаллическая решетка – регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой расположены положительно и отрицательно заряженные ионы.

Кристаллическая решетка – особая структура твёрдого вещества, в которой частицы вещества расположены в строго определенном порядке.

Кристаллы – твёрдые вещества, имеющие форму правильных многогранников, образованных в результате многократного регулярного повторения расположения составляющих вещество частиц.

Металлическая кристаллическая решетка – регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой расположены ионы металла.

Молекулярная кристаллическая решетка – регулярная структура твёрдого вещества, в узлах которой находятся молекулы вещества.

Полиморфизм – способность твёрдого вещества образовывать различные кристаллические структуры, состоящие из одних и тех же частиц.

Полиморфные модификации – разные кристаллические структуры, которые образованы частицами одного и того же вещества.

Химический синтез – процесс искусственного создания новых веществ физическими и химическими методами.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

  • Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Строение кристаллов и типы кристаллических решеток

Кристаллами называются твёрдые вещества, частицы которых образуют трёхмерную периодическую пространственную структуру, называемую кристаллической решёткой. Грани кристаллов представляют собой правильные многоугольники. Свойства кристаллических тел различны. Например, алмаз обладает максимальной твёрдостью, а графит можно сломать руками, хотя эти вещества состоят атомов углерода. Свойства веществ зависят от типа кристаллической решетки. Различают четыре типа кристаллических решёток: атомную, ионную, молекулярную и металлическую.

Зависимость свойств веществ от типа кристаллической решетки

В узлах атомной кристаллической решётки расположены атомы, соединённые ковалентной связью. Примерами веществ, имеющих атомную кристаллическую решетку, являются алмаз, кремний, германий, бор. Вещества, имеющие атомную кристаллическую решетку, характеризуются высокой температурой плавления, большой твёрдостью.

В узлах ионной кристаллической решётки находятся положительные и отрицательные ионы, связь между ними ионная. Ионную кристаллическую решетку имеют соли, щёлочи и оксиды типичных металлов. Для веществ с ионной кристаллической решеткой характерны высокие температуры плавления, твёрдость, плотность, хорошая электропроводность.

В узлах молекулярной кристаллической решетки находятся молекулы, которые удерживаются за счет межмолекулярных вандервальсовых сил. Примером веществ с молекулярной кристаллической решеткой являются лёд, йод, нафталин, углекислый газ. Межмолекулярные связи значительно слабее ковалентных и ионных, поэтому для веществ с молекулярной кристаллической решёткой характерны низкие температуры плавления, невысокая твёрдость, возможность возгонки (переход из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое).

Для металлов характерна металлическая кристаллическая решётка, в узлах которой расположены положительно заряженные ионы металлов, а между ними свободно перемещаются валентные электроны (так называемый электронный газ). Для веществ с металлической кристаллической решеткой характерны механическая прочность, плавкость, ковкость, хорошая тепло- и электропроводность, металлический блеск.

Свойства кристаллических тел определяются не только характером связи между частицами, но и их взаимным расположением относительно друг друга. В кристаллах алмаза все атомы углерода связаны ковалентными неполярными связями и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя тетраэдры. В кристаллах графита каждые шесть атомов углерода связаны ковалентными неполярными связями, а между собой такие плоские шестиугольники связаны слабыми межмолекулярными связями.

Причины многообразия веществ

Не только углерод может образовывать разные вещества в зависимости от типа кристаллической решётки. Известно несколько веществ, образованных фосфором (белый, красный, чёрный и металлический фосфор). Сера может существовать в виде трёх модификаций (ромбическая, моноклинная и пластическая). Явление существования нескольких простых веществ, образованных одним и тем же элементом, называется аллотропией (полиморфизмом), а сами простые вещества – аллотропными (полиморфными) модификациями.

Существование изотопов – атомов одного и того же химического элемента, имеющих разные массовые числа — ещё одна причина огромного многообразия веществ.

Изучая органическую химию, вы узнали о существовании изомеров – молекул, имеющих одинаковый состав, но разную последовательность атомов и их расположение в пространстве. Изомеры встречаются не только среди органических соединений, например, изомером карбамида является цианат аммония.

Причиной разнообразия органических соединений является и гомология – существование ряда соединений, имеющих одинаковое строение и химические свойства, но отличающихся друг от друга на целое число групп СН

2-.

118 известных на сегодняшний день химических элементов образуют миллионы различных веществ, но человек искусственным путём создает новые вещества с нужными ему свойствами. Создание человеком новых веществ получило название химического синтеза.

Таким образом, явления аллотропии (полиморфизма), изомерии, изотопии, гомологии, химический синтез новых соединений являются причинами многообразия веществ.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. Расчет количества молекул в кристалле

Условие задачи: Молекула белого фосфора состоит из четырех атомов этого элемента. Сколько молекул белого фосфора содержится в кристалле фосфора массой 2,48 г? Ответ запишите в виде числа, приведенного к стандартному виду.

Шаг первый: найдём молярную массу молекулы белого фосфора Р4. Относительная атомная масса фосфора равна 31 а.е.м., молярная масса Р4 равна 4·31 = 124 (г/моль).

Шаг второй: найдём количество молей белого фосфора в кристалле массой 2,48 г. Для этого разделим массу кристалла на молярную массу Р4:

2,48 : 124 = 0,02 (моль).

Шаг третий: найдём количество молекул, содержащееся в 0,02 моль белого фосфора. Для этого число моль умножим на число Авогадро:

0,02·6,02·1023 = 1,2·1022 (молекул).

Ответ: 1,2·1022.

2. Расчёт числа атомов в молекуле фуллерена

Условие задачи: Одной из аллотропных модификаций углерода, применяемых в электронике, является фуллерен. 0,5 моль фуллерена имеют массу 360 г. Сколько атомов углерода входит в состав одной молекулы фуллерена?

Шаг первый: найдём молярную массу фуллерена.

Для этого массу имеющегося образца разделим на количество молей:

360 : 0,5 = 720 (г/моль).

Шаг второй: найдём количество атомов углерода в 1 моль фуллерена. Для этого молярную массу фуллерена разделим на массу 1 моль атомов углерода. 1 моль атомов углерода имеет массу 12 г.

720 : 12 = 60 (атомов).

Ответ: 60.

Строение различных веществ. Тип кристаллической решётки.

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 0-100oC является жидкостью, при температуре выше 100оС способна существовать только в газообразном состоянии, а при температуре менее 0оС 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 H2, O2, Cl2, ромбическая сера S8, белый фосфор P4), 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 SiO2 (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 (NH4+), 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

Однако следует отметить, что в веществах с ионным типом строения нередко можно обнаружить, помимо ионных, также ковалентные полярные связи. Это наблюдается в случае сложных ионов, т.е. состоящих из двух или более химических элементов (SO42-, NH4+, PO43- и т.д.). Внутри таких сложных ионов атомы связаны друг с другом ковалентными связями.

Металлическая кристаллическая решетка

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.

Металлическая кристаллическая решетка

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 оС (жидкая в обычных условиях), а вольфрама — 3422 °C. Следует отметить, что в обычных условиях все металлы, кроме ртути, являются твердыми веществами.

Таблица типов кристаллических решёток: йода, алмаза, графита, натрия

Химия — удивительная наука. Столько невероятного можно обнаружить в, казалось бы, обычных вещах.

Всё материальное, что окружают нас повсюду, существует в нескольких агрегатных состояниях: газы, жидкости и твёрдые тела. Учёные выделили ещё и 4-е — плазму. При определённой температуре какое-либо вещество может переходить из одного состояние в другое. Например, вода: при нагревании свыше 100, из жидкой формы, превращается в пар. При температуре ниже 0 переходит в следующее агрегатную структуру — лёд.

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

Мой мир

Весь материальный мир имеет в своём составе массу одинаковых частиц, которые между собой связаны. Эти мельчайшие элементы строго выстраиваются в пространстве и образуют так называемый пространственный каркас.

Это интересно: анионы и катионы в химии, таблица растворимости.

Определение

Кристаллическая решётка — особая структура твёрдого вещества, при которой частицы стоят в геометрически строгом порядке в пространстве. В ней можно обнаружить узлы — места, где расположены элементы: атомы, ионы и молекулы и межузловое пространство.

Твёрдые вещества, в зависимости от диапазона высоких и низких температур, являются кристаллическими или аморфными — они характеризуются отсутствием определённой температуры плавления. При воздействии повышенных температур они размягчаются и постепенно переходят в жидкую форму. К такого рода веществам относятся: смола, пластилин.

Это интересно: водородная связь — примеры, механизм образования.

В связи с этим можно поделить на несколько видов:

  • атомную;
  • ионную;
  • молекулярную;
  • металлическую.

Но при различных температурах одно вещество может иметь различные формы и проявлять многообразные свойства. Это явление называется аллотропной модификацией.

Это интересно: металлы и неметаллы в периодической таблице Менделеева.

Атомный тип

В этом типе в узлах расположены атомы того или иного вещества, которые связаны ковалентными связями. Этот вид связи образован парой электронов двух соседних атомов. Благодаря этому они связываются равномерно и в строгом порядке.

Вещества с атомной кристаллической решёткой характеризуются следующими свойствами: прочность и большая температура плавления. Такой тип связи представлен у алмаза, кремния и бора.

Ионный тип

Противоположно заряженные ионы находятся на узлах, которые создают электромагнитное поле, характеризующее физические свойства вещества. К таковым будут относиться: электропроводность, тугоплавкость, плотность и твёрдость. Поваренная соль и нитрат калия характеризуются наличием ионной кристаллической решётки.

Не пропустите: механизм образования металлической связи, конкретные примеры.

Молекулярный тип

В узлах такого типа находятся ионы, связанные между собой ван-дер-ваальсовыми силами. Благодаря слабым межмолекулярным связям такие вещества, например, лёд, двуокись углерода и парафин, характеризуются пластичностью, электро- и теплопроводностью.

Металлический тип

В своём строении напоминает молекулярную, но имеет всё же более прочные связи. Отличие данного типа в том, что на её узлах находятся положительно заряженные катионы. Электроны, которые находятся в межузловом пространстве, участвуют в образовании электрического поля. Они ещё носят название электрического газа.

Простые металлы и сплавы, характеризуются металлическим типом решётки. Для них характерно наличие металлического блеска, пластичность, тепло- и электропроводность. Они могут плавиться при различных температурах.

ВидыВеществаСвойства
АтомнаяАлмаз, графит, кремний, борТвёрдые, тугоплавкие, не растворяются в воде
МолекулярнаяЙод, сера, белый фосфор, органические веществаНетвёрдые, легко плавятся, летучие
ИоннаяСоли, оксиды и гидроксиды тяжёлых металловТвёрдые, хрупкие, легкоплавкие, электропроводны
МеталлическаяМеталлы и сплавыБлестящие, ковкие, тепло- и электропроводны.

Различные вещества

  • Алмаз. Минерал обладает высокой ценностью и после огранки используется в ювелирных украшениях. Так в чём же заключается секрет популярности этого камня? Атомы углерода составляют основу всей решётки. Между атомами минерала существует прочная ковалентная связь. Для кристаллической решётки алмаза характерно плотное содержание атомов в виде куба. Другими словами, узлами считаются атомы углерода, а своеобразными гранями куба являются прочные ковалентные связи. Такой минерал считается самым прочным на планете, и неизвестно, сколько таких своеобразных кубов включает в себя цельный алмаз.
  • Графит. Углерод также может быть и в другой кристаллической модификации. Атомная решётка данного элемента включает в себя только атомы углерода, ей присуща слоистая структура. В графите каждый атом связан тремя атомами углерода. Из-за этого он обладает металлическим блеском, высокой теплопроводностью.
  • Кристаллическая решётка йода имеет молекулярный тип. Атомы молекул соединяются ковалентными связями, но молекулы химического элемента имеют слабые силы притяжения. Это характеризует йод тем, что он имеет малую твёрдость, низкую температуру плавления.
  • Натрий. Представитель металлической кристаллической решётки. Между катионами, расположенными в узлах решётки, двигаются электроны. Они, присоединяясь к катионам, нейтрализуют их заряд, в свою очередь, нейтральные атомы отпускают часть электронов, преобразуясь в катионы. Такой тип кристаллической решётки наделяет металл пластичностью, электро- и теплопроводностью.
  • Сухой лёд. Или оксид углерода в затвердевшем виде. Имеет молекулярную кристаллическую решётку в форме куба. Молекулы удерживаются между собой слабыми связями. Диффузия читайте в нашей статье.

Это интересно: как определить валентность по таблице Менделеева?

Объявления о защитах диссертаций,Диссертационный совет

26.07.2021

Шиндров Александр Александрович Диссертация «Смешанно-анионные железо-натрийсодержащие соединения как матрицы для обратимой интеркаляции ионов щелочных металлов» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Дата защиты диссертации будет определна позднее.

21.09.2020

Масленников Даниэль Владимирович Диссертация «Исследование факторов, определяющих морфологию и микроструктуру продуктов реакции термического разложения (Ce1-xGdx)2 (C2O4)3•10H2O (x = 0, 0.1)» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 02.12.2020

08.06.2020

Бычков Алексей Леонидович Диссертация «Механохимическая обработка природных полимеров и её технологическое применение» на соискание ученой степени доктора химических наук

Защита диссертации: 23.09.2020

08.06.2020

Мищенко Ксения Владимировна Диссертация «Синтез и термические превращения формиатов и оксокарбоната висмута с получением металлического висмута и его оксидов» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 16.09.2020

04.10.2019

Ухина Арина Викторовна Диссертация «Структурно-морфологические особенности формирования металл-алмазных композиций» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 18.12.2019

19.08.2019

Семыкина Дарья Олеговна Диссертация «Cтруктурно-морфологические и электрохимические свойства натрий/литий ванадий-содержащих электродных материалов для натрий/литий-ионных аккумуляторов» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 27.11.2019

15.10.2018

Тяпкин Павел Юрьевич Диссертация «Нанокомпозиты на основе оксидов железа, синтезированных в порах мезопористого диоксида кремния» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 21.12.2018

08.10.2018

Скрипкина Татьяна Сергеевна Диссертация «Механохимическая модификация структуры гуминовых кислот для получения комплексных сорбентов» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 19.12.2018 в 10:00

08.10.2018

Подгорбунских Екатерина Михайловна Диссертация «Исследование механоферментативных превращений полимеров трудноперерабатываемого растительного сырья» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 19.12.2018 в 12:00

03.10.2018

Шубникова Елена Викторовна Диссертация «Структура и кислородная проницаемость оксидов со смешанной проводимостью
Sr1-yBayCo0.8-xFe0.2MxO3-δ (M=W, Mо)» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 05.12.2018

26.09.2018

Лозанов Виктор Васильевич Диссертация «Синтез и физико-химическое исследование тугоплавких соединений, образующихся в системах на основе гафния, тантала и иридия» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 12.12.2018

03.05.2017

Прокип Владислав Эдвардович Диссертация «Физико-химическое исследование германатов гафния» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 05.07.2017 в 10:00

01.02.2017

Пестерева Наталья Николаевна Диссертация «Процессы переноса вдоль границы раздела фаз MeWO4|WO3 и физико-химические свойства композитов MeWO4-WO3 (Me = Ca, Sr, Ba)» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 05.04.2017 в 10:00

27.12.2016

Попов Михаил Петрович Диссертация «Изучение влияния модификации вольфрамом на функциональные свойства перовскита состава Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 01.03.2017 в 10:00

10.08.2016

Подгорнова Ольга Андреевна Диссертация «Синтез, структура и электрохимические свойства катодных материалов на основе LiCoPO4» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 12.10.2016 в 10:00

22.04.2016

Рыбин Вячеслав Андреевич Диссертация «Физико-химическое исследование базальтового волокна с защитными щелочестойкими покрытиями» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 22.06.2016 в 10:00

23.10.2015

Архипов Сергей Григорьевич Диссертация «Получение сокристаллов и солей аминокислот с органическими кислотами и сравнение их структуры и свойств со структурами и свойствами исходных компонентов» на соискание ученой степени кандидата химических наук.

Защита диссертации: 24.12.2015 в 10:00


Сборка тестов по химии по теме «Строение вещества»

Чтобы поделиться, нажимайте

Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решетки. Зависимость свойств веществ от их состава и строения.

Также вы можете ознакомиться со всеми тестами ЦТ по химии перейдя по ссылке http://www.yoursystemeducation.com/ct/ или всеми заданиями ЕГЭ по химии перейдя по ссылке http://www.yoursystemeducation.com/realnoe-ege/

  1. Немолекулярное строение имеет: 1) фуллерен,       2) алмаз,     3) вода,       4) углекислый газ.

  2. Немолекулярное строение имеет: 1) железо,         2) водород,     3) кислород,   4) угарный газ.

  3. Ионную кристаллическую решетку имеет:                                                                                                           1) бромид калия,           2) бром,           3) калий,             4) бромоводород.

  4. Молекулярную кристаллическую решетку имеет:                                                                                             1) литий,             2) оксид натрия,           3) красный фосфор,               4) белый фосфор.

  5. Молекулярную кристаллическую решетку имеет:                                                                                      1) фторид серы (VI),     2) сульфид натрия,       3) графит,         4) натрий.

  6. Молекулярное строение имеет:                                                                                                                           1) йод,         2) йодид калия,         3) гидроксид калия,           4) гидроксид алюминия.

  7. Немолекулярное строение имеет:                                                                                                                       1) йод,         2) хлорид йода,         3) гидроксид калия,             4) уксусная кислота.

  8. Немолекулярное строение имеет:                                                                                                                       1) цинк,       2) муравьиная кислота,              3) фтороводород,             4) кислород.

  9. Молекулярную кристаллическую решетку в твердом состоянии имеет:                                                         1) иодид бария,         2) гидроксид бария,       3) барий,             4) йод.

  10. Ионную кристаллическую решетку имеет:                                                                                                           1) фтор,           2) фтороводород,             3) гидрид натрия,           4) хлорид титана(IV).

  11. Молекулярное строение имеет:                                                                                                                           1) оксид кремния(IV),      2) нитрат бария,       3) хлорид натрия,       4) оксид углерода(II).

  12. Молекулярную кристаллическую решетку имеют:                                                                                           1) H2O, CuO,            2) CuO, K2S,            3) K2S, H2SO4,            4) H2SO4, O2.

  13. Атомную кристаллическую решетку имеет:                                                                                                     1) графит,             2) железо,                 3) карбонат кальция,           4) азотная кислота.

  14. Ионную кристаллическую решетку имеет:                                                                                                     1) фторид кальция,           2) оксид кремния,             3) алмаз,           4) медь.

  15. Вещество, имеющее низкую температуру плавления, возгоняющееся при нагревании, неэлектропроводное – имеет кристаллическую решетку:                                                                                 1) ионную,             2) металлическую,             3) молекулярную,             4) атомную.

  16. Твердое, хрупкое вещество, расплав которого проводит электрический ток – имеет кристаллическую решетку: 1) ионную,   2) металлическую,     3) молекулярную,   4) атомную

  17. Вещество, имеющее высокую электропроводность, ковкое, пластичное, имеет кристаллическую решетку: 1) ионную,         2) металлическую,         3) молекулярную,       4) атомную.

  18. Тугоплавкое хрупкое вещество, нерастворимое в воде, имеет кристаллическую решетку:                       1) ионную,               2) металлическую,               3) молекулярную,             4) атомную

  19. Атом является структурной единицей в кристаллической решетке:                                                           1) фосфорной кислоты,           2) белого фосфора,           3) кремнезема,         4) хлорида аммония.

  20. В кристалле вольфрама частицы связаны металлической связью, поэтому вольфрам:                               1) тугоплавок,           2) химически стоек,         3) электропроводен,   4) имеет высокую плотность.

  21. Ионный тип кристаллической решетки характерен для:                                                                                     1) кислот,         2) металлов,         3) неметаллов,           4) солей.

  22. Из молекул состоит каждое из веществ: 1) поваренная соль и кислород,   2) оксид магния и хлороводород,   3) вода и хлор,   4) алмаз и сода.

  23. Атомную кристаллическую решетку имеет каждое из веществ:                                                                     1) алмаз и графит,         2) аммиак и йод,           3) озон и кислород,         4) вода и мел.

  24. Ионную кристаллическую решетку имеет каждое из веществ:                                                                   1) серная кислота и оксид углерода(IV),                   2) гидроксид натрия и хлорид калия,                               3) карбонат кальция и хлороводород,                       4) оксид кремния и гидроксид меди(II).

  25. Верны ли следующие суждения о типах кристаллических решеток веществ в твердом состоянии? А) этанол имеет ионную кристаллическую решетку.                                                                                       Б) йод имеет молекулярную кристаллическую решетку.                                                                                1) верно только А,       2) верно только Б,       3) верны оба суждения,     4) оба суждения неверны.

  26. Какие свойства характерны для вещества с атомной кристаллической решеткой?                                           1) нерастворимость в воде и тугоплавкость,               2) хрупкость и легкоплавкость,                                   3) растворимость в воде и летучесть,                           4) хорошая тепло- и электропроводность.

  27. В твердых веществах молекулярного строения химическая связь:                                                                 1) ковалентная,               2) металлическая,             3) ионная,               4) водородная

  28. В твердых веществах атомного строения химическая связь между атомами:                                               1) ковалентная,               2) металлическая,             3) ионная,               4) водородная

  29. Некоторое вещество тугоплавко и не проводит электрический ток ни в твердом виде, ни в расплаве. Какую кристаллическую решетку оно имеет?                                                                                     1) атомную,             2) молекулярную,             3) ионную,             4) металлическую.

  30. Некоторое вещество тугоплавко и не проводит электрический ток в твердом виде, но его водный раствор обладает электрической проводимостью. Какую кристаллическую решетку имеет это вещество? 1) атомную,             2) молекулярную,             3) ионную,             4) металлическую.

  31. Выберите вещество, которое в твердом состоянии имеет молекулярную кристаллическую решетку: 1) С (графит),      2) SiO2,             3) SiC,               4) CO2

  32. Выберите вещество, которое в твердом состоянии имеет атомную кристаллическую решетку:                  1) SiO2,         2) SiH4,         3) O2,           4) Na.

  33. Выберите вещество, которое в твердом состоянии имеет ионную кристаллическую решетку:                     1) N2O5,        2) HNO3,         3) NH4NO3,         4) NH3.

  34. Какое свойство характерно для веществ с атомной кристаллической решеткой? 1) высокая плотность,   2) тугоплавкость,   3) хорошая растворимость в воде,   4) электропроводность.

  35. Один и тот же тип решетки в кристаллическом состоянии имеют: 1) хлор и водород, 2) вода и алюминий,   3) поваренная соль и серная кислота,   4) кремнезем и гидроксид натрия.

  36. Запахом обладают вещества, имеющие кристаллическую решетку:                                                             1) атомную,             2) молекулярную,         3) ионную,            4) металлическую.

  37. Молекулярную решетку в кристаллическом состоянии имеет:                                                                       1) хлорид натрия,         2) хлор,           3) натрий,           4) гидроксид натрия.

  38. Хлорид-ионы отсутствую в кристаллах:                                                                                                           1) хлорида натрия,       2) хлорида кальция,       3) хлорида фосфора(V),       4) хлорида цезия.

  39. Ионную кристаллическую решетку в кристаллическом состоянии имеет:                                                           1) бром,           2) вода,           3) серная кислота,             4) карбонат натрия.

  40. Металлическую кристаллическую решетку имеет: 1) NH3,        2) AlCl3,      3) Cu3Al,       4) CuO.

  41. Один и тот же тип решетки в кристаллическом состоянии имеют вода и:                                                         1) железо,         2) углекислый газ,         3) поваренная соль,         4) алмаз.

  42. Легкоплавкое кристаллическое вещество хорошо растворимо в этаноле и не проводит электрический ток ни в расплаве, ни в растворе. Какую кристаллическую решетку оно имеет?               1) атомную,       2) молекулярную,         3) ионную,         4) металлическую.

  43. Тугоплавкое кристаллическое вещество нерастворимо в воде и хорошо проводит теплоту и электрический ток. Какую кристаллическую решетку оно имеет?                                                                 1) атомную,       2) молекулярную,         3) ионную,         4) металлическую.

  44. Тот же тип кристаллической решетки, что и у сульфата натрия, имеет:                                                       1) красный фосфор,         2) хлороводород,           3) серная кислота,               4) сульфид бария.

  45. Тот же тип кристаллической решетки, что и у натрия, имеет:                                                                     1) хлорид цинка,             2) сульфат натрия,         3) карбонат натрия,             4) золото.

  46. Тот же тип кристаллической решетки, что и у кислорода, имеет:                                                                   1) бром,           2) оксид натрия,           3) поваренная соль,           4) калий.

  47. Один и тот же тип решетки в кристаллическом состоянии имеют:                                                                    1) фтор и фторид натрия,                           2) хлор и хлорид калия,                                                                 3) хлорид натрия и гидроксид калия,       4) оксид хлора(VII) и гидроксид калия.

  48. Оксид алюминия в кристаллическом состоянии имеет тот же тип кристаллической решетки, что и: 1) алюминий,       2) кислород,         3) фтор,        4) фторид алюминия.

  49. Ванилин представляет собой легкоплавкое кристаллическое вещество с характерным запахом. Какой тип кристаллической решетки он имеет?                                                                                                 1) атомный,           2) молекулярный,             3) ионный,          4) металлический.

  50. Атомную решетку в кристаллическом состоянии имеет:                                                                                 1) азот,         2) аммиак,           3) карбид кремния,           4) платина.

  51. Один и тот же тип решетки в кристаллическом состоянии имеют:                                                               1) натрий и хлорид натрия,                       2) сульфат бария и барий,                                                                   3) сульфат бария и серная кислота,         4) серная кислота и оксид серы(VI).

  52. Для твердых веществ с молекулярной кристаллической решеткой характерна высокая:                         1) плотность,     2) температура плавления,     3) летучесть,   4) энергия связи между молекулами.

  53. Для твердых веществ с металлической кристаллической решеткой характерна низкая:                               1) теплопроводность,                                     2) плотность,                                                                                                  3) летучесть при комнатной температуре,   4) электропроводность.

  54. Для твердых веществ с ионной кристаллической решеткой характерна низкая:                                        1) температура плавления,                      2) энергия связи между ионами,                                                  3) растворимость в воде,                         4) летучесть.

  55. Твердое вещество с ионной кристаллической решеткой расплавили. Полученная жидкость:                     1) имеет высокую плотность,                 2) быстро испаряется,                                                                           3) неприятно пахнет,                               4) проводит электрический ток.

  56. Атомную кристаллическую решетку не образует:                                                                                           1) кремний,         2) германий,             3) алюминий,           4) углерод.

  57. Если вещество хорошо растворимо в воде, имеет высокую температуру плавления, не электропроводно, то его кристаллическая решетка:                                                                                     1) молекулярная,           2) атомная,           3) ионная,         4) металлическая.

  58. Понятие «молекула» не применимо по отношению к структурной единице вещества:                           1) хлороформа,           2) кислорода,         3) алмаза,         4) озона.

  59. Атомная кристаллическая решетка характерна для:                                                                                       1) алюминия и карбида алюминия,                     2) серы и йода,                                                                   3) оксида кремния и хлорида натрия,                 4) алмаза и бора.

  60. Вещества, имеющие молекулярную кристаллическую решетку, как правило:                                             1) тугоплавкие и хорошо растворимые в воде,         2) легкоплавкие и летучие,                                            3) твердые и электропроводные,                               4) теплопроводные и пластичные.

Ответы приведены в конце страницы.

 

А вот некоторые задания ЦТ и ЕГЭ с видео-объяснением:

А18 ЦТ 2010. Укажите названия веществ, в молекулах которых содержатся кратные связи и все атомы лежат в одной плоскости: а) стирол; б) фенилацетилен; в) сероводород; г) бутин-1:

  1. б, г
  2. а, г
  3. а, б
  4. б, в

А19 ЦТ 2010. Укажите название вещества, которое в твёрдом состоянии имеет атомную кристаллическую решётку:

  1. серная кислота
  2. оксид кремния (IV)
  3. алюминий
  4. водород

Досрочный ЕГЭ 2018. Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, в которых присутствует ковалентная неполярная химическая связь.
1) этан;
2) азотная кислота;
3) гидроксид бария;
4) хлор;
5) аммиак;
Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

 

Также вы можете ознакомиться со всеми тестами ЦТ по химии перейдя по ссылке http://www.yoursystemeducation.com/ct/ или всеми заданиями ЕГЭ по химии перейдя по ссылке http://www.yoursystemeducation.com/realnoe-ege/

Ответы:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
2 1 1 4 1 1 3 1 4 3 4 4 1 1 3
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
1 2 4 3 3 4 3 1 2 2 1 4 1 1 3
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
4 1 3 2 1 2 2 3 4 3 2 2 4 4 4
46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
1 3 4 2 3 4 3 3 4 4 3 3 3 4 2

 

А также вы можете проделать большое число заданий на эту тему с подробными видео-объяснениями в отдельном разделе «Химическая связь и строение вещества»

А также вы можете получить доступ ко всем видео-урокам, заданиям реального ЕГЭ, ЦТ и РТ с подробными видео-объяснениями, задачам и всем материалам сайта кликнув здесь «Получить все материалы сайта»

Химия — 8

В молекулярных кристаллических решетках веществ с неполярными ковалентными связями (H2, N2, O2, O3, F2, Cl2, Br2, I2, P4, S8) связи между молекулами создаются лишь слабыми межмолекулярными силами. В веществах с неполярной ковалентной связью межмолекулярное притяжение слабое. Вследствие этого они обладают очень низкой температурой плавления.

В кристаллических решетках веществ с полярной ковалентной связью (кроме SiC и SiO2) действуют межмолекулярные и электростатические силы притяжения.

Значит, только вещества, образованные посредством полярной ковалентной и неполярной ковалентной связи, создают молекулярную кристаллическую решетку. Например, H2O, HCl, HBr, HI, CO2, HNO3, H2SO4, большинство органических веществ и др.

Вещества, находящиеся при комнатной температуре в твердом состоянии и образованные только посредством ковалентиной связи в обычных условиях имеют молекулярную кристаллическую решетку, а газообразные, жидкие вещества образуют молекулярную кристаллическую решетку лишь в определенных услових. В качестве примера веществ с молекулярными кристаллическими решетками в обычных условиях можно привести белый фосфор (P4), кристаллическую серу (S8), H3PO4, иод (I2), HPO3, P2O5, глюкозу (C6H12O6), сахарозу (C12H22O11).

Металлические кристаллические решетки. Кристаллические решетки, в узлах которых содержатся отдельные атомы или ионы металлов, связанные общими электронами, называются металлическими кристаллическими решетками. Большинство металлов (Na, Ca, Fe, Al, Cu и др.), а также сплавов образуют металлические кристаллические решетки.

Многие свойства металлов—электрическая проводимость, тепло-проводность, ковкость и др. объясняются свободным движением электронов, образующих металлическую связь.

Некоторые физические свойства веществ зависят от типов кристаллических решеток. В этой связи существует такая закономерность: при известном строении веществ можно заранее предсказать их свойства, и наоборот, если известны свойства веществ, то можно определить их строение.

Закон постоянства состава веществ. Любое чистое вещество молекулярного строения, независимо от места нахождения и способа его получения, всегда имеет постоянный качественный и количественный состав.

Вещества немолекулярного строения не всегда обладают постоянным составом. Их состав зависит от способа получения и условий. Понятие валентности, определяемой количеством ковалентных связей, действительно только при характеристике веществ с молекулярным строением. При рассмотрении веществ немолекулярного строения гораздо лучше будет применять понятие «степень окисления» (разъяснение дается в дальнейших темах). Вот почему для описания состава веществ немолекулярного строения использование понятий «структурная формула» и «молекула» — условно.

молекулярных кристаллов | Введение в химию

Цель обучения
  • Обсудите свойства молекулярных кристаллов.

Ключевые моменты
    • Молекулярное твердое тело состоит из молекул, удерживаемых вместе силами Ван-дер-Ваальса. Его свойства продиктованы слабой природой этих межмолекулярных сил. Молекулярные твердые вещества мягкие, часто летучие, имеют низкие температуры плавления и являются электрическими изоляторами.
    • Классы молекулярных твердых веществ включают органические соединения, состоящие из углерода и водорода, фуллеренов, галогенов (F, Cl и т. Д.), Халькогенов (O, S и т. Д.) И пниктогенов (N, P и т. Д.).
    • Более крупные молекулы менее летучие и имеют более высокие температуры плавления, поскольку их дисперсионные силы увеличиваются с увеличением числа атомов. Уменьшение связывания внешних электронов с ядром также увеличивает ван-дер-ваальсовы взаимодействия атома из-за его повышенной поляризуемости.

Условия
  • легирование Преднамеренное введение примесей в образец вещества с целью изменения его электрических свойств.
  • молекулярное твердое тело — твердое тело, состоящее из молекул, удерживаемых вместе межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса.
  • Сила Ван-дер-Ваальса Сила притяжения между молекулами (или между частями одной и той же молекулы). К ним относятся взаимодействия между частичными зарядами (водородные связи и диполь-дипольные взаимодействия) и более слабые лондонские дисперсионные силы.
  • межмолекулярная сила: Любое из притягивающих взаимодействий, которые происходят между атомами или молекулами в образце вещества.

Природа межмолекулярных сил

Напомним, что молекула определяется как дискретная совокупность атомов, достаточно прочно связанных вместе направленными ковалентными силами, позволяющими ей сохранять свою индивидуальность при растворении, плавлении или испарении вещества.Два слова, выделенные курсивом в предыдущем предложении, очень важны. Ковалентная связь подразумевает, что силы, действующие между атомами в пределах молекулы ( внутри молекулы ), намного сильнее, чем силы, действующие на между молекулами ( между молекулами ). Направленное свойство ковалентной связи придает каждой молекуле отличительную форму, которая влияет на ряд его свойств.

Жидкости и твердые вещества, состоящие из молекул, удерживаются вместе ван-дер-ваальсовыми (или межмолекулярными) силами, и многие из их свойств отражают это слабое связывание.Молекулярные твердые вещества имеют тенденцию быть мягкими или деформируемыми, имеют низкие температуры плавления и часто достаточно летучие, чтобы испаряться непосредственно в газовую фазу. Последнее свойство часто придает таким твердым веществам характерный запах. В то время как характерная температура плавления металлов и ионных твердых частиц составляет ~ 1000 ° C, большинство молекулярных твердых веществ плавятся значительно ниже ~ 300 ° C. Таким образом, многие соответствующие вещества являются жидкими (вода) или газообразными (кислород) при комнатной температуре.

Молекулярные твердые вещества также имеют относительно низкую плотность и твердость.Вовлеченные элементы легкие, а межмолекулярные связи относительно длинные и, следовательно, слабые. Из-за нейтральности заряда составляющих молекул и из-за большого расстояния между ними молекулярные твердые тела являются электрическими изоляторами.

Поскольку дисперсионные силы и другие силы Ван-дер-Ваальса увеличиваются с увеличением числа атомов, большие молекулы, как правило, менее летучие и имеют более высокие температуры плавления, чем меньшие. Кроме того, при движении вниз по столбцу в периодической таблице внешние электроны более слабо связаны с ядром, увеличивая поляризуемость атома и, следовательно, его склонность к взаимодействиям типа ван-дер-Ваальса.Этот эффект особенно очевиден при повышении температуры кипения последовательно более тяжелых элементов из благородных газов.

Интерактивное: заряженные и нейтральные атомы В этой модели показаны два вида сил притяжения: кулоновские силы (притяжение между ионами) и силы Ван-дер-Ваальса (дополнительная сила притяжения между всеми атомами). Какие паттерны образуются с заряженными и нейтральными атомами? Как изменение притяжения Ван-дер-Ваальса или зарядки атомов влияет на температуру плавления и кипения вещества? Пример использования

: Phosphorus

Термин «молекулярное твердое вещество» может относиться не к определенному химическому составу, а к определенной форме материала.Например, твердый фосфор может кристаллизоваться в различных аллотропах, называемых «белым», «красным» и «черным» фосфором.

  • Белый фосфор образует молекулярные кристаллы, состоящие из тетраэдрических молекул P 4 . Молекулярный твердый белый фосфор имеет относительно низкую плотность 1,82 г / см 3 и температуру плавления 44,1 ° C; это мягкий материал, который можно разрезать ножом.
  • Нагревание при атмосферном давлении до 250 ° C или воздействие солнечного света превращает белый фосфор в красный фосфор, в котором тетраэдры P 4 больше не изолированы, а связаны ковалентными связями в полимероподобные цепи.
  • При нагревании белого фосфора под высоким давлением (ГПа) он превращается в черный фосфор, который имеет слоистую графитоподобную структуру.

Когда белый фосфор превращается в ковалентный красный фосфор, его плотность увеличивается до 2,2–2,4 г / см. 3 , а температура плавления — до 590 ° C; когда белый фосфор превращается в (также ковалентный) черный фосфор, плотность становится 2,69–3,8 г / см 3 с температурой плавления ~ 200 ° C.

И красный, и черный фосфор значительно тверже белого фосфора.Хотя белый фосфор является изолятором, черный аллотроп, состоящий из слоев, простирающихся по всему кристаллу, действительно проводит электричество. Структурные переходы в фосфоре обратимы: при высвобождении высокого давления черный фосфор постепенно превращается в красный аллотроп, а путем испарения красного фосфора при 490 ° C в инертной атмосфере и конденсации пара ковалентный красный фосфор может снова превратиться в белый молекулярное твердое вещество.

Точно так же желтый мышьяк представляет собой твердое молекулярное вещество, состоящее из звеньев As 4 ; он метастабилен и постепенно превращается в серый мышьяк при нагревании или освещении.Каждая из определенных форм серы и селена состоит из звеньев S 8 или Se 8 и представляет собой молекулярные твердые вещества в условиях окружающей среды. Однако они могут превращаться в ковалентные аллотропы, имеющие атомные цепи, простирающиеся по всему кристаллу.

Классы молекулярных твердых тел

Подавляющее большинство молекулярных твердых веществ можно отнести к органическим соединениям, содержащим углерод и водород, таким как углеводороды (C n H m ). Другой важный класс — сферические молекулы, состоящие из разного числа атомов углерода, называемые фуллеренами.Менее многочисленными, но отличительными молекулярными твердыми веществами являются галогены (например, Cl 2 ) и их соединения с водородом (например, HCl), а также легкие халькогены (например, O 2 ) и пниктогены (например, N 2 ). ).

Проводимость молекулярных твердых тел может быть вызвана «легированием» фуллеренов (например, C 60 ). Его твердая форма является изолятором, потому что все валентные электроны атомов углерода участвуют в ковалентных связях внутри отдельных молекул углерода. Однако вставка (интеркалирование) атомов щелочного металла между молекулами фуллерена дает дополнительные электроны, которые могут легко ионизироваться атомами металла и делать материал проводящим и даже сверхпроводящим.

Кристаллы фуллерена Твердый фуллерен является изолятором, но он может стать сверхпроводником, если интеркалирующие ионы металла вставлены между молекулами фуллерена (C 60 ).

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

12.7: Типы кристаллических твердых тел — молекулярные, ионные и атомные

Как общество, мы иногда принимаем вещи как должное.Например, часто предполагается, что мы получим электроэнергию, когда подключим вилку к электрической розетке. Провод, из которого состоит эта розетка, почти всегда состоит из меди, материала, который хорошо проводит электричество. Уникальные свойства твердой меди позволяют электронам беспрепятственно проходить через провод и в любое устройство, к которому мы его подключаем. Затем мы можем наслаждаться музыкой, телевидением, работой на компьютере или любой другой деятельностью, которой мы хотим заниматься. Однако эти действия — и само чудо электричества — были бы невозможны без этого медного провода!

Классы кристаллических твердых тел

Кристаллические вещества можно описать по типам частиц в них и типам химической связи, которая имеет место между частицами.Существует четыре типа кристаллов: (1) ионный , (2) металлический , (3) ковалентная сетка и (4) молекулярный . Свойства и несколько примеров каждого типа перечислены в следующей таблице и описаны в таблице ниже.

Тип кристаллического твердого вещества Примеры (формулы) Точка плавления (° C) Нормальная точка кипения (° C)
Таблица \ (\ PageIndex {1} \): Кристаллические твердые тела: точки плавления и кипения
Ионный \ (\ ce {NaCl} \) 801 1413
\ (\ ce {CaF_2} \) 1418 1533
металлик \ (\ ce {Hg} \) -39 30
\ (\ ce {Na} \) 371 883
\ (\ ce {Au} \) 1064 2856
\ (\ ce {W} \) 3410 5660
Ковалентная сеть \ (\ ce {B} \) 2076 3927
\ (\ ce {C} \) (ромб) 3500 3930
\ (\ ce {SiO_2} \) 1600 2230
Молекулярный \ (\ ce {H_2} \) -259 -253
\ (\ ce {I_2} \) 114 184
\ (\ ce {NH_3} \) -78 -33
\ (\ ce {H_2O} \) 0 100

Ионные кристаллы — Ионная кристаллическая структура состоит из чередующихся положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных анионов (см. Рисунок ниже).Ионы могут быть одноатомными или многоатомными. Как правило, ионные кристаллы образуются из комбинации металлов 1 или 2 групп и неметаллов 16 или 17 групп или неметаллических многоатомных ионов. Ионные кристаллы твердые, хрупкие и имеют высокие температуры плавления. Ионные соединения не проводят электричество как твердые тела, но проводят электричество в расплавленном состоянии или в водном растворе.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): \ (\ ce {NaCl} \) кристалл.

Металлический кристалл — Металлические кристаллы состоят из катионов металлов, окруженных «морем» подвижных валентных электронов (см. Рисунок ниже).Эти электроны, также называемые делокализованными электронами, не принадлежат какому-либо одному атому, но могут перемещаться через весь кристалл. В результате металлы являются хорошими проводниками электричества. Как видно из приведенной выше таблицы, температуры плавления металлических кристаллов находятся в широком диапазоне.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): металлическая кристаллическая решетка со свободными электронами, способными перемещаться между положительными атомами металла.

Кристаллы с ковалентной сеткой — Кристалл с ковалентной сеткой состоит из атомов в точках решетки кристалла, причем каждый атом ковалентно связан со своими ближайшими соседними атомами (см. Рисунок ниже).Ковалентно связанная сеть трехмерна и содержит очень большое количество атомов. Сетчатые твердые тела включают алмаз, кварц, многие металлоиды и оксиды переходных металлов и металлоидов. Сетчатые твердые тела твердые и хрупкие, с чрезвычайно высокими температурами плавления и кипения. Состоящие из атомов, а не ионов, они не проводят электричество ни в каком состоянии.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Алмаз представляет собой твердую сетку, состоящую из атомов углерода, ковалентно связанных друг с другом в повторяющемся трехмерном узоре.Каждый атом углерода образует одинарные ковалентные связи в тетраэдрической геометрии.

Молекулярные кристаллы — Молекулярные кристаллы обычно состоят из молекул в узлах решетки кристалла, удерживаемых вместе относительно слабыми межмолекулярными силами (см. Рисунок ниже). Межмолекулярные силы могут быть дисперсионными силами в случае неполярных кристаллов или диполь-дипольными силами в случае полярных кристаллов. Некоторые молекулярные кристаллы, такие как лед, имеют молекулы, удерживаемые вместе водородными связями.Когда один из благородных газов охлаждается и затвердевает, узлами решетки становятся отдельные атомы, а не молекулы. Во всех случаях межмолекулярные силы, удерживающие частицы вместе, намного слабее, чем ионные или ковалентные связи. В результате температуры плавления и кипения молекулярных кристаллов намного ниже. Молекулярные кристаллы, лишенные ионов или свободных электронов, являются плохими электрическими проводниками.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Кристаллическая структура льда.

Некоторые общие свойства четырех основных классов твердых тел сведены в Таблицу \ (\ PageIndex {2} \).

Таблица \ (\ PageIndex {2} \): Свойства основных классов твердых тел
Ионные твердые тела Молекулярные твердые вещества Ковалентные твердые вещества Металлические твердые тела
* Существует множество исключений. Например, графит имеет относительно высокую электропроводность в углеродных плоскостях, а алмаз имеет самую высокую теплопроводность среди всех известных веществ.
плохие проводники тепла и электричества плохие проводники тепла и электричества плохие проводники тепла и электричества * хорошие проводники тепла и электричества
относительно высокая температура плавления низкая точка плавления высокая температура плавления точек плавления сильно зависят от электронной конфигурации
твердый, но хрупкий; разрушиться под действием стресса мягкий очень твердый и хрупкий легко деформируется под нагрузкой; пластичный и податливый
относительно плотная низкая плотность низкая плотность обычно высокой плотности
тусклая поверхность тусклая поверхность тусклая поверхность блестящий

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Классифицируют \ (\ ce {Ge} \), \ (\ ce {RbI} \), \ (\ ce {C6 (Ch4) 6} \) и \ (\ ce {Zn} \) как ионные, молекулярные. , ковалентные или металлические твердые вещества и расположите их в порядке увеличения температуры плавления.

Дано : соединения

Запрошено : классификация и порядок точек плавления

Стратегия :

  1. Найдите компонент (ы) в периодической таблице. Основываясь на их положении, предскажите, является ли каждое твердое вещество ионным, молекулярным, ковалентным или металлическим.
  2. Расположите твердые вещества в порядке увеличения температуры плавления в соответствии с вашей классификацией, начиная с молекулярных твердых веществ.

Решение :

А. Германий находится в p-блоке сразу под Si, вдоль диагональной линии полуметаллических элементов, что предполагает, что элементарный Ge, вероятно, имеет ту же структуру, что и Si (структура алмаза). Таким образом, Ge, вероятно, представляет собой ковалентное твердое тело .

RbI содержит металл из группы 1 и неметалл из группы 17, поэтому это твердое ионное вещество , содержащее ионы Rb + и I .

Соединение \ (\ ce {C6 (Ch4) 6} \) представляет собой углеводород (гексаметилбензол), который состоит из изолированных молекул, которые образуют молекулярное твердое тело без ковалентных связей между ними.

Zn является элементом d-блока, поэтому металлическое твердое тело .

B. Расположить эти вещества в порядке увеличения температуры плавления несложно, за одним исключением. Мы ожидаем, что C 6 (CH 3 ) 6 будет иметь самую низкую температуру плавления, а Ge — самую высокую температуру плавления, а RbI находится где-то посередине. Однако температуры плавления металлов трудно предсказать на основе представленных до сих пор моделей.Поскольку Zn имеет заполненную валентную оболочку, он не должен иметь особенно высокую температуру плавления, поэтому разумное предположение —

.

C 6 (CH 3 ) 6

Фактические температуры плавления: C 6 (CH 3 ) 6 , 166 ° C; Zn, 419 ° С; RbI, 642 ° С; и Ge, 938 ° С. Это согласуется с нашим прогнозом.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Классифицируйте CO 2 , BaBr 2 , GaAs и AgZn как ионные, ковалентные, молекулярные или металлические твердые вещества, а затем расположите их в порядке увеличения температуры плавления.

Ответ

CO 2 (молекулярный) 2 (ионный)

Фактические температуры плавления следующие: CO 2 , около -15,6 ° C; AgZn, около 700 ° C; BaBr 2 , 856 ° С; и GaAs, 1238 ° C.

решетчатых структур в кристаллических твердых телах — химия: первые атомы 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите расположение атомов и ионов в кристаллических структурах
  • Вычислить ионные радиусы, используя размеры элементарной ячейки
  • Объяснить использование измерений дифракции рентгеновских лучей для определения кристаллических структур

Более 90% твердых веществ природного и антропогенного происхождения являются кристаллическими.Большинство твердых веществ образуются с регулярным расположением своих частиц, потому что общее притягивающее взаимодействие между частицами максимизируется, а общая межмолекулярная энергия сводится к минимуму, когда частицы упаковываются наиболее эффективным образом. Регулярное расположение на атомном уровне часто отражается на макроскопическом уровне. В этом модуле мы исследуем некоторые детали структур металлических и ионных кристаллических твердых тел и узнаем, как эти структуры определяются экспериментально.

Структуры металлов

Мы начнем обсуждение кристаллических твердых тел с рассмотрения элементарных металлов, которые относительно просты, поскольку каждый содержит только один тип атомов. Чистый металл — это кристаллическое твердое тело, атомы которого плотно упакованы в повторяющийся узор. Некоторые свойства металлов в целом, такие как их пластичность и пластичность, во многом обусловлены наличием одинаковых атомов, расположенных в правильном порядке. Различные свойства одного металла по сравнению с другим частично зависят от размеров их атомов и особенностей их пространственного расположения.В следующих разделах мы исследуем сходства и различия четырех наиболее распространенных геометрических форм металлических кристаллов.

Элементарные ячейки металлов

Структуру кристаллического твердого вещества, будь то металл или нет, лучше всего описать, рассматривая его простейшую повторяющуюся единицу, которая упоминается как его элементарная ячейка. Элементарная ячейка состоит из узлов решетки, которые представляют расположение атомов или ионов. Вся структура состоит из этой элементарной ячейки, повторяющейся в трех измерениях, как показано на (Рисунок).

Элементарная ячейка показывает расположение точек решетки, повторяющихся во всех направлениях.

Давайте начнем наше исследование структуры кристаллической решетки и элементарных ячеек с самой простой структуры и самой простой элементарной ячейки. Чтобы визуализировать это, представьте, что вы берете большое количество одинаковых сфер, таких как теннисные мячи, и равномерно размещаете их в контейнере. Самый простой способ сделать это — создать слои, в которых сферы в одном слое находятся прямо над сферами в слое ниже, как показано на (Рисунок).Такое расположение называется простой кубической структурой, а элементарная ячейка называется простой кубической элементарной ячейкой или примитивной кубической элементарной ячейкой.

Когда атомы металла расположены сферами в одном слое непосредственно над или под сферами в другом слое, структура решетки называется простой кубической. Обратите внимание, что сферы соприкасаются.

В простой кубической структуре сферы не упакованы так плотно, как могли бы, и они «заполняют» только около 52% объема контейнера.Это относительно неэффективное устройство, и только один металл (полоний, Po) кристаллизуется в простой кубической структуре. Как показано на (Рисунок), твердое тело с таким расположением состоит из плоскостей (или слоев), в которых каждый атом контактирует только с четырьмя ближайшими соседями в своем слое; один атом прямо над ним в верхнем слое; и один атом прямо под ним в слое ниже. Число других частиц, с которыми контактирует каждая частица в кристаллическом твердом теле, известно как ее координационное число.Следовательно, для атома полония в простом кубическом массиве координационное число равно шести.

Атом в структуре простой кубической решетки контактирует с шестью другими атомами, поэтому его координационное число равно шести.

В простой кубической решетке элементарная ячейка, повторяющаяся во всех направлениях, представляет собой куб, определяемый центрами восьми атомов, как показано на (Рисунок). Атомы в соседних углах этой элементарной ячейки контактируют друг с другом, поэтому длина края этой ячейки равна двум атомным радиусам или одному атомному диаметру.Кубическая элементарная ячейка содержит только те части этих атомов, которые находятся в ней. Поскольку атом в углу простой кубической элементарной ячейки состоит в общей сложности из восьми элементарных ячеек, только одна восьмая этого атома находится в конкретной элементарной ячейке. А поскольку каждая простая кубическая элементарная ячейка имеет по одному атому в каждом из восьми «углов», в одной простой кубической элементарной ячейке находится атом.

Простая элементарная ячейка кубической решетки содержит одну восьмую атома в каждом из восьми углов, так что всего она содержит один атом.

Расчет атомного радиуса и плотности металлов, часть 1 Длина ребра элементарной ячейки альфа-полония составляет 336 мкм.

(а) Определите радиус атома полония.

(b) Определите плотность альфа-полония.

Раствор Альфа-полоний кристаллизуется в простой кубической элементарной ячейке:

(a) Два соседних атома По контактируют друг с другом, поэтому длина края этой ячейки равна двум атомным радиусам По: l = 2 r .Следовательно, радиус Po равен

.

(b) Плотность определяется по формуле. Плотность полония может быть определена путем определения плотности его элементарной ячейки (масса, содержащаяся в элементарной ячейке, деленная на объем элементарной ячейки). Поскольку элементарная ячейка По содержит одну восьмую атома По в каждом из восьми углов, элементарная ячейка содержит один атом По.

Массу элементарной ячейки По можно найти по формуле:

Объем элементарной ячейки По можно найти по:

(Обратите внимание, что длина края была преобразована из pm в см, чтобы получить обычные единицы объема для плотности.)

Следовательно, плотность

Проверьте свои знания Длина края элементарной ячейки для никеля составляет 0,3524 нм. Плотность Ni 8,90 г / см 3 . Кристаллизуется ли никель в виде простой кубической структуры? Объяснять.

Ответ:

Нет. Если бы Ni был простым кубическим, его плотность была бы выражена следующим образом:


Тогда плотность Ni была бы
. Поскольку фактическая плотность Ni не близка к этой, Ni не образует простую кубическую структуру.

Большинство металлических кристаллов являются одним из четырех основных типов элементарных ячеек.А пока мы сосредоточимся на трех кубических элементарных ячейках: простой кубической (которые мы уже видели), объемно-центрированной кубической элементарной ячейке и кубической элементарной ячейке с гранецентрированной структурой — все они проиллюстрированы на (Рисунок). (Обратите внимание, что на самом деле существует семь различных систем решеток, некоторые из которых имеют более одного типа решеток, всего 14 различных типов элементарных ячеек. Мы оставляем более сложные геометрии на будущее в этом модуле.)

Кубические элементарные ячейки металлов показывают (на верхних рисунках) расположение узлов решетки и (на нижних рисунках) атомов металлов, расположенных в элементарной ячейке.

Некоторые металлы кристаллизуются в виде кубической элементарной ячейки с атомами во всех углах и атомом в центре, как показано на (Рисунок). Это называется объемно-центрированным кубическим (ОЦК) твердым телом. Атомы в углах элементарной ячейки ОЦК не контактируют друг с другом, а контактируют с атомом в центре. Элементарная ячейка BCC содержит два атома: одна восьмая атома в каждом из восьми угловых атомов (атом от углов) плюс один атом от центра. Любой атом в этой структуре касается четырех атомов в слое над ним и четырех атомов в слое под ним.Таким образом, атом в структуре ОЦК имеет координационное число восемь.

В объемно-центрированной кубической структуре атомы в определенном слое не касаются друг друга. Каждый атом касается четырех атомов в слое выше и четырех атомов в слое ниже.

Атомы в структурах BCC упакованы намного эффективнее, чем в простой кубической структуре, занимая около 68% от общего объема. Изоморфные металлы со структурой BCC включают K, Ba, Cr, Mo, W и Fe при комнатной температуре.(Элементы или соединения, которые кристаллизуются с одинаковой структурой, считаются изоморфными.)

Многие другие металлы, такие как алюминий, медь и свинец, кристаллизуются в структуре, которая имеет кубическую элементарную ячейку с атомами во всех углах и в центре каждой грани, как показано на (Рисунок). Такое расположение называется гранецентрированным кубическим (ГЦК) твердым телом. Элементарная ячейка FCC содержит четыре атома: одна восьмая атома в каждом из восьми угловых атомов (атом от углов) и половина атома на каждой из шести граней атомов от граней).Атомы в углах касаются атомов в центрах соседних граней по диагоналям граней куба. Поскольку атомы находятся в идентичных узлах решетки, они имеют идентичное окружение.

Гранецентрированное кубическое твердое тело имеет атомы по углам и, как следует из названия, в центрах граней его элементарных ячеек.

Атомы в системе ГЦК упакованы как можно ближе друг к другу, причем атомы занимают 74% объема. Эта структура также называется кубической плотнейшей упаковкой (CCP).В CCP есть три повторяющихся слоя гексагонально расположенных атомов. Каждый атом контактирует с шестью атомами в своем собственном слое, с тремя в слое выше и с тремя в слое ниже. В этом расположении каждый атом касается 12 ближайших соседей и, следовательно, имеет координационное число 12. Тот факт, что устройства FCC и CCP эквивалентны, может быть не сразу очевиден, но почему они на самом деле являются одной и той же структурой, показано на (Рисунок).

Компоновка CCP состоит из трех повторяющихся слоев (ABCABC…) гексагонально расположенных атомов.Атомы в структуре CCP имеют координационное число 12, потому что они контактируют с шестью атомами в своем слое, плюс три атома в слое выше и три атома в слое ниже. Поворачивая перспективу, мы видим, что структура CCP имеет элементарную ячейку с гранью, содержащей атом из слоя A в одном углу, атомы из слоя B по диагонали (в двух углах и в середине лица) и атом из слоя C в оставшемся углу. Это то же самое, что и гранецентрированное кубическое расположение.

Поскольку более тесная упаковка максимизирует общее притяжение между атомами и минимизирует общую межмолекулярную энергию, атомы в большинстве металлов упаковываются таким образом. Мы находим два типа плотнейшей упаковки в простых металлических кристаллических структурах: CCP, с которой мы уже сталкивались, и гексагональная плотнейшая упаковка (HCP), показанная на (Рисунок). Оба состоят из повторяющихся слоев гексагонально расположенных атомов. В обоих типах второй слой (B) помещается на первый слой (A), так что каждый атом во втором слое контактирует с тремя атомами в первом слое.Третий слой размещается одним из двух способов. В HCP атомы в третьем слое находятся непосредственно над атомами в первом слое (т.е. третий слой также относится к типу A), а наложение состоит из чередующихся плотноупакованных слоев типа A и типа B (то есть ABABAB). В CCP атомы в третьем слое не находятся над атомами в любом из первых двух слоев (т. Е. Третий слой относится к типу C), а наложение состоит из чередующихся плотноупакованных слоев типа A, типа B и типа C ( т.е. ABCABCABC ⋯). Около двух третей всех металлов кристаллизуются в виде плотноупакованных массивов с координационным числом 12.Металлы, которые кристаллизуются в структуре HCP, включают Cd, Co, Li, Mg, Na и Zn, а металлы, которые кристаллизуются в структуре CCP, включают Ag, Al, Ca, Cu, Ni, Pb и Pt.

В обоих типах плотнейшей упаковки атомы упакованы максимально компактно. Гексагональная плотнейшая упаковка состоит из двух чередующихся слоев (ABABAB…). Плотнейшая кубическая упаковка состоит из трех чередующихся слоев (ABCABCABC…).

Расчет атомного радиуса и плотности металлов, часть 2 Кальций кристаллизуется в гранецентрированной кубической структуре.Длина ребра его элементарной ячейки составляет 558,8 мкм.

(а) Каков атомный радиус Са в этой структуре?

(b) Рассчитайте плотность Ca.

Решение

(a) В структуре ГЦК атомы Са контактируют друг с другом по диагонали грани, поэтому длина диагонали равна четырем атомным радиусам Са (d = 4 r ). Два смежных ребра и диагональ лица образуют прямоугольный треугольник, длина каждой стороны которого равна 558.8 пм и длина гипотенузы, равная четырем атомным радиусам Ca:

Решение дает

(b) Плотность дается формулой. Плотность кальция может быть найдена путем определения плотности его элементарной ячейки: например, масса, содержащаяся в элементарной ячейке, деленная на объем элементарной ячейки. Гранецентрированная элементарная ячейка Са имеет одну восьмую атома на каждом из восьми угловых атомов) и половину атома на каждом из шести граней атомов), всего четыре атома в элементарной ячейке.

Массу элементарной ячейки можно найти по:

Объем элементарной ячейки Са можно найти по:

(Обратите внимание, что длина края была преобразована из pm в см, чтобы получить обычные единицы объема для плотности.)

Тогда плотность

Проверьте свое обучение Серебро кристаллизуется в структуре FCC. Длина ребра его элементарной ячейки 409 мкм.

(а) Каков атомный радиус Ag в этой структуре?

(б) Рассчитайте плотность Ag.

Ответ:

(а) 144 пм; (б) 10,5 г / см 3

В общем, элементарная ячейка определяется длиной трех осей ( a , b и c ) и углами ( α , β и γ ) между ними, как проиллюстрировано на (Рисунок). Оси определяются как длины между точками пространственной решетки. Следовательно, оси элементарной ячейки соединяют точки с идентичной средой.

Элементарная ячейка определяется длиной трех ее осей ( a , b и c ) и углами ( α , β и γ ) между осями.

Существует семь различных систем решеток, некоторые из которых имеют более одного типа решетки, всего четырнадцать различных элементарных ячеек, которые имеют форму, показанную на (Рисунок).

Существует семь различных систем решеток и 14 различных элементарных ячеек.

Структуры ионных кристаллов

Ионные кристаллы состоят из двух или более различных типов ионов, которые обычно имеют разные размеры. Упаковка этих ионов в кристаллическую структуру более сложна, чем упаковка атомов металла того же размера.

Большинство одноатомных ионов ведут себя как заряженные сферы, и их притяжение для ионов противоположного заряда одинаково во всех направлениях. Следовательно, стабильные структуры для ионных соединений возникают (1), когда ионы одного заряда окружены как можно большим количеством ионов противоположного заряда, и (2) когда катионы и анионы контактируют друг с другом. Структуры определяются двумя основными факторами: относительными размерами ионов и соотношением количества положительных и отрицательных ионов в соединении.

В простых ионных структурах мы обычно находим анионы, которые обычно больше, чем катионы, расположенные в виде плотноупакованного массива. (Как было замечено ранее, дополнительные электроны, притянутые к одному и тому же ядру, делают анионы крупнее, а меньшее количество электронов, притягиваемых к тому же ядру, делает катионы меньше по сравнению с атомами, из которых они образованы.) Более мелкие катионы обычно занимают один из двух типов дырок ( или пустоты), оставшиеся между анионами. Меньшее из отверстий находится между тремя анионами в одной плоскости и одним анионом в соседней плоскости.Четыре аниона, окружающие это отверстие, расположены по углам тетраэдра, поэтому отверстие называется тетраэдрическим отверстием. Дыра большего размера находится в центре шести анионов (три в одном слое и три в соседнем слое), расположенных в углах октаэдра; это называется октаэдрическим отверстием. (Рисунок) иллюстрирует оба этих типа отверстий.

Катионы могут занимать два типа дырок между анионами: октаэдрические дырки или тетраэдрические дырки.

В зависимости от относительных размеров катионов и анионов, катионы ионного соединения могут занимать тетраэдрические или октаэдрические отверстия, как показано на (Рисунок).Относительно небольшие катионы занимают тетраэдрические отверстия, а более крупные — октаэдрические. Если катионы слишком велики, чтобы поместиться в октаэдрические отверстия, анионы могут принять более открытую структуру, такую ​​как простой кубический массив. Тогда более крупные катионы могут занять большие кубические отверстия, что стало возможным благодаря более открытому пространству.

Размер катиона и форма отверстия, занимаемого соединением, напрямую связаны.

Есть две тетраэдрические дырки для каждого аниона в массиве анионов HCP или CCP.Соединение, которое кристаллизуется в виде плотноупакованного массива анионов с катионами в тетраэдрических отверстиях, может иметь максимальное соотношение катион: анион 2: 1; все тетраэдрические отверстия заполнены при этом соотношении. Примеры включают Li 2 O, Na 2 O, Li 2 S и Na 2 S. Соединения с соотношением менее 2: 1 также могут кристаллизоваться в виде плотноупакованного массива анионов с катионами. в тетраэдрических отверстиях, если подходят ионные размеры. Однако в этих соединениях часть тетраэдрических дырок остается вакантной.

Заполнение четырехгранных отверстий Сульфид цинка является важным промышленным источником цинка, а также используется в качестве белого пигмента в красках. Сульфид цинка кристаллизуется с ионами цинка, занимающими половину тетраэдрических отверстий в плотноупакованном массиве сульфид-ионов. Какая формула сульфида цинка?

Решение Поскольку на каждый анион (сульфид-ион) приходится две тетраэдрических дырки и половина этих дырок занята ионами цинка, на каждый сульфид-ион должно приходиться или 1 ион цинка.Таким образом, формула ZnS.

Проверьте свои знания Селенид лития можно описать как плотнейшую упаковку ионов селенида с ионами лития во всех тетраэдрических отверстиях. Какая у него формула селенида лития?

Отношение октаэдрических дырок к анионам в структуре HCP или CCP составляет 1: 1. Таким образом, соединения с катионами в октаэдрических дырках в плотноупакованном массиве анионов могут иметь максимальное соотношение катион: анион 1: 1. Например, в NiO, MnS, NaCl и KH все октаэдрические отверстия заполнены.Отношения менее 1: 1 наблюдаются, когда некоторые из октаэдрических отверстий остаются пустыми.

Стехиометрия ионных соединений Сапфир — это оксид алюминия. Оксид алюминия кристаллизуется с ионами алюминия в двух третях октаэдрических отверстий в плотноупакованном массиве оксидных ионов. Какая формула оксида алюминия?

Решение Поскольку на каждый анион (оксидный ион) приходится одна октаэдрическая дырка и только две трети этих дырок заняты, отношение алюминия к кислороду должно быть: 1, что дает простейшее целочисленное отношение 2: 3, поэтому формула Al 2 O 3 .

Проверьте свои знания Белый пигмент оксида титана кристаллизуется с ионами титана в половине октаэдрических отверстий в плотноупакованном массиве оксидных ионов. Какая формула оксида титана?

В простом кубическом массиве анионов есть одно кубическое отверстие, которое может быть занято катионом для каждого аниона в массиве. В CsCl и других соединениях с такой же структурой все кубические дырки заняты. Половина кубических дырок занята в SrH 2 , UO 2 , SrCl 2 и CaF 2 .

Различные типы ионных соединений часто кристаллизуются в одной и той же структуре, если относительные размеры их ионов и их стехиометрия (две основные характеристики, определяющие структуру) схожи.

Элементарные ячейки ионных соединений

Многие ионные соединения кристаллизуются с кубическими элементарными ячейками, и мы будем использовать эти соединения, чтобы описать общие особенности ионных структур.

Когда ионное соединение состоит из катионов и анионов одинакового размера в соотношении 1: 1, оно обычно образует простую кубическую структуру.Примером этого является хлорид цезия, CsCl (проиллюстрирован на (Рисунок)), причем Cs + и Cl имеют радиусы 174 и 181 мкм соответственно. Мы можем представить это как ионы хлорида, образующие простую кубическую элементарную ячейку с ионом цезия в центре; или в виде ионов цезия, образующих элементарную ячейку с ионом хлорида в центре; или в виде простых кубических элементарных ячеек, образованных ионами Cs + , перекрывающими элементарные ячейки, образованные ионами Cl . Ионы цезия и ионы хлора соприкасаются по диагоналям тела элементарных ячеек.Один ион цезия и один ион хлорида присутствуют в элементарной ячейке, что дает стехиометрию 1: 1, требуемую формулой для хлорида цезия. Обратите внимание, что в центре ячейки нет точки решетки, и CsCl не является структурой BCC, потому что ион цезия не идентичен иону хлорида.

Ионные соединения с катионами и анионами аналогичного размера, такие как CsCl, обычно образуют простую кубическую структуру. Их можно описать элементарными ячейками с катионами по углам или анионами по углам.

Мы сказали, что расположение точек решетки произвольно. Это иллюстрируется альтернативным описанием структуры CsCl, в которой узлы решетки расположены в центрах ионов цезия. В этом описании ионы цезия расположены в точках решетки в углах ячейки, а ион хлорида расположен в центре ячейки. Две элементарные ячейки разные, но они описывают идентичные структуры.

Когда ионное соединение состоит из катионов и анионов в соотношении 1: 1, которые значительно различаются по размеру, оно обычно кристаллизуется с помощью элементарной ячейки FCC, как показано на (Рисунок).Примером этого является хлорид натрия, NaCl, причем Na + и Cl имеют радиусы 102 и 181 мкм соответственно. Мы можем представить это как ионы хлора, образующие ячейку FCC, причем ионы натрия расположены в октаэдрических отверстиях в середине краев ячейки и в центре ячейки. Ионы натрия и хлора соприкасаются друг с другом по краям ячейки. Элементарная ячейка содержит четыре иона натрия и четыре иона хлорида, что дает стехиометрию 1: 1, требуемую формулой NaCl.

Ионные соединения с анионами, которые намного крупнее катионов, например NaCl, обычно образуют структуру ГЦК. Их можно описать ГЦК элементарными ячейками с катионами в октаэдрических дырках.

Кубическая форма сульфида цинка, цинковая обманка, также кристаллизуется в элементарной ячейке FCC, как показано на (Рисунок). Эта структура содержит ионы сульфида в узлах решетки ГЦК-решетки. (Расположение сульфид-ионов идентично расположению хлорид-ионов в хлориде натрия.) Радиус иона цинка составляет всего около 40% от радиуса сульфид-иона, поэтому эти маленькие ионы Zn 2+ расположены в чередующихся тетраэдрических дырках, то есть в одной половине тетраэдрических дырок. В элементарной ячейке четыре иона цинка и четыре иона сульфида, что дает эмпирическую формулу ZnS.

ZnS, сульфид цинка (или цинковая обманка) образует элементарную ячейку ГЦК с ионами сульфида в узлах решетки и ионами цинка гораздо меньшего размера, занимающими половину тетраэдрических отверстий в структуре.

Элементарная ячейка с фторидом кальция, подобная той, что показана на (Рисунок), также является элементарной ячейкой FCC, но в этом случае катионы расположены в узлах решетки; эквивалентные ионы кальция расположены в узлах решетки ГЦК-решетки. Все тетраэдрические позиции в массиве ГЦК ионов кальция заняты ионами фтора. В элементарной ячейке четыре иона кальция и восемь ионов фтора, что дает соотношение кальций: фтор 1: 2 в соответствии с химической формулой CaF 2 .Внимательное изучение (Рисунок) покажет простой кубический массив ионов фтора с ионами кальция в одной половине кубических дырок. Структуру нельзя описать в терминах пространственной решетки точек на фторид-ионах, потому что не все фторид-ионы имеют одинаковое окружение. Ориентация четырех ионов кальция относительно ионов фтора различается.

Фторид кальция, CaF 2 , образует элементарную ячейку ГЦК с ионами кальция (зеленый) в узлах решетки и ионами фтора (красный), занимающими все тетраэдрические узлы между ними.

Расчет ионных радиусов

Если мы знаем длину края элементарной ячейки ионного соединения и положение ионов в ячейке, мы можем вычислить ионные радиусы для ионов в соединении, если мы сделаем предположения об индивидуальных формах ионов и контактах.

Расчет ионных радиусов Длина края элементарной ячейки LiCl (NaCl-подобная структура, FCC) составляет 0,514 нм или 5,14 Å. Предполагая, что ион лития достаточно мал, чтобы ионы хлора контактировали, как показано на (Рисунок), рассчитайте ионный радиус для иона хлорида.

Примечание. Единица измерения длины, Å, часто используется для представления размеров в атомном масштабе и эквивалентна 10 −10 м.

Решение На лицевой стороне элементарной ячейки LiCl ионы хлора контактируют друг с другом по диагонали грани:

Нарисовав прямоугольный треугольник на поверхности элементарной ячейки, мы видим, что длина диагонали равна четырем радиусам хлорида (один радиус от каждого углового хлорида и один диаметр, равный двум радиусам, от иона хлорида в центре). грани), поэтому d = 4 r .Из теоремы Пифагора имеем:

, что дает:

Решение этого дает:

Проверьте свои знания Длина края элементарной ячейки KCl (NaCl-подобная структура, FCC) составляет 6,28 Å. Предполагая, что анион-катионный контакт проходит вдоль края ячейки, рассчитайте радиус иона калия. Радиус хлорид-иона составляет 1,82 Å.

Ответ:

Радиус иона калия 1,33 Å.

Важно понимать, что значения ионных радиусов, рассчитанные на основе длин краев элементарных ячеек, зависят от множества предположений, таких как идеальная сферическая форма для ионов, которые в лучшем случае являются приблизительными.Следовательно, такие расчетные значения сами по себе являются приблизительными, и сравнения нельзя зайти слишком далеко. Тем не менее, этот метод оказался полезным для расчета ионных радиусов на основе экспериментальных измерений, таких как рентгеновские кристаллографические определения.

Рентгеновская кристаллография

Размер элементарной ячейки и расположение атомов в кристалле могут быть определены из измерений дифракции рентгеновских лучей на кристалле, называемой рентгеновской кристаллографией. Дифракция — это изменение направления движения электромагнитной волны, когда она встречает физический барьер, размеры которого сопоставимы с размерами длины волны света.Рентгеновские лучи — это электромагнитное излучение с длиной волны, равной расстоянию между соседними атомами в кристаллах (порядка нескольких Å).

Когда пучок монохроматических рентгеновских лучей попадает на кристалл, его лучи рассеиваются во всех направлениях атомами внутри кристалла. Когда рассеянные волны, распространяющиеся в одном направлении, сталкиваются друг с другом, они претерпевают интерференцию , процесс, посредством которого волны объединяются, приводя к увеличению или уменьшению амплитуды (интенсивности) в зависимости от степени, в которой максимумы объединяющихся волн находятся разделены (см. (рисунок)).

Световые волны, занимающие одно и то же пространство, испытывают интерференцию, объединяясь, давая волны большей (а) или меньшей (б) интенсивности, в зависимости от разделения их максимумов и минимумов.

Когда рентгеновские лучи определенной длины волны, λ , рассеиваются атомами в соседних плоскостях кристалла, разделенных расстоянием, d , они могут претерпевать конструктивную интерференцию, когда разница между расстояниями, пройденными двумя волнами до их комбинация представляет собой целочисленный множитель длины волны n .Это условие выполняется, когда угол дифрагированного луча, θ , связан с длиной волны и межатомным расстоянием уравнением:

Это соотношение известно как уравнение Брэгга в честь У. Х. Брэгга, английского физика, который первым объяснил это явление. (Рисунок) иллюстрирует два примера дифрагированных волн от одних и тех же двух кристаллических плоскостей. На рисунке слева изображены волны, дифрагированные под углом Брэгга, приводящие к конструктивной интерференции, а на рисунке справа показана дифракция и под другим углом, который не удовлетворяет условию Брэгга, что приводит к деструктивной интерференции.

Дифракция рентгеновских лучей, рассеянных атомами внутри кристалла, позволяет определить расстояние между атомами. Верхнее изображение показывает конструктивную интерференцию между двумя рассеянными волнами и результирующей дифрагированной волной высокой интенсивности. На нижнем изображении показаны деструктивная интерференция и дифрагированная волна низкой интенсивности.

Посетите этот сайт, чтобы получить более подробную информацию об уравнении Брэгга и симуляторе, который позволяет исследовать влияние каждой переменной на интенсивность дифрагированной волны.

Рентгеновский дифрактометр, такой как изображенный на (Рисунок), может использоваться для измерения углов, под которыми рентгеновские лучи дифрагируют при взаимодействии с кристаллом, как описано ранее. Из таких измерений можно использовать уравнение Брэгга для вычисления расстояний между атомами, как показано в следующем примере упражнения.

(a) В дифрактометре луч рентгеновских лучей попадает на кристаллический материал, создавая (b) картину дифракции рентгеновских лучей, которая может быть проанализирована для определения кристаллической структуры.

Использование уравнения Брэгга В дифрактометре рентгеновские лучи с длиной волны 0,1315 нм использовались для создания дифракционной картины для меди. Дифракция первого порядка ( n = 1) произошла под углом θ = 25,25 °. Определите расстояние между дифрагирующими плоскостями в меди.

Решение Расстояние между плоскостями находится путем решения уравнения Брэгга, = 2 d sin θ , для d .

Это дает:

Проверьте свои знания Кристалл с расстоянием между плоскостями, равным 0,394 нм, дифрагирует рентгеновские лучи с длиной волны 0,147 нм. Каков угол дифракции первого порядка?

Рентгеновский кристаллограф Розалинд Франклин

Открытие структуры ДНК в 1953 году Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном — одно из величайших достижений в истории науки. Они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года вместе с Морисом Уилкинсом, который предоставил экспериментальное доказательство структуры ДНК.Британский химик Розалинд Франклин внесла неоценимый вклад в это грандиозное достижение своей работой по измерению рентгеновских дифракционных изображений ДНК. В начале своей карьеры исследования Франклин структуры углей оказались полезными для британских военных действий. В начале 1950-х годов Франклин и докторант Реймонд Гослинг переключили свое внимание на биологические системы и обнаружили, что ДНК состоит из двух форм: длинного тонкого волокна, образующегося при намокании (тип «B»), и короткого широкого волокна, образующегося при сушке ( введите»).Ее рентгеновские дифракционные изображения ДНК ((Рисунок)) предоставили важную информацию, которая позволила Уотсону и Крику подтвердить, что ДНК образует двойную спираль, и определить детали ее размера и структуры. Франклин также провел новаторское исследование вирусов и РНК, содержащей их генетическую информацию, обнаружив новую информацию, которая радикально изменила совокупность знаний в этой области. После развития рака яичников Франклин продолжала работать до своей смерти в 1958 году в возрасте 37 лет. Среди множества посмертных признаний ее работы, Чикагская медицинская школа Финчского университета медицинских наук изменила свое название на Университет медицины и науки Розалинды Франклин в 2004 году. и приняла изображение ее знаменитого рентгеновского дифракционного изображения ДНК в качестве официального логотипа университета.

На этой иллюстрации показано изображение дифракции рентгеновских лучей, подобное тому, которое Франклин нашла в своем исследовании. (кредит: Национальный институт здоровья)

Ключевые концепции и краткое изложение

Структуры кристаллических металлов и простых ионных соединений можно описать в терминах упаковки сфер. Атомы металла могут упаковываться в гексагональные структуры с плотнейшей упаковкой, кубические структуры с плотнейшей упаковкой, объемно-центрированные структуры и простые кубические структуры. Анионы в простых ионных структурах обычно принимают одну из этих структур, а катионы занимают пространства, оставшиеся между анионами.Маленькие катионы обычно занимают тетраэдрические дырки в плотноупакованном массиве анионов. Катионы большего размера обычно занимают октаэдрические отверстия. Катионы еще большего размера могут занимать кубические дырки в простом кубическом массиве анионов. Структуру твердого тела можно описать, указав размер и форму элементарной ячейки и ее содержимое. Тип структуры и размеры элементарной ячейки могут быть определены путем измерения дифракции рентгеновских лучей.

Ключевые уравнения

Химия: упражнения в конце главы

Опишите кристаллическую структуру железа, которое кристаллизуется с двумя эквивалентными атомами металла в кубической элементарной ячейке.

Структура этой низкотемпературной формы железа (ниже 910 ° C) является объемно-центрированной кубической. В каждом из восьми углов куба находится по одной восьмой атома, а в центре куба — по одному атому.

Опишите кристаллическую структуру Pt, которая кристаллизуется с четырьмя эквивалентными атомами металла в кубической элементарной ячейке.

Какое координационное число атома хрома в объемноцентрированной кубической структуре хрома?

Каково координационное число атома алюминия в гранецентрированной кубической структуре алюминия?

Металлический кобальт кристаллизуется в гексагональной плотноупакованной структуре.Какое координационное число атома кобальта?

Металлический никель кристаллизуется в кубической плотноупакованной структуре. Какое координационное число атома никеля?

Вольфрам кристаллизуется в объемно-центрированной кубической элементарной ячейке с длиной ребра 3,165 Å.

(а) Каков атомный радиус вольфрама в этой структуре?

(б) Рассчитайте плотность вольфрама.

(а) 1,370 Å; (б) 19,26 г / см

Платина (атомный радиус = 1.38 Å) кристаллизуется в кубической плотноупакованной структуре. Рассчитайте длину кромки гранецентрированной кубической элементарной ячейки и плотность платины.

Барий кристаллизуется в объемноцентрированной кубической элементарной ячейке с длиной ребра 5,025 Å

(а) Каков атомный радиус бария в этой структуре?

(б) Рассчитайте плотность бария.

(а) 2,176 Å; (б) 3,595 г / см 3

Алюминий (атомный радиус 1,43 Å) кристаллизуется в кубической плотноупакованной структуре.Рассчитайте длину ребра гранецентрированной кубической элементарной ячейки и плотность алюминия.

Плотность алюминия 2,7 г / см 3 ; кремния 2,3 г / см 3 . Объясните, почему Si имеет более низкую плотность, хотя в нем более тяжелые атомы.

Кристаллическая структура Si показывает, что он менее плотно упакован (координационное число 4) в твердом теле, чем Al (координационное число 12).

Свободное пространство в металле может быть найдено путем вычитания объема атомов в элементарной ячейке из объема ячейки.Вычислите процент свободного пространства в каждой из трех кубических решеток, если все атомы в каждой имеют одинаковый размер и касаются своих ближайших соседей. Какая из этих структур представляет собой наиболее эффективную упаковку? То есть в каких упаковках меньше всего неиспользуемого места?

Сульфид кадмия, иногда используемый художниками в качестве желтого пигмента, кристаллизуется с кадмием, занимая половину тетраэдрических отверстий в плотно упакованном массиве сульфид-ионов. Какая формула сульфида кадмия? Поясните свой ответ.

В массиве с наиболее плотной упаковкой для каждого аниона существуют две тетраэдрические дырки. Если занята только половина тетраэдрических дырок, количество анионов и катионов равно. Формула сульфида кадмия — CdS.

Соединение кадмия, олова и фосфора используется в производстве некоторых полупроводников. Он кристаллизуется с кадмием, занимающим одну четверть тетраэдрических дырок, и оловом, занимающим одну четверть тетраэдрических дырок в плотно упакованном массиве фосфид-ионов.Какая формула соединения? Поясните свой ответ.

Какова формула магнитного оксида кобальта, используемого в записывающих лентах, который кристаллизуется с атомами кобальта, занимающими одну восьмую тетраэдрических дырок и половину октаэдрических дырок в плотно упакованном массиве оксидных ионов?

Соединение, содержащее цинк, алюминий и серу, кристаллизуется с плотнейшей упаковкой сульфид-ионов. Ионы цинка находятся в одной восьмой тетраэдрических дырок, а ионы алюминия — в половине октаэдрических дырок.Какова эмпирическая формула соединения?

Соединение таллия и йода кристаллизуется в виде простого кубического массива иодид-ионов с ионами таллия во всех кубических дырках. Какая формула этого йодида? Поясните свой ответ.

В простом кубическом массиве только одно кубическое отверстие может быть занято катионом для каждого аниона в массиве. Соотношение таллия и йодида должно быть 1: 1; следовательно, формула таллия — TlI.

Какой из следующих элементов реагирует с серой с образованием твердого тела, в котором атомы серы образуют плотноупакованный массив со всеми занятыми октаэдрическими отверстиями: Li, Na, Be, Ca или Al?

Каков массовый процент титана в рутиле, минерале, который содержит титан и кислород, если структуру можно описать как плотнейший массив оксидных ионов с ионами титана в половине октаэдрических отверстий? Какова степень окисления титана?

59.95%; Степень окисления титана +4.

Объясните, почему химически похожие хлориды щелочных металлов NaCl и CsCl имеют разную структуру, тогда как химически разные NaCl и MnS имеют одинаковую структуру.

Поскольку минералы образовались из расплавленной магмы, разные ионы занимали одни и те же участки в кристаллах. Литий часто встречается вместе с магнием в минералах, несмотря на разницу в заряде их ионов. Предложите объяснение.

Оба иона близки по размеру: Mg, 0.65; Ли 0,60. Это сходство позволяет им довольно легко поменяться местами. Разница в заряде обычно компенсируется переключателем Si 4+ на Al 3+ .

Иодид рубидия кристаллизуется с кубической элементарной ячейкой, содержащей иодид-ионы по углам и ион рубидия в центре. Какая формула соединения?

Один из различных оксидов марганца кристаллизуется с кубической элементарной ячейкой, содержащей ионы марганца по углам и в центре.Ионы оксида расположены в центре каждого края элементарной ячейки. Какая формула соединения?

NaH кристаллизуется с той же кристаллической структурой, что и NaCl. Длина ребра кубической элементарной ячейки NaH составляет 4,880 Å.

(a) Рассчитайте ионный радиус H . (Ионный радиус Li + составляет 0,0,95 Å.)

(b) Рассчитайте плотность NaH.

Иодид таллия (I) кристаллизуется с той же структурой, что и CsCl. Длина ребра элементарной ячейки TlI равна 4.20 Å. Рассчитайте ионный радиус TI + . (Ионный радиус I составляет 2,16 Å.)

Кубическая элементарная ячейка содержит ионы марганца по углам и ионы фтора в центре каждого края.

(а) Какова эмпирическая формула этого соединения? Поясните свой ответ.

(б) Каково координационное число иона Mn 3+ ?

(c) Рассчитайте длину края элементарной ячейки, если радиус иона Mn 3+ равен 0.65 А.

(d) Рассчитайте плотность соединения.

Каково расстояние между плоскостями кристалла, которые дифрагируют рентгеновские лучи с длиной волны 1,541 нм под углом θ 15,55 ° (отражение первого порядка)?

Дифрактометр, использующий рентгеновские лучи с длиной волны 0,2287 нм, дает пик дифракции первого порядка для угла кристалла θ = 16,21 °. Определите расстояние между дифрагирующими плоскостями в этом кристалле.

Металл с расстоянием между плоскостями 0.4164 нм дифрагирует рентгеновские лучи с длиной волны 0,2879 нм. Каков угол дифракции для дифракционного пика первого порядка?

Золото кристаллизуется в кубической гранецентрированной элементарной ячейке. Отражение второго порядка (n = 2) рентгеновских лучей для плоскостей, составляющих вершину и основание элементарных ячеек, находится при θ = 22,20 °. Длина волны рентгеновского излучения составляет 1,54 Å. Какова плотность металлического золота?

Когда электрон в возбужденном атоме молибдена падает с L на K-оболочку, испускается рентгеновское излучение.Эти рентгеновские лучи дифрагируют под углом 7,75 ° на плоскостях с разделением 2,64 Å. Какова разница в энергии между оболочкой K и оболочкой L в молибдене в предположении дифракции первого порядка?

1,74 10 4 эВ

Глоссарий

объемно-центрированная кубическая (ОЦК) твердое тело
кристаллическая структура, которая имеет кубическую элементарную ячейку с точками решетки по углам и в центре ячейки
объемно-центрированная кубическая элементарная ячейка
простейший повторяющийся элемент объемно-центрированного кубического кристалла; это куб, содержащий точки решетки в каждом углу и в центре куба
Уравнение Брэгга
уравнение, связывающее углы, под которыми рентгеновские лучи дифрагируют атомами внутри кристалла
координационный номер
Число атомов, ближайших к любому данному атому в кристалле или к центральному атому металла в комплексе
кубическая плотнейшая упаковка (ГКТ)
кристаллическая структура, в которой плоскости плотно упакованных атомов или ионов уложены в виде серии из трех чередующихся слоев с различной относительной ориентацией (ABC)
дифракция
перенаправление электромагнитного излучения, возникающее при встрече с физическим барьером соответствующих размеров
гранецентрированный кубический (FCC) твердый
Кристаллическая структура, состоящая из кубической элементарной ячейки с точками решетки по углам и в центре каждой грани
гранецентрированная кубическая элементарная ячейка
простейший повторяющийся элемент гранецентрированного кубического кристалла; это куб, содержащий точки решетки в каждом углу и в центре каждой грани
Гексагональная плотная упаковка (HCP)
Кристаллическая структура, в которой плотно упакованные слои атомов или ионов уложены в виде серии из двух чередующихся слоев с различной относительной ориентацией (AB)
отверстие
(также междоузлия) пространство между атомами внутри кристалла
изоморфный
с такой же кристаллической структурой
октаэдрическое отверстие
открытое пространство в кристалле в центре из шести частиц, расположенных по углам октаэдра
простая кубическая элементарная ячейка
(также примитивная кубическая элементарная ячейка) элементарная ячейка в простой кубической структуре
простая кубическая структура
кристаллическая структура с кубической элементарной ячейкой с узлами решетки только по углам
пространственная решетка
все точки в кристалле, которые имеют идентичное окружение
четырехгранное отверстие
тетраэдрическое пространство, образованное четырьмя атомами или ионами в кристалле
элементарная ячейка
Наименьшая часть пространственной решетки, которая повторяется в трех измерениях, образуя всю решетку
Рентгеновская кристаллография
экспериментальный метод определения расстояний между атомами в кристалле путем измерения углов, под которыми рентгеновские лучи дифрагируют при прохождении через кристалл

Molecular Crystal — обзор

1 КОНТРАСТ МЕЖДУ МОЛЕКУЛЯРНЫМИ И ИОННЫМИ ТВЕРДЫМИ

Основные различия между кристаллами, состоящими из органических молекул, таких как бензол, и кристаллами, состоящими из ионов, таких как хлорид натрия, привели к различным подходам к их моделирование.Однако эти противоположные методы необходимо объединить для моделирования многих неорганических систем, которые включают как ковалентные, так и ионные связи. Актуальный пример — био-неорганические поверхности раздела, где ковалентно связанные органические соединения взаимодействуют с ионными твердыми веществами.

Структуры ионных твердых тел можно понять с точки зрения упаковки сфер, тогда как молекулярные кристаллы являются результатом упаковки различных форм. Лишь несколько простых многоатомных молекул имеют даже приблизительно сферическую форму; больше молекул пластинчато, но большинство органических молекул имеют очень неправильную форму.Эти формы кристаллизуются в плотноупакованные структуры с отношением молекулярного объема к объему элементарной ячейки 0,7 ± 0,05 для подавляющего большинства структур органических кристаллов (Перцин, Китайгородский, 1987), что приближается к эффективности упаковки твердых сфер (0,74 ). Этот принцип плотной упаковки может почти определять кристаллическую структуру многих органических соединений неправильной формы. Действительно, основополагающий принцип молекулярной кристаллографии, выдвинутый Китайгородским (1973), заключается в том, что «выступы одной молекулы вставляются в полости других».Он добился значительного прогресса в рационализации кристаллических структур, используя этот принцип «ласточкин хвост» и искателя механической структуры, который использовал модели, заполняющие пространство. Эквивалент для ионных твердых тел, правила отношения радиусов, общеизвестно неэффективны даже для простых бинарных соединений.

Различия в форме приводят к значительным различиям в диапазонах принятых структур, и это меняет вопросы, которые пытается решить компьютерное моделирование. Уже определены многие молекулярные кристаллические структуры; Кембриджская структурная база данных (Allen et al., 1991; Allen and Kennard, 1993) содержит 140 268 кристаллических структур органических и металлоорганических соединений (выпуск от апреля 1995 г.). Различные статистические анализы показывают, что более 90% этих структур содержат только одну независимую молекулу в элементарной ячейке (Бельский и Зоркий, 1977) и что 75% органических структур принадлежат только пяти пространственным группам (Mighell et al. , 1983). . Таким образом, структуры с более чем восемью молекулами в элементарной ячейке встречаются редко, и большинство молекул кристаллизуются с одной, двумя или четырьмя молекулами в элементарной ячейке.Следовательно, обычно нетрудно найти молекулярную упаковку, соответствующую заданному набору размеров ячеек. Целью моделирования молекулярной кристаллической структуры является предсказание размеров элементарной ячейки и упаковки молекулы до ее синтеза.

Предсказание молекулярных кристаллических структур является фундаментальной проблемой в физической химии, которая проверяет как модель сил между молекулами, так и модель кинетических и термодинамических эффектов, контролирующих кристаллизацию. Это имеет практическое значение при разработке новых материалов.Например, молекула с высоким нелинейным оптическим коэффициентом будет поддерживать это желаемое свойство в кристалле только в том случае, если она упаковывается в нецентросимметричной пространственной группе. Многие органические молекулы могут кристаллизоваться в более чем одной форме, и разные полиморфы обладают разными физическими свойствами, такими как растворимость или легкость таблетирования. Полиморфизм может принимать разные формы; это может быть результатом различных конформаций молекулы в кристалле или включения различных молекул растворителя в кристаллическую структуру, а также просто различных упаковок идентичных молекул, относительная стабильность которых зависит от условий температуры и давления.Полиморфизм плохо изучен, поскольку часто кажется, что количество известных полиморфов в основном зависит от затраченных экспериментальных усилий. Действительно, часто требуется так много усилий, чтобы убедить новое соединение образовать четко определенные кристаллы, что у немногих химиков-органиков есть мотивация экспериментировать с дальнейшими условиями кристаллизации, чтобы найти новые структуры. Убедительные компьютерные предсказания новых полиморфов могут стать катализатором их открытия. Возникающий патентный закон о различных кристаллических формах лекарств, таких как ранитидин, также будет способствовать систематическому поиску полиморфных кристаллических структур.

Прежде чем теоретики и экспериментаторы смогут понять полиморфизм, мы должны уметь предсказывать известные молекулярные кристаллические структуры. Как и в изучении полярных материалов, описанном в главах 9 и 10, такие исследования состоят из двух компонентов: во-первых, нам нужна реалистичная модель сил между молекулами, а во-вторых, метод моделирования, который найдет все возможные кристаллические структуры. Прогресс наблюдается по обоим направлениям. Модельные потенциалы, которые являются достаточно реалистичными, поскольку минимум энергии решетки находится достаточно близко к экспериментальной структуре, в настоящее время разрабатываются для полярных органических молекул.Эти потенциалы теоретически обоснованы, что дает большую уверенность в оценках энергии решетки для гипотетических структур. Точно так же недавно были предложены различные систематические методы создания гипотетических кристаллических структур в качестве отправных точек для минимизации. Степень, в которой эти методы распространяются на различные типы молекул, неясна, и не было проведено подробных сравнений с методами моделирования отжига, но сочетание этих методов с реалистичными потенциалами должно позволить нам предсказать молекулярные кристаллические структуры на рубеже веков.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Определение структуры и свойств молекулярных кристаллов из первых принципов

КОНСПЕКТ: До недавнего времени было невозможно предсказать структуру молекулярных кристаллов только на основе знания химической формулы составляющей молекулы (молекул). Решение этой проблемы было достигнуто с использованием межмолекулярных силовых полей, рассчитанных из первых принципов. Эти области были разработаны путем расчета энергий взаимодействия молекулярных димеров и тримеров с использованием неэмпирического метода, называемого симметрично адаптированной теорией возмущений (SAPT), основанной на описании мономеров в теории функционала плотности (DFT) [SAPT (DFT)].Для кластеров, содержащих до дюжины или около того атомов, энергии взаимодействия, вычисленные с помощью SAPT (DFT), сопоставимы по точности с результатами лучших методов, основанных на волновых функциях, тогда как первый подход может применяться к системам на порядок больше, чем последний. Фактически, для мономеров с парой десятков атомов SAPT (DFT) занимает примерно столько же времени, сколько и подход надмолекулярного DFT. Чтобы создать силовое поле, вычисления SAPT (DFT) выполняются для большого количества димеров и, возможно, также конфигураций тримеров (точки сетки в межмолекулярных координатах), а энергии взаимодействия затем аппроксимируются аналитическими функциями.Полученные силовые поля можно использовать для определения кристаллических структур и свойств, применяя их в молекулярной упаковке, минимизации энергии решетки и расчетах молекулярной динамики. Таким образом, некоторые из первых успешных определений кристаллических структур были достигнуты из первых принципов, с плотностями кристаллов и параметрами решетки, согласующимися с экспериментальными значениями с точностью до 1%. Свойства кристаллов, полученные с использованием аналогичных процедур, но эмпирические силовые поля, подогнанные к данным кристаллов, имеют типичные ошибки в несколько процентов из-за низкой чувствительности эмпирических подгонок к взаимодействиям, выходящим за рамки взаимодействий ближайших соседей.Подход из первых принципов имеет дополнительные преимущества перед эмпирическим подходом для условных кристаллов и сокристаллов, поскольку эмпирические силовые поля могут быть экстраполированы только на такие случаи. В качестве альтернативы применению SAPT (DFT) в расчетах кристаллической структуры можно использовать сверхмолекулярные энергии взаимодействия DFT в сочетании с энергиями масштабированной дисперсии, вычисленными из простых атом-атомных функций, то есть использовать так называемый подход DFT + D. В то время как стандартные методы DFT не подходят для межмолекулярных взаимодействий, DFT + D работает достаточно хорошо, поскольку поправка на дисперсию используется не только для обеспечения недостающего вклада дисперсии, но и для исправления других недостатков DFT.Последнее устранение ошибок нефизично, и его можно избежать, применив так называемый бездисперсионный функционал плотности, dlDF. В этом случае энергии дисперсии складываются без масштабирования. Метод dlDF + D также является одним из наиболее эффективных методов DFT + D. Подход на основе SAPT (DFT) до сих пор применялся только к кристаллам с жесткими мономерами. Его можно распространить на частично гибкие мономеры, то есть на мономеры, которым разрешено варьировать только несколько внутренних координат. Однако стоимость будет увеличиваться по сравнению с случаями жесткого мономера, поскольку количество узлов сетки увеличивается экспоненциально с увеличением количества размеров.Одним из способов решения этой проблемы является построение силовых полей с приблизительной связью между меж- и внутримономерными степенями свободы. Другой способ — вычислить энергии взаимодействия (и, возможно, силы) «на лету», т.е. на каждом этапе процедуры минимизации энергии решетки. Такой подход был бы чрезмерно дорогим, если бы он заменил аналитические силовые поля на всех этапах процедуры предсказания кристаллов, но его можно использовать для оптимизации нескольких десятков структур-кандидатов, определенных другими методами.

10,6 Структуры решетки в кристаллических твердых телах — химия 2e

10,6 Структуры решетки в кристаллических твердых телах.

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите расположение атомов и ионов в кристаллических структурах
  • Вычислить ионные радиусы, используя размеры элементарной ячейки
  • Объяснить использование измерений дифракции рентгеновских лучей для определения кристаллических структур

Более 90% твердых веществ природного и антропогенного происхождения являются кристаллическими.Большинство твердых веществ образуются с регулярным расположением своих частиц, потому что общее притягивающее взаимодействие между частицами максимизируется, а общая межмолекулярная энергия сводится к минимуму, когда частицы упаковываются наиболее эффективным образом. Регулярное расположение на атомном уровне часто отражается на макроскопическом уровне. В этом модуле мы исследуем некоторые детали структур металлических и ионных кристаллических твердых тел и узнаем, как эти структуры определяются экспериментально.

Структуры металлов

Мы начнем обсуждение кристаллических твердых тел с рассмотрения элементарных металлов, которые относительно просты, поскольку каждый содержит только один тип атомов. Чистый металл — это кристаллическое твердое тело, атомы которого плотно упакованы в повторяющийся узор. Некоторые свойства металлов в целом, такие как их пластичность и пластичность, во многом обусловлены наличием одинаковых атомов, расположенных в правильном порядке. Различные свойства одного металла по сравнению с другим частично зависят от размеров их атомов и особенностей их пространственного расположения.В следующих разделах мы исследуем сходства и различия четырех наиболее распространенных геометрических форм металлических кристаллов.

Элементарные ячейки металлов

Структуру кристаллического твердого вещества, будь то металл или нет, лучше всего описать, рассматривая его простейшую повторяющуюся единицу, которая упоминается как его элементарная ячейка. Элементарная ячейка состоит из узлов решетки, которые представляют расположение атомов или ионов. Вся структура состоит из этой элементарной ячейки, повторяющейся в трех измерениях, как показано на рисунке 10.46. ​​

Фигура 10,46 Элементарная ячейка показывает расположение точек решетки, повторяющихся во всех направлениях.

Давайте начнем наше исследование структуры кристаллической решетки и элементарных ячеек с самой простой структуры и самой простой элементарной ячейки. Чтобы визуализировать это, представьте, что вы берете большое количество одинаковых сфер, таких как теннисные мячи, и равномерно размещаете их в контейнере. Самый простой способ сделать это — создать слои, в которых сферы в одном слое находятся прямо над сферами в слое ниже, как показано на рисунке 10.47. Такое расположение называется простой кубической структурой, а элементарная ячейка называется простой кубической элементарной ячейкой или примитивной кубической элементарной ячейкой.

Фигура 10,47 Когда атомы металла расположены сферами в одном слое непосредственно над или под сферами в другом слое, структура решетки называется простой кубической. Обратите внимание, что сферы соприкасаются.

В простой кубической структуре сферы не упакованы так плотно, как могли бы, и они «заполняют» только около 52% объема контейнера.Это относительно неэффективное устройство, и только один металл (полоний, Po) кристаллизуется в простой кубической структуре. Как показано на рис. 10.48, твердое тело с таким расположением состоит из плоскостей (или слоев), в которых каждый атом контактирует только с четырьмя ближайшими соседями в своем слое; один атом прямо над ним в верхнем слое; и один атом прямо под ним в слое ниже. Число других частиц, с которыми контактирует каждая частица в кристаллическом твердом теле, известно как ее координационное число.Следовательно, для атома полония в простом кубическом массиве координационное число равно шести.

Фигура 10,48 Атом в простой структуре кубической решетки контактирует с шестью другими атомами, поэтому он имеет координационное число шесть.

В простой кубической решетке элементарная ячейка, повторяющаяся во всех направлениях, представляет собой куб, определяемый центрами восьми атомов, как показано на рис. 10.49. Атомы в соседних углах этой элементарной ячейки контактируют друг с другом, поэтому длина края этой ячейки равна двум атомным радиусам или одному атомному диаметру.Кубическая элементарная ячейка содержит только те части этих атомов, которые находятся в ней. Поскольку атом в углу простой кубической элементарной ячейки состоит в общей сложности из восьми элементарных ячеек, только одна восьмая этого атома находится в конкретной элементарной ячейке. А поскольку каждая простая кубическая элементарная ячейка имеет по одному атому в каждом из восьми «углов», в одной простой кубической элементарной ячейке содержится 8 × 18 = 18 × 18 = 1 атом.

Фигура 10,49 Простая элементарная ячейка кубической решетки содержит одну восьмую атома в каждом из восьми углов, так что всего она содержит один атом.

Пример 10,14

Расчет атомного радиуса и плотности металлов, часть 1
Длина ребра элементарной ячейки альфа-полония составляет 336 мкм.

(а) Определите радиус атома полония.

(b) Определите плотность альфа-полония.

Решение
Альфа-полоний кристаллизуется в простой кубической элементарной ячейке:

(a) Два соседних атома По контактируют друг с другом, поэтому длина края этой ячейки равна двум атомным радиусам По: l = 2 r .Следовательно, радиус Po равен r = l2 = 336 pm2 = 168 pm. R = l2 = 336 pm2 = 168 pm.

(b) Плотность определяется как плотность = масса-объем. Плотность = масса-объем. Плотность полония можно определить, определив плотность его элементарной ячейки (масса, содержащаяся в элементарной ячейке, деленная на объем элементарной ячейки). Поскольку элементарная ячейка По содержит одну восьмую атома По в каждом из восьми углов, элементарная ячейка содержит один атом По.

Массу элементарной ячейки По можно найти по формуле:

1 элементарная ячейка Po × 1 атом Po 1 элементарная ячейка Po × 1 моль Po6.022 × 1023 атомов Po × 208,998 г1 моль Po = 3,47 × 10−22g1 элементарная ячейка Po × 1 атом Po1 элементарная ячейка Po × 1 моль Po6,022 × 1023 атомов Po × 208,998 г1 моль Po = 3,47 × 10−22 г

Объем элементарной ячейки По можно найти по:

V = l3 = (336 × 10−10 см) 3 = 3,79 × 10−23 см3 V = l3 = (336 × 10−10 см) 3 = 3,79 × 10−23 см3

(Обратите внимание, что длина края была преобразована из pm в см, чтобы получить обычные единицы объема для плотности.)

Следовательно, плотность Po = 3,471 × 10–22 г3,79 × 10–23 см3 = 9,16 г / см3 Po = 3,471 × 10–22 г3,79 × 10–23 см3 = 9,16 г / см3

Проверьте свои знания
Длина края элементарной ячейки для никеля равна 0.3524 нм. Плотность Ni 8,90 г / см 3 . Кристаллизуется ли никель в виде простой кубической структуры? Объяснять.

Ответ:

Нет. Если бы Ni был простой кубической формы, его плотность определялась бы по формуле:
1 атом Ni × 1 моль Ni6,022 × 1023 атомов Ni × 58,693 г 1 моль Ni = 9,746 × 10–23 г 1 атом Ni × 1 моль Ni6,022 × 1023 атомов Ni × 58,693 г 1 моль Ni = 9,746 × 10–23 г
V = l3 = (3,524 × 10−8 см) 3 = 4,376 × 10−23 см3 V = l3 = (3,524 × 10−8 см) 3 = 4,376 × 10−23 см3
Тогда плотность Ni будет = 9,746 × 10–23 г4,376 × 10–23 см3 = 2,23 г / см3 = 9.746 × 10–23 г 4.376 × 10–23 см3 = 2,23 г / см3
Поскольку фактическая плотность Ni не близка к этой, Ni не образует простой кубической структуры.

Большинство металлических кристаллов являются одним из четырех основных типов элементарных ячеек. А пока мы сосредоточимся на трех кубических элементарных ячейках: простой кубической (которые мы уже видели), объемно-центрированной кубической элементарной ячейке и гранецентрированной кубической элементарной ячейке — все они показаны на рис. 10.50. (Обратите внимание, что на самом деле существует семь различных систем решеток, некоторые из которых имеют более одного типа решетки, всего 14 различных типов элементарных ячеек.Мы оставляем более сложные геометрические формы на потом в этом модуле.)

Фигура 10,50 Кубические элементарные ячейки металлов показывают (на верхних рисунках) расположение узлов решетки и (на нижних рисунках) атомов металлов, расположенных в элементарной ячейке.

Некоторые металлы кристаллизуются в виде кубической элементарной ячейки с атомами во всех углах и атомом в центре, как показано на рис. 10.51. Это называется объемно-центрированным кубическим (ОЦК) твердым телом. Атомы в углах элементарной ячейки ОЦК не контактируют друг с другом, а контактируют с атомом в центре.Элементарная ячейка BCC содержит два атома: по одной восьмой атома в каждом из восьми углов (8 × 18 = 1 (8 × 18 = 1 атом от углов) плюс один атом от центра. Любой атом в этой структуре касается четыре атома в слое над ним и четыре атома в слое под ним. Таким образом, атом в структуре ОЦК имеет координационное число 8.

Фигура 10,51 В объемно-центрированной кубической структуре атомы в определенном слое не касаются друг друга. Каждый атом касается четырех атомов в слое выше и четырех атомов в слое ниже.

Атомы в структурах BCC упакованы намного эффективнее, чем в простой кубической структуре, занимая около 68% от общего объема. Изоморфные металлы со структурой BCC включают K, Ba, Cr, Mo, W и Fe при комнатной температуре. (Элементы или соединения, которые кристаллизуются с одинаковой структурой, считаются изоморфными.)

Многие другие металлы, такие как алюминий, медь и свинец, кристаллизуются в структуре, которая имеет кубическую элементарную ячейку с атомами во всех углах и в центре каждой грани, как показано на рисунке 10.52. Такое расположение называется гранецентрированным кубическим (ГЦК) твердым телом. Элементарная ячейка FCC содержит четыре атома: по одной восьмой атома в каждом из восьми углов (8 × 18 = 1 (8 × 18 = 1 атом от углов) и по половине атома на каждой из шести граней. (6 × 12 = 3 (6 × 12 = 3 атома от граней). Атомы в углах касаются атомов в центрах соседних граней вдоль диагоналей граней куба. Поскольку атомы находятся в одинаковых точках решетки, у них идентичная среда.

Фигура 10.52 Гранецентрированное кубическое твердое тело имеет атомы по углам и, как следует из названия, в центрах граней его элементарных ячеек.

Атомы в системе ГЦК упакованы как можно ближе друг к другу, причем атомы занимают 74% объема. Эта структура также называется кубической плотнейшей упаковкой (CCP). В CCP есть три повторяющихся слоя гексагонально расположенных атомов. Каждый атом контактирует с шестью атомами в своем собственном слое, с тремя в слое выше и с тремя в слое ниже.В этом расположении каждый атом касается 12 ближайших соседей и, следовательно, имеет координационное число 12. Тот факт, что устройства FCC и CCP эквивалентны, может быть не сразу очевиден, но почему они на самом деле являются одной и той же структурой, показано на рисунке 10.53.

Фигура 10,53 Компоновка CCP состоит из трех повторяющихся слоев (ABCABC…) гексагонально расположенных атомов. Атомы в структуре CCP имеют координационное число 12, потому что они контактируют с шестью атомами в своем слое, плюс три атома в слое выше и три атома в слое ниже.Поворачивая перспективу, мы видим, что структура CCP имеет элементарную ячейку с гранью, содержащей атом из слоя A в одном углу, атомы из слоя B по диагонали (в двух углах и в середине лица) и атом из слоя C в оставшемся углу. Это то же самое, что и гранецентрированное кубическое расположение.

Поскольку более тесная упаковка максимизирует общее притяжение между атомами и минимизирует общую межмолекулярную энергию, атомы в большинстве металлов упаковываются таким образом.Мы находим два типа плотнейшей упаковки в простых металлических кристаллических структурах: CCP, с которой мы уже сталкивались, и гексагональная плотнейшая упаковка (HCP), показанная на рис. 10.54. Оба состоят из повторяющихся слоев гексагонально расположенных атомов. В обоих типах второй слой (B) помещается на первый слой (A), так что каждый атом во втором слое контактирует с тремя атомами в первом слое. Третий слой размещается одним из двух способов. В HCP атомы в третьем слое находятся непосредственно над атомами в первом слое (т.е.е., третий слой также относится к типу A), и стопка состоит из чередующихся плотно упакованных слоев типа A и типа B (то есть ABABAB). В CCP атомы в третьем слое не находятся над атомами в любом из первых двух слоев (т. Е. Третий слой относится к типу C), а наложение состоит из чередующихся плотноупакованных слоев типа A, типа B и типа C ( т.е. ABCABCABC ⋯). Около двух третей всех металлов кристаллизуются в плотноупакованных массивах с координационным числом 12. Металлы, которые кристаллизуются в структуре HCP, включают Cd, Co, Li, Mg, Na и Zn, а металлы, которые кристаллизуются в структуре CCP, включают Ag , Al, Ca, Cu, Ni, Pb и Pt.

Фигура 10,54 В обоих типах плотнейшей упаковки атомы упаковываются максимально компактно. Гексагональная плотнейшая упаковка состоит из двух чередующихся слоев (ABABAB…). Плотнейшая кубическая упаковка состоит из трех чередующихся слоев (ABCABCABC…).

Пример 10,15

Расчет атомного радиуса и плотности металлов, часть 2
Кальций кристаллизуется в кубической гранецентрированной структуре. Длина ребра его элементарной ячейки составляет 558,8 мкм.

(а) Каков атомный радиус Са в этой структуре?

(b) Рассчитайте плотность Ca.

Решение

(a) В структуре ГЦК атомы Са контактируют друг с другом по диагонали грани, поэтому длина диагонали равна четырем атомным радиусам Са (d = 4 r ). Два смежных ребра и диагональ грани образуют прямоугольный треугольник, длина каждой стороны которого равна 558,8 пм, а длина гипотенузы равна четырем атомным радиусам Са:

a2 + a2 = d2⟶ (558,8pm) 2+ (558,5pm) 2 = (4r) 2a2 + a2 = d2⟶ (558,8pm) 2+ (558,5pm) 2 = (4r) 2

Решение дает r = (558.8pm) 2+ (558,5pm) 216 = 197,6 pm для радиуса Ca. r = (558,8pm) 2+ (558,5pm) 216 = 197,6 pm для радиуса Ca.

(b) Плотность определяется как плотность = масса-объем. Плотность = масса-объем. Плотность кальция можно определить, определив плотность его элементарной ячейки: например, массу, содержащуюся в элементарной ячейке, деленную на объем элементарной ячейки. Гранецентрированная элементарная ячейка Са имеет одну восьмую атома на каждом из восьми углов (8 × 18 = 1 (8 × 18 = 1 атом) и половину атома на каждой из шести граней 6 × 12 = 36 × 12 = 3 атома), всего четыре атома в элементарной ячейке.

Массу элементарной ячейки можно найти по:

1 элементарная ячейка Ca × 4 атома Ca 1 элементарная ячейка Ca × 1 моль Ca6,022 × 1023 атомов Ca × 40,078 г 1 моль Ca = 2,662 × 10−22 г

Объем элементарной ячейки Са можно найти по:

V = a3 = (558,8 × 10−10 см) 3 = 1,745 × 10−22 см3 V = a3 = (558,8 × 10−10 см) 3 = 1,745 × 10−22 см3

(Обратите внимание, что длина края была преобразована из pm в см, чтобы получить обычные единицы объема для плотности.)

Тогда плотность Ca = 2.662 × 10–22 г 1,745 × 10–22 см3 = 1,53 г / см3 Ca = 2,662 × 10–22 г 1,745 × 10–22 см3 = 1,53 г / см3

Проверьте свои знания
Серебро кристаллизуется в структуре FCC. Длина ребра его элементарной ячейки 409 мкм.

(а) Каков атомный радиус Ag в этой структуре?

(б) Рассчитайте плотность Ag.

Ответ:

(а) 144 пм; (б) 10,5 г / см 3

В общем, элементарная ячейка определяется длиной трех осей ( a , b и c ) и углами ( α , β и γ ) между ними, как проиллюстрировано на рисунке 10.55. Оси определяются как длины между точками пространственной решетки. Следовательно, оси элементарной ячейки соединяют точки с идентичной средой.

Фигура 10,55 Элементарная ячейка определяется длиной трех ее осей ( a , b и c ) и углами ( α , β и γ ) между осями.

Существует семь различных систем решеток, некоторые из которых имеют более одного типа решетки, всего четырнадцать различных элементарных ячеек, которые имеют форму, показанную на рисунке 10.56.

Фигура 10,56 Существует семь различных систем решеток и 14 различных элементарных ячеек.

Структуры ионных кристаллов

Ионные кристаллы состоят из двух или более различных типов ионов, которые обычно имеют разные размеры. Упаковка этих ионов в кристаллическую структуру более сложна, чем упаковка атомов металла того же размера.

Большинство одноатомных ионов ведут себя как заряженные сферы, и их притяжение для ионов противоположного заряда одинаково во всех направлениях.Следовательно, стабильные структуры для ионных соединений возникают (1), когда ионы одного заряда окружены как можно большим количеством ионов противоположного заряда, и (2) когда катионы и анионы контактируют друг с другом. Структуры определяются двумя основными факторами: относительными размерами ионов и соотношением количества положительных и отрицательных ионов в соединении.

В простых ионных структурах мы обычно находим анионы, которые обычно больше, чем катионы, расположенные в виде плотноупакованного массива.(Как было замечено ранее, дополнительные электроны, притянутые к одному и тому же ядру, делают анионы крупнее, а меньшее количество электронов, притягиваемых к тому же ядру, делает катионы меньше по сравнению с атомами, из которых они образованы.) Более мелкие катионы обычно занимают один из двух типов дырок ( или пустоты), оставшиеся между анионами. Меньшее из отверстий находится между тремя анионами в одной плоскости и одним анионом в соседней плоскости. Четыре аниона, окружающие это отверстие, расположены по углам тетраэдра, поэтому отверстие называется тетраэдрическим отверстием.Дыра большего размера находится в центре шести анионов (три в одном слое и три в соседнем слое), расположенных в углах октаэдра; это называется октаэдрическим отверстием. На рис. 10.57 показаны оба этих типа отверстий.

Фигура 10,57 Катионы могут занимать два типа дырок между анионами: октаэдрические дырки или тетраэдрические дырки.

В зависимости от относительных размеров катионов и анионов катионы ионного соединения могут занимать тетраэдрические или октаэдрические отверстия, как показано на рисунке 10.58. Относительно небольшие катионы занимают тетраэдрические отверстия, а более крупные — октаэдрические. Если катионы слишком велики, чтобы поместиться в октаэдрические отверстия, анионы могут принять более открытую структуру, такую ​​как простой кубический массив. Тогда более крупные катионы могут занять большие кубические отверстия, что стало возможным благодаря более открытому пространству.

Фигура 10,58 Размер катиона и форма отверстия, занимаемого соединением, напрямую связаны.

Есть две тетраэдрические дырки для каждого аниона в массиве анионов HCP или CCP.Соединение, которое кристаллизуется в виде плотноупакованного массива анионов с катионами в тетраэдрических отверстиях, может иметь максимальное соотношение катион: анион 2: 1; все тетраэдрические отверстия заполнены при этом соотношении. Примеры включают Li 2 O, Na 2 O, Li 2 S и Na 2 S. Соединения с соотношением менее 2: 1 также могут кристаллизоваться в виде плотноупакованного массива анионов с катионами. в тетраэдрических отверстиях, если подходят ионные размеры. Однако в этих соединениях часть тетраэдрических дырок остается вакантной.

Пример 10,16

Заполнение тетраэдральных отверстий
Сульфид цинка является важным промышленным источником цинка, а также используется в качестве белого пигмента в красках. Сульфид цинка кристаллизуется с ионами цинка, занимающими половину тетраэдрических отверстий в плотноупакованном массиве сульфид-ионов. Какая формула сульфида цинка?
Решение
Поскольку на каждый анион (сульфид-ион) приходится две тетраэдрических дырки, и половина этих дырок занята ионами цинка, должно быть 12 × 2,12 × 2, или 1 ион цинка на сульфидный ион.Таким образом, формула ZnS.
Проверьте свои знания
Селенид лития можно описать как плотноупакованный массив ионов селенида с ионами лития во всех тетраэдрических дырках. Какая у него формула селенида лития?

Отношение октаэдрических дырок к анионам в структуре HCP или CCP составляет 1: 1. Таким образом, соединения с катионами в октаэдрических дырках в плотноупакованном массиве анионов могут иметь максимальное соотношение катион: анион 1: 1. Например, в NiO, MnS, NaCl и KH все октаэдрические отверстия заполнены.Отношения менее 1: 1 наблюдаются, когда некоторые из октаэдрических отверстий остаются пустыми.

Пример 10,17

Стехиометрия ионных соединений
Сапфир — это оксид алюминия. Оксид алюминия кристаллизуется с ионами алюминия в двух третях октаэдрических отверстий в плотноупакованном массиве оксидных ионов. Какая формула оксида алюминия?
Решение
Поскольку на каждый анион (оксидный ион) приходится одна октаэдрическая дырка и только две трети этих дырок заняты, отношение алюминия к кислороду должно составлять 2323: 1, что дает Al2 / 3O.Al2 / 3O. Простейшее целочисленное отношение 2: 3, поэтому формула Al 2 O 3 .
Проверьте свои знания
Белый пигмент оксида титана кристаллизуется с ионами титана в половине октаэдрических отверстий в плотноупакованном массиве оксидных ионов. Какая формула оксида титана?

В простом кубическом массиве анионов есть одно кубическое отверстие, которое может быть занято катионом для каждого аниона в массиве. В CsCl и других соединениях с такой же структурой все кубические дырки заняты.Половина кубических дырок занята в SrH 2 , UO 2 , SrCl 2 и CaF 2 .

Различные типы ионных соединений часто кристаллизуются в одной и той же структуре, если относительные размеры их ионов и их стехиометрия (две основные характеристики, определяющие структуру) схожи.

Элементарные ячейки ионных соединений

Многие ионные соединения кристаллизуются с кубическими элементарными ячейками, и мы будем использовать эти соединения, чтобы описать общие особенности ионных структур.

Когда ионное соединение состоит из катионов и анионов одинакового размера в соотношении 1: 1, оно обычно образует простую кубическую структуру. Примером этого является хлорид цезия, CsCl (проиллюстрированный на рисунке 10.59), причем Cs + и Cl имеют радиусы 174 и 181 мкм соответственно. Мы можем представить это как ионы хлорида, образующие простую кубическую элементарную ячейку с ионом цезия в центре; или в виде ионов цезия, образующих элементарную ячейку с ионом хлорида в центре; или в виде простых кубических элементарных ячеек, образованных ионами Cs + , перекрывающими элементарные ячейки, образованные ионами Cl .Ионы цезия и ионы хлора соприкасаются по диагоналям тела элементарных ячеек. Один ион цезия и один ион хлорида присутствуют в элементарной ячейке, что дает стехиометрию 1: 1, требуемую формулой для хлорида цезия. Обратите внимание, что в центре ячейки нет точки решетки, и CsCl не является структурой BCC, потому что ион цезия не идентичен иону хлорида.

Фигура 10,59 Ионные соединения с катионами и анионами аналогичного размера, такие как CsCl, обычно образуют простую кубическую структуру.Их можно описать элементарными ячейками с катионами по углам или анионами по углам.

Мы сказали, что расположение точек решетки произвольно. Это иллюстрируется альтернативным описанием структуры CsCl, в которой узлы решетки расположены в центрах ионов цезия. В этом описании ионы цезия расположены в точках решетки в углах ячейки, а ион хлорида расположен в центре ячейки. Две элементарные ячейки разные, но они описывают идентичные структуры.

Когда ионное соединение состоит из катионов и анионов в соотношении 1: 1, которые значительно различаются по размеру, оно обычно кристаллизуется с помощью элементарной ячейки FCC, как показано на рисунке 10.60. Примером этого является хлорид натрия, NaCl, причем Na + и Cl имеют радиусы 102 и 181 мкм соответственно. Мы можем представить это как ионы хлора, образующие ячейку FCC, причем ионы натрия расположены в октаэдрических отверстиях в середине краев ячейки и в центре ячейки.Ионы натрия и хлора соприкасаются друг с другом по краям ячейки. Элементарная ячейка содержит четыре иона натрия и четыре иона хлорида, что дает стехиометрию 1: 1, требуемую формулой NaCl.

Фигура 10,60 Ионные соединения с анионами, которые намного крупнее катионов, например NaCl, обычно образуют структуру ГЦК. Их можно описать ГЦК элементарными ячейками с катионами в октаэдрических дырках.

Кубическая форма сульфида цинка, цинковая обманка, также кристаллизуется в элементарной ячейке FCC, как показано на рисунке 10.61. Эта структура содержит ионы сульфида в узлах решетки ГЦК-решетки. (Расположение сульфид-ионов идентично расположению хлорид-ионов в хлориде натрия.) Радиус иона цинка составляет всего около 40% от радиуса сульфид-иона, поэтому эти маленькие ионы Zn 2+ расположены в чередование четырехгранных отверстий, то есть в одной половине четырехгранных отверстий. В элементарной ячейке четыре иона цинка и четыре иона сульфида, что дает эмпирическую формулу ZnS.

Фигура 10.61 ZnS, сульфид цинка (или цинковая обманка) образуют элементарную ячейку FCC с ионами сульфида в узлах решетки и гораздо меньшими ионами цинка, занимающими половину тетраэдрических отверстий в структуре.

Элементарная ячейка с фторидом кальция, подобная той, что показана на рисунке 10.62, также является элементарной ячейкой FCC, но в этом случае катионы расположены в узлах решетки; эквивалентные ионы кальция расположены в узлах решетки ГЦК-решетки. Все тетраэдрические позиции в массиве ГЦК ионов кальция заняты ионами фтора.В элементарной ячейке четыре иона кальция и восемь ионов фтора, что дает соотношение кальций: фтор 1: 2 в соответствии с химической формулой CaF 2 . Внимательное изучение рисунка 10.62 покажет простой кубический массив ионов фтора с ионами кальция в одной половине кубических дырок. Структуру нельзя описать в терминах пространственной решетки точек на фторид-ионах, потому что не все фторид-ионы имеют одинаковое окружение. Ориентация четырех ионов кальция относительно ионов фтора различается.

Фигура 10,62 Фторид кальция, CaF 2 , образует элементарную ячейку ГЦК с ионами кальция (зеленый) в узлах решетки и ионами фтора (красный), занимающими все тетраэдрические узлы между ними.

Расчет ионных радиусов

Если мы знаем длину края элементарной ячейки ионного соединения и положение ионов в ячейке, мы можем вычислить ионные радиусы для ионов в соединении, если мы сделаем предположения об индивидуальных формах ионов и контактах.

Пример 10,18

Расчет ионных радиусов
Длина края элементарной ячейки LiCl (NaCl-подобная структура, ГЦК) составляет 0,514 нм или 5,14 Å. Предполагая, что ион лития достаточно мал, чтобы ионы хлора контактировали, как показано на рисунке 10.60, рассчитайте ионный радиус для иона хлорида.

Примечание. Единица измерения длины, Å, часто используется для представления размеров в атомном масштабе и эквивалентна 10 −10 м.

Решение
На лицевой стороне элементарной ячейки LiCl ионы хлора контактируют друг с другом по диагонали грани:

Нарисовав прямоугольный треугольник на поверхности элементарной ячейки, мы видим, что длина диагонали равна четырем радиусам хлорида (один радиус от каждого углового хлорида и один диаметр, равный двум радиусам, от иона хлорида в центре). грани), поэтому d = 4 r .Из теоремы Пифагора имеем:

, что дает:

(0,514 нм) 2+ (0,514 нм) 2 = (4r) 2 = 16r2 (0,514 нм) 2+ (0,514 нм) 2 = (4r) 2 = 16r2

Решение этого дает:

r = (0,514 нм) 2+ (0,514 нм) 216 = 0,182 нм (1,82 Å) для радиуса Cl-. r = (0,514 нм) 2+ (0,514 нм) 216 = 0,182 нм (1,82 Å) для Cl- радиус.
Проверьте свои знания
Длина ребра элементарной ячейки KCl (NaCl-подобная структура, ГЦК) составляет 6,28 Å. Предполагая, что анион-катионный контакт проходит вдоль края ячейки, рассчитайте радиус иона калия.Радиус хлорид-иона составляет 1,82 Å.

Ответ:

Радиус иона калия 1,33 Å.

Важно понимать, что значения ионных радиусов, рассчитанные на основе длин краев элементарных ячеек, зависят от множества предположений, таких как идеальная сферическая форма для ионов, которые в лучшем случае являются приблизительными. Следовательно, такие расчетные значения сами по себе являются приблизительными, и сравнения нельзя зайти слишком далеко. Тем не менее, этот метод оказался полезным для расчета ионных радиусов на основе экспериментальных измерений, таких как рентгеновские кристаллографические определения.

Рентгеновская кристаллография

Размер элементарной ячейки и расположение атомов в кристалле могут быть определены из измерений дифракции рентгеновских лучей на кристалле, называемой рентгеновской кристаллографией. Дифракция — это изменение направления движения электромагнитной волны, когда она встречает физический барьер, размеры которого сопоставимы с размерами длины волны света. Рентгеновские лучи — это электромагнитное излучение с длиной волны, равной расстоянию между соседними атомами в кристаллах (порядка нескольких Å).

Когда пучок монохроматических рентгеновских лучей попадает на кристалл, его лучи рассеиваются во всех направлениях атомами внутри кристалла. Когда рассеянные волны, распространяющиеся в одном направлении, сталкиваются друг с другом, они претерпевают интерференцию , процесс, посредством которого волны объединяются, приводя к увеличению или уменьшению амплитуды (интенсивности) в зависимости от степени, в которой максимумы объединяющихся волн находятся разделены (см. рисунок 10.63).

Фигура 10,63 Световые волны, занимающие одно и то же пространство, испытывают интерференцию, объединяясь, чтобы получить волны большей (а) или меньшей (б) интенсивности, в зависимости от разделения их максимумов и минимумов.

Когда рентгеновские лучи определенной длины волны, λ , рассеиваются атомами в соседних плоскостях кристалла, разделенных расстоянием, d , они могут претерпевать конструктивную интерференцию, когда разница между расстояниями, пройденными двумя волнами до их комбинация представляет собой целочисленный множитель длины волны n . Это условие выполняется, когда угол дифрагированного луча, θ , связан с длиной волны и межатомным расстоянием уравнением:

Это соотношение известно как уравнение Брэгга в честь У.Х. Брэгг, английский физик, первым объяснивший это явление. На рисунке 10.64 показаны два примера дифрагированных волн от одних и тех же двух плоскостей кристалла. На рисунке слева изображены волны, дифрагированные под углом Брэгга, приводящие к конструктивной интерференции, а на рисунке справа показана дифракция и под другим углом, который не удовлетворяет условию Брэгга, что приводит к деструктивной интерференции.

Фигура 10,64 Дифракция рентгеновских лучей, рассеянных атомами внутри кристалла, позволяет определить расстояние между атомами.Верхнее изображение показывает конструктивную интерференцию между двумя рассеянными волнами и результирующей дифрагированной волной высокой интенсивности. На нижнем изображении показаны деструктивная интерференция и дифрагированная волна низкой интенсивности.

Ссылка на обучение

Посетите этот сайт, чтобы получить более подробную информацию об уравнении Брэгга и симуляторе, который позволяет исследовать влияние каждой переменной на интенсивность дифрагированной волны.

Рентгеновский дифрактометр, такой как изображенный на рисунке 10.65, может использоваться для измерения углов, под которыми дифрагируют рентгеновские лучи при взаимодействии с кристаллом, как описано ранее. Из таких измерений можно использовать уравнение Брэгга для вычисления расстояний между атомами, как показано в следующем примере упражнения.

Фигура 10,65 (а) В дифрактометре пучок рентгеновских лучей попадает на кристаллический материал, создавая (б) картину дифракции рентгеновских лучей, которая может быть проанализирована для определения кристаллической структуры.

Пример 10.19

Использование уравнения Брэгга
В дифрактометре рентгеновские лучи с длиной волны 0,1315 нм использовались для создания дифракционной картины для меди. Дифракция первого порядка ( n = 1) произошла под углом θ = 25,25 °. Определите расстояние между дифрагирующими плоскостями в меди.
Решение
Расстояние между плоскостями находится путем решения уравнения Брэгга, = 2 d sin θ , для d .

Это дает: d = nλ2sinθ = 1 (0,1315 нм) 2sin (25,25 °) = 0,154 нмd = nλ2sinθ = 1 (0,1315 нм) 2sin (25,25 °) = 0,154 нм

Проверьте свои знания
Кристалл с расстоянием между плоскостями 0,394 нм дифрагирует рентгеновские лучи с длиной волны 0,147 нм. Каков угол дифракции первого порядка?

Портрет химика

Рентгеновский кристаллограф Розалинд Франклин

Открытие структуры ДНК в 1953 году Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном — одно из величайших достижений в истории науки.Они были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года вместе с Морисом Уилкинсом, который предоставил экспериментальное доказательство структуры ДНК. Британский химик Розалинд Франклин внесла неоценимый вклад в это грандиозное достижение своей работой по измерению рентгеновских дифракционных изображений ДНК. В начале своей карьеры исследования Франклин структуры углей оказались полезными для британских военных действий. В начале 1950-х годов Франклин и докторант Реймонд Гослинг переключили свое внимание на биологические системы и обнаружили, что ДНК состоит из двух форм: длинного тонкого волокна, образующегося при намокании (тип «B»), и короткого широкого волокна, образующегося при сушке ( введите»).Ее рентгеновские дифракционные изображения ДНК (рис. 10.66) предоставили важную информацию, которая позволила Уотсону и Крику подтвердить, что ДНК образует двойную спираль, и определить детали ее размера и структуры. Франклин также провел новаторское исследование вирусов и РНК, содержащей их генетическую информацию, обнаружив новую информацию, которая радикально изменила совокупность знаний в этой области. После развития рака яичников Франклин продолжала работать до своей смерти в 1958 году в возрасте 37 лет. Среди множества посмертных признаний ее работы, Чикагская медицинская школа Финчского университета медицинских наук изменила свое название на Университет медицины и науки Розалинды Франклин в 2004 году. и приняла изображение ее знаменитого рентгеновского дифракционного изображения ДНК в качестве официального логотипа университета.

Фигура 10,66 На этой иллюстрации показано изображение дифракции рентгеновских лучей, подобное тому, которое Франклин нашла в своем исследовании. (Источник: Национальные институты здравоохранения)

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

2015-2019 © Игровая комната «Волшебный лес», Челябинск
тел.:+7 351 724-05-51, +7 351 777-22-55 игровая комната челябинск, праздник детям челябинск