Кристаллическая решетка алмаза и другие характеристики

Типы кристаллических решёток — урок. Химия, 8–9 класс

Большинство твёрдых веществ имеет кристаллическое строение, которое характеризуется строго определённым расположением частиц.

Если соединить частицы условными линиями, то получится пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой. Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки.

В узлах воображаемой решётки могут находиться атомы, ионы или молекулы.

В зависимости от природы частиц, расположенных в узлах, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решёток: ионную, металлическую, атомную и молекулярную.

Обратите внимание

Ионными называют решётки, в узлах которых находятся ионы.Их образуют вещества с ионной связью. В узлах такой решётки располагаются положительные и отрицательные ионы, связанные между собой электростатическим взаимодействием. Ионные кристаллические решётки имеют соли, щёлочи, оксиды активных металлов.

Ионы могут быть простые или сложные. Например, в узлах кристаллической решётки хлорида натрия находятся простые ионы натрия Na+ и хлора Cl−, а в узлах решётки сульфата калия чередуются простые ионы калия  K+ и сложные сульфат-ионы SO42−.Связи между ионами в таких кристаллах прочные. Поэтому ионные вещества твёрдые, тугоплавкие, нелетучие.

Такие вещества хорошо растворяются в воде. 

Кристаллическая решётка хлорида натрия

Кристалл хлорида натрия

Металлическими называют решётки, которые состоят из положительных ионов и атомов металла и свободных электронов.

Их образуют вещества с металлической связью. В узлах металлической решётки находятся атомы и ионы (то атомы, то ионы, в которые легко превращаются атомы, отдавая свои внешние электроны в общее пользование).

Такие кристаллические решётки характерны для простых веществ металлов и сплавов.

Температуры плавления металлов могут быть разными (от (–37) °С у ртути до двух-трёх тысяч градусов). Но все металлы имеют характерный металлический блеск, ковкость, пластичность, хорошо проводят электрический ток и тепло.

Металлическая кристаллическая решётка

Металлические изделия

Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы, соединённые ковалентными связями.

Такой тип решётки имеет алмаз — одно из аллотропных видоизменений углерода. К веществам с атомной кристаллической решёткой относятся графит, кремний, бор и германий, а также сложные вещества, например, карборунд SiC и кремнезём, кварц, горный хрусталь, песок, в состав которых входит оксид кремния((IV)) SiO2.

Таким веществам характерны высокая прочность и твёрдость. Так, алмаз является самым твёрдым природным веществом. У веществ с атомной кристаллической решёткой очень высокие температуры плавления и кипения. Например, температура плавления кремнезёма — (1728) °С, а у графита она выше — (4000) °С. Атомные кристаллы практически нерастворимы.

Кристаллическая решётка алмаза

Алмаз

Важно

Молекулярными  называют решётки, в узлах которых находятся молекулы, связанные слабым межмолекулярным взаимодействием.

Несмотря на то, что внутри молекул атомы соединены очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую прочность и твёрдость, низкие температуры плавления и кипения.

Многие молекулярные вещества при комнатной температуре представляют собой жидкости и газы. Такие вещества летучи. Например, кристаллические иод и твёрдый оксид углерода((IV)) («сухой лёд») испаряются, не переходя в жидкое состояние. Некоторые молекулярные вещества имеют запах.

Такой тип решётки имеют простые вещества в твёрдом агрегатном состоянии: благородные газы с одноатомными молекулами  (He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn), а также неметаллы с двух- и многоатомными молекулами (H2,O2,N2,Cl2,I2,O3,P4,S8).

Молекулярную кристаллическую решётку имеют также вещества с ковалентными полярными связями: вода — лёд, твёрдые аммиак, кислоты, оксиды неметаллов. Большинство органических соединений тоже представляют собой молекулярные кристаллы (нафталин, сахар, глюкоза).

Кристаллическая решётка углекислого газа

«Сухой лёд»

Кристаллики иода

Если известно строение вещества, то можно предсказать его свойства.

Попробуем определить, каковы примерно температуры плавления у фторида натрия, фтороводорода и фтора.

У фторида натрия — ионная кристаллическая решётка. Значит, его температура плавления будет высокой. Фтороводород и фтор имеют молекулярные кристаллические решётки.

Поэтому их температуры плавления будут невысокими. Молекулы фтороводорода полярные, а фтора — неполярные.

Совет

Значит, межмолекулярное взаимодействие у фтороводорода будет сильнее, и его температура плавления будет выше по сравнению со фтором.

Экспериментальные данные подтверждают эти предположения: температуры плавления NaF, HF и F2 составляют соответственно (995) °С, (–83) °С,  (–220) °С.

Источники:

Габриелян О. С. Химия. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2013. — 133 с.  

Источник: https://www.yaklass.ru/p/himija/89-klass/stroenie-veshchestva-18844/kristallicheskie-reshetki-61860/re-a6ccb0b0-4b1a-4645-897f-e8a126bdc853

Кристаллическая решетка алмаза, плотность, твердость и свойства

Алмаз — удивительный минерал, тверже, чем гранит, базальт и другие известные науке вещества.

Его уникальные характеристики нашли свое применение в различных сферах хозяйственной деятельности: от приборостроения до ювелирного дела.

Кристаллическая решетка алмаза имеет удивительное строение, благодаря которому этот минерал и стал одним из самых дорогих и востребованных в мире.

Ученые выяснили, из чего состоит удивительный минерал, и как объясняется удивительная твердость минерала, лишь в конце 18-го века. С тех пор предпринимались многочисленные попытки повторить это чудо природы и получить этот уникальный кристалл природного алмаза в лабораторных условиях.

Парадокс состоял в том, что процесс возникновения минерала его структуры и решетки, был уже понят и описан, не хватало лишь технических условий определенного типа. Прогресс науки и изобретение новых лабораторных устройств, привели к тому, что в начале 50 г.

20-го века три страны СССР, ЮАР и США объявили о синтезе искусственных драгоценных камней.

Удивительный камень состоит из атомов углерода, соединенных между собой в пространстве в особом порядке. Порядок расположения атомов вещества называется кристаллической решеткой. Особое расположение частиц, тип решетки и задают плотность алмаза. Любая из ячеек имеет форму куба, поэтому и кристаллическая решетка этого камня названа кубической.

В каждой ячейке атомы углерода расположены в тетраэдрическом порядке. Прочные ковалентные связи между атомами углерода, образованы с помощью перекрывания sp3 гибридных орбиталей этих атомов. Каждый атом связан таким образом с четырьмя другими.

Обратите внимание

Поскольку наивысшая валентность углерода равна четырем, то все возможные связи оказываются занятыми, и стороннее взаимодействие попросту невозможно.

Именно тип кристаллической решетки и объясняет удивительный парадокс — необычайная твердость алмаза, крепче которого не существует в природе.

Известны еще две разновидности кристаллического вещества, состоящие из атомного углерода, это лонсдейлит и графит. Кристалл минерала алмаза значительно тверже своих собратьев. Лонсдейлит встречается лишь в останках метеоритов, а графит можно увидеть на каждом шагу.

Парадокс, но мягкость графита, который легко слоится, и абсолютная твердость алмаза, объясняется лишь разным строением кристаллической решетки. Тип атомов у этих веществ абсолютно одинаков. Все дело в том, что кристаллическая решетка алмаза и графита и различны.

У графита решетка имеет гексагональный характер, частицы углерода расположены слоями, дистанция между которыми превышает расстояние между атомами в одном слое. Этим объясняется и электропроводность графита, и его высокий показатель поглощения света.

Алмаз обладает кубической оксагональной решеткой, которая отвечает за его высокую прозрачность и низкий уровень электропроводности. Расстояние между атомами кристаллической решетки везде имеет одинаковое значение, поэтому прочность этого минерала особенно высока.

В связи с этим кристалл алмаза является хорошим диэлектриком, практически не пропускающим электрический ток.

Кристалл алмаза содержит примеси таких веществ, как алюминий, магний, кремний, кальций, гранит. Часто встречается тип кристаллов с включениями воды, углекислоты и газообразных веществ. Распределение примесей обычно неравномерно, больше всего посторонних включений наблюдается на периферии кристалла.

Важно

Тип кристаллической структуры такой, как алмаз, встречается в строении других элементов 4-ой группы. Однако с увеличением атомной массы расстояние между атомами растет, и прочность ковалентных связей падает. Твердость алмаза объясняется тем, что атомы углерода расположены очень близко друг от друга.

Плотность алмаза составляет 3511 кг на куб. м. Этот минерал — эталон твердости по шкале Мооса, значение его твердости составляет 10 баллов. Гранит, например, имеет плотность 8-9, мрамор — еще меньше. Парадокс алмаза заключается и в том, что при абсолютных значениях твердости, прочность алмаза невелика, он превращается в пыль от резкого удара обычного молотка.

Спайность. Плотность алмаза неравномерна, камень раскалывается по системе плоскостей, параллельных граням кристалла. Такая способность в минералогии называется спайностью.

Правильно выбранный тип плоскости спайности важен при ювелирной обработке, которой подвергается кристалл алмаза — точно выбранные угла раскола отделяют ненужные примеси, дефекты и вкрапления воды и твердых веществ, понижающие стоимость драгоценного камня.

Прозрачность. Структура алмаза позволяет предположить, что это камень должен быть абсолютно прозрачным для видимого света. Парадокс, но алмаз чистой воды не существует, реальные алмазы содержат от 2 до 5% примесей, которые искажают строение кристаллической решетки, делая ее неидеальной.

В последнее время открыта особенность алмаза изменять свой цвет под действием рентгеновского излучения. Облучение заставляет кристалл алмаза излучать свет в синей и зеленой части спектра. Кристаллическая решетка минерала под действием радиоактивности становится рыхлой, ковалентные связи между атомами нарушаются. Алмаз теряет свои показатели прочности и прозрачности.

Парадокс алмаза распространяется так же на его химические показатели. Этот минерал необычайно стоек к воздействию различных кислот, вне зависимости от их температуры. В атмосфере этот кристалл алмаза сгорает при температурах около 1000°С.

При более высоких температурах, порядка 1400°С, в вакуумной среде структура алмаза разрушается, начинается процесс превращения алмаза в графит.

Совет

Точный расчет давления и температуры позволяет избежать образования графита и из углеродной заготовки ученые получают искусственный алмаз.

Читайте также:  Золотые монеты ссср: история и характеристики

Добытый в природе алмаз имеет плоскогранную кристаллографическую форму. Часто встречаются и сложные, комбинированные разновидности. Грани найденных кристаллов обычно покрыты различными наростами и углублениями.

Мнение о том, что алмаз чистой воды всегда бесцветен, ошибочно: в природе встречаются различные цвета этого минерала — красные, желтые, зеленоватые. Существует и парадокс — камни черных или темно-серых тонов. Окраска камня также может быть неравномерной.

Тон окраски и степень ее однородности зависит от различных вкраплений инородных веществ, таких, как гранит, например.

Искусственный алмаз чистой воды высоко ценится в науке, технике, различных сферах производственной деятельности в ювелирном деле. Поэтому доскональное знание особенностей этого минерала, изучение кристаллической решетки алмаза привело к тому, что производство технических алмазов стало новой отраслью промышленности ведущих стран мира.

Источник: http://AzbukaKamnej.ru/dragocennye-kamni/kristallicheskaya-reshetka-almaza-plotnost-tverdost-i-svoystva.html

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 1

Кристаллическая решетка алмаза – атомная ( СЂРёСЃ. 7 – 4, РіР». Тетраэдрическое расположение атомов РЎ РІ ней обусловливает твердость алмаза.  [1]

Кристаллическая решетка алмаза состоит РёР· атомов углерода, соединенных между СЃРѕР±РѕР№ очень прочными ковалентны-РјРё СЃС‚-СЃРІСЏР·СЏРјРё, образованными Р·Р° счет перекрывания Р·СЂ3 – РіРёР±-ридных орбиталей атомов углерода Рё расположенными, следовательно, РІРѕРєСЂСѓРі РЅРёС… РїРѕРґ тетраэдрическими углами.  [2]

Кристаллическая решетка алмаза – атомная ( СЂРёСЃ. V-5, стр. Тетраэдрическое расположение атомов РЎ РІ ней ( СЂРёСЃ. V-6) обусловливает твердость алмаза.  [3]

Элементарная ячейка алмаза.  [4]

Кристаллическая решетка алмаза представляет СЃРѕР±РѕР№ центрированный тетраэдр, который можно отнести Рє кубической системе, так как РѕРЅ вписывается РІ РєСѓР±, Р° макроформа кристаллов алмаза представляет СЃРѕР±РѕР№ модифицированный РєСѓР±.  [5]

Структура кристаллической решетки алмаза кубическая.  [6]

В кристаллической решетке алмаза ( см. разд. �звестны кристаллы алмаза кубической и гексагональной сингоний.

Обратите внимание

Гексагональный алмаз встречается в природе исключительно редко. Кристаллы кубической сингоний обычно имеют форму октаэдров.

�зредка находят алмазы, окрашенные примесями в различные двета, они особенно1 ценятся.

Значительная часть природных кристаллов темные, РѕРЅРё ценятся меньше, чем прозрачные ювелирные алмазы Рё используются РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј для технических целей.  [8]

В кристаллической решетке алмаза ( см. разд. �звестны кристаллы алмаза кубической и гексагональной сингоний.

Обратите внимание

Гексагональный алмаз встречается в природе исключительно редко. Кристаллы кубической сингоний обычно имеют форму октаэдров.

�зредка находят алмазы, окрашенные примесями в различные цвета, они особенно ценятся.

Значительная часть природных кристаллов темные, РѕРЅРё ценятся меньше, чем прозрачные ювелирные алмазы Рё используются РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј для технических целей.  [10]

Р’РѕСЂРѕРЅРѕРіРѕ РІ кристаллической решетке алмаза; РІ, Рі – зигзагообразные упаковки структурных комплексов, упрощенных полиэдров Р’РѕСЂРѕРЅРѕРіРѕ; Рґ – упаковка полиэдров Рї кристаллической решетке алмаза РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ замкнутого РєСЂСѓРіР° РёР· шести атомов; Рµ, Р¶ – упаковки упрощенных полиэдров, приводящие Рє образованию пеитатональных колец; Р· – пентагоиалыюс кольцо; Рё – пентагональный аморфный додекаэдр.  [12]

Важно

Разница в строении кристаллических решеток алмаза и графита и объясняет резкое различие их физических свойств.

 [13]

Важно

Разница в строении кристаллических решеток алмаза и графита и объясняет резкое различие их физических свойств.

Графит очень мягок, он пишет, на бумаге, ибо его слои могуг легко скользить друг относительно друга.

Алмаз – изолятор, РІ нем нет свободных электронов, графит является РїСЂРѕРІРѕРґРЅРёРєРѕРј электрического тока. Алмаз прозрачен, графит сильно поглощает свет.  [14]

Важно

Разница в строении кристаллических решеток алмаза и графита и объясняет резкое различие их физических свойств.

Графит очень мягок, он пишет на бумаге, ибо его слои могут легко скользить друг относительно друга.

Алмаз – изолятор, РІ нем нет свободных электронов, графит является РїСЂРѕРІРѕРґРЅРёРєРѕРј электрического тока. Алмаз прозрачен, графит сильно поглощает свет.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

Источник: https://www.ngpedia.ru/id401891p1.html

Кристаллическая решетка

Твердые кристаллы можно представить как трехмерные конструкции, в которых четко повторяется один и тот же элемент структуры во всех направлениях. Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена ​​их строго закономерным внутренним строением.

 Если центры притяжения атомов, ионов или молекул в кристалле изобразить в виде точек, то получим трехмерное регулярное распределение таких точек, которое называется кристаллической решеткой, а сами точки — узлы кристаллической решетки.

 Определенная внешняя форма кристаллов является следствием их внутренней структуры, которая связана именно с кристаллической решеткой.

Совет

Кристаллическая решетка — это воображаемый геометрический образ для анализа строения кристаллов, который представляет собой объемно-пространственную сетчатую структуру, в узлах которой располагаются атомы, ионы или молекулы вещества.

Для характеристики кристаллической решетки используют следующие параметры:

  1. Энергия кристаллической решетки Екр [КДж / моль] — это энергия, выделяющаяся при образовании 1 моля кристалла из микрочастиц (атомов, молекул, ионов), которые находятся в газообразном состоянии и удалены друг от друга на такое расстояние, что исключается возможность их взаимодействия.
  2. Константа кристаллической решетки d [A0] — наименьшее расстояние между центрами двух частиц в соседних узлах кристаллической решетки, соединенных химической связью.
  3. Координационное число — количество ближайших частиц, окружающих в пространстве центральную частицу и сочетаются с ней химической связью.

Основой кристаллической решетки является элементарная ячейка, которая повторяется в кристалле бесконечное количество раз.

Элементарная ячейка — это наименьшая структурная единица кристаллической решетки, которая обнаруживает все свойства ее симметрии.

Упрощенно элементарную ячейку можно определить как малую часть кристаллической решетки, которая еще выявляет характерные особенности ее кристаллов. Признаки элементарной ячейки описываются с помощью трех правил Бреве :

  • симметрия элементарной ячейки должна соответствовать симметрии кристаллической решетки;
  • элементарная ячейка должна иметь максимальное количество одинаковых ребер а, b, с и одинаковых углов между ними a, b, g. ;
  • при условии соблюдения первых двух правил элементарная ячейка должна занимать минимальный объем.

Для описания формы кристаллов используют систему трех кристаллографических осей а, b, с, которые отличаются от обычных координатных осей тем, что они являются отрезками определенной длины, углы между которыми a, b, g могут быть как прямыми, так и непрямыми.

Модель кристаллической структуры: а) кристаллическая решетка с выделенной элементарной ячейкой; б) элементарная ячейка с обозначениями гранных углов

Форму кристалла изучает наука геометрическая кристаллография, одним из основных положений которой является закон постоянства гранных углов: для всех кристаллов данного вещества углы между соответствующими гранями всегда остаются одинаковыми.

Если взять большое количество элементарных ячеек и заполнить ими плотно друг к другу определенный объем, сохраняя параллельность граней и ребер, то образуется монокристалл идеальной строения. Но на практике чаще всего встречаются поликристаллов, в которых регулярные структуры существуют в определенных пределах, по которым ориентация регулярности резко меняется.

В зависимости от соотношения длин ребер а, b, с и углов a, b, g между гранями элементарной ячейки различают семь систем — так называемых сингоний кристаллов.

 Однако элементарная ячейка может быть построенной и таким образом, что она имеет дополнительные узлы, которые размещаются внутри ее объема или на всех ее гранях — такие решетки называются соответственно объемноцентрированными и гранецентрированными.

 Если дополнительные узлы находятся только на двух противоположных гранях (верхний и нижний), то это базоцентрированная решетка. С учетом возможности дополнительных узлов существует всего 14 типов кристаллических решеток.

Внешняя форма и особенности внутреннего строения кристаллов определяются принципом плотной «упаковки»: наиболее устойчивой, а потому и наиболее вероятной структурой будет такая, которая соответствует наиболее плотному расположению частиц в кристалле и в которой остается наименьшее по объему свободное пространство.

Типы кристаллических решеток

В зависимости от природы частиц, содержащихся в узлах кристаллической решетки, а также от природы химических связей между ними, различаются четыре основных типа кристаллических решеток.

Ионные решетки

Ионные решетки построены из разноименных ионов, расположенных в узлах решетки и связанные силами электростатического притяжения. Поэтому структура ионной кристаллической решетки должна обеспечить ее электронейтральность. Ионы могут быть простыми (Na+, Cl—) или сложными (NH4+, NO3—).

 Вследствие ненасыщенности и ненаправленности ионной связи ионные кристаллы характеризуются большими координационными числами. Так, в кристаллах NaCl координационные числа ионов Na+ и Cl— равна 6, а ионов Cs+ и Cl— в кристалле CsCl — 8, поскольку один ион Cs+ окружен восемью ионами Cl—, а каждый ион — Cl — соответственно восемью ионами Cs+.

 Ионные кристаллические решетки образуются большим количеством солей, оксидов и оснований.

Примеры ионных кристаллических решеток: а) NaCl; б) CsCl

Обратите внимание

Вещества с ионными кристаллическими решетками имеют сравнительно высокую твердость, они достаточно тугоплавкие, нелетучие.

 В отличие от металлов ионные соединения очень хрупкие, поэтому даже небольшой сдвиг в кристаллической решетке приближает друг к другу одноименно заряженные ионы, отталкивания между которыми приводит к разрыву ионных связей и как следствие — к появлению в кристалле трещин или к его разрушению.

 В твердом состоянии вещества с ионной кристаллической решеткой относятся к диэлектрикам и не проводят электрический ток.

 Однако при расплавлении или растворении в полярных растворителях нарушается геометрически правильная ориентировка ионов относительно друг друга, сначала ослабляются, а затем разрушаются химические связи, поэтому меняются и свойства. Как следствие, электрический ток начинают проводить как расплавы ионных кристаллов, так и их растворы.

Читайте также:  Демантоид — камень необычного цвета и свойств

Атомные решетки

Эти решетки  построены из атомов, соединенных между собой ковалентной связью. Они, в свою очередь, делятся на три типа: каркасные, слоистые и цепочечные структуры.

Каркасную структуру имеет, например, алмаз — одно из самых твердых веществ. Благодаря sp3 -гибридизации атома углерода строится трехмерная решетка, которая состоит исключительно из атомов углерода, соединенных ковалентными неполярными связями, оси которых размещаются под одинаковыми валентными углами (109,5o).

Каркасная структура атомной кристаллической решетки алмаза

Слоистые структуры можно рассматривать как огромные двумерные молекулы. Для слоистых структур присущи ковалентные связи внутри каждого слоя и слабое вандерваальсовское взаимодействие между соседними слоями.

Слоистые структуры атомных кристаллических решеток: а) CuCl2 ; б) PbO. На моделях с помощью очертаний параллелепипедов выделены элементарные ячейки

Классическим примером вещества со слоистой структурой является графит, в котором каждый атом углерода находится в состоянии sp2 -гибридизации и образует в одной плоскости три ковалентные s-связи с тремя другими атомами С. Четвертые валентные электроны каждого атома углерода являются негибридизированными, за их счет образуются очень слабые вандерваальсовские связи между слоями.

 Поэтому при приложении даже небольшого усилия, отдельные слои легко начинают скользить друг вдоль друга. Этим объясняется, например, свойство графита писать.

 В отличие от алмаза графит хорошо проводит электричество: под воздействием электрического поля нелокализованные электроны могут перемещаться вдоль плоскости слоев, и, наоборот, в перпендикулярном направлении графит почти не проводит электрического тока.

Слоистая структура атомной кристаллической решетки графита

Цепочечные структуры характерны, например, для оксида серы (SO3)n , киновари HgS,  хлорида бериллия BeCl2, а также для многих аморфных полимеров и для некоторых силикатных материалов, таких, как асбест.

Цепная структура атомной кристаллической решетки HgS: а) проекция сбоку б) фронтальная проекция

Веществ с атомной строением кристаллических решеток сравнительно немного. Это, как правило, простые вещества, образованные элементами IIIА- и IVA-подгрупп (Si, Ge, B, C). Нередко соединения двух разных неметаллов имеют атомные решетки, например, некоторые полиморфные модификации кварца (оксид кремния SiO2 ) и карборунда (карбид кремния SiC).

Все атомные кристаллы отличаются высокой прочностью, твердостью, тугоплавкостью и нерастворимостью практически ни в одном растворителе. Такие свойства обусловлены прочностью ковалентной связи. Вещества с атомной кристаллической решеткой имеют широкий диапазон электрической проводимости от изоляторов и полупроводников до электронных проводников.

Атомные кристаллические решетки некоторых полиморфных модификации карборунда — карбида кремния SiC

Металлические решетки

Эти кристаллические решетки содержат в узлах атомы и ионы металлов, между которыми свободно движутся общие для них всех электроны (электронный газ), которые образуют металлическую связь. Особенность кристаллических решеток металлов заключается в больших координационных числах (8-12), которые свидетельствуют о значительной плотность упаковки атомов металлов.

 Это объясняется тем, что «остовы» атомов, лишены внешних электронов, размещаются в пространстве как шарики одинакового радиуса.

Важно

 Для металлов чаще всего встречаются три типа кристаллических решеток: кубическая гранецентрированная с координационным числом 12 кубическая объемноцентрированная с координационным числом 8 и гексагональная, плотной упаковки с координационным числом 12.

Особые характеристики металлического связи и металлических решеток обусловливают такие важнейшие свойства металлов, как высокие температуры плавления, электро- и теплопроводность, ковкость, пластичность, твердость.

Металлические кристаллические решетки: а) кубическая объемноцентрированная (Fe, V, Nb, Cr) б) кубическая гранецентрированная (Al, Ni, Ag, Cu, Au) в) гексагональная (Ti, Zn, Mg, Cd)

Молекулярные решетки

Молекулярные кристаллические решетки содержат в узлах молекулы, соединенные между собой слабыми межмолекулярными силами — вандерваальсовскими или водородными связями.

 Например, лед состоит из молекул воды, удерживающихся в кристаллической решетке водородными связями.

 К тому же типу относятся кристаллические решетки многих веществ, переведенных в твердое состояние, например: простые вещества Н2, О2, N2, O3, P4, S8, галогены (F2, Cl2, Br2, I2), «сухой лед» СО2, все благородные газы и большинство органических соединений.

Молекулярные кристаллические решетки: а) йод I2 ; б) лед Н2О

Поскольку силы межмолекулярного взаимодействия слабее, чем силы ковалентной или металлической связи, молекулярные кристаллы имеют небольшую твердость; они легкоплавкие и летучие, нерастворимые в воде и не проявляют электропроводности.

Источник: https://www.polnaja-jenciklopedija.ru/nauka-i-tehnika/kristallicheskaya-reshetka.html

Проекты по физике. – Аллотропные формы, сравнение кристаллических решёток алмаза и графита и их свойств

Аллотропные формы, сравнение кристаллических решёток алмаза и графита и их свойств

Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.

Аллотропные модификации углерода по своим свойствам радикально (преимущественно)  отличаются друг от друга.

Классификация аллотропных форм углерода по характеру химической связи между атомами:

  • sp3 формы:
  • sp2 формы:
    • Графит
    • Графены
    • Фуллерены
    • Углеродные нанотрубки
    • Углеродные нановолокна
    • Астралены
    • Стеклоуглерод
    • Колоссальные углеродные трубки
  • sp формы:
  • Смешанные sp3/sp2 формы:
    • Аморфный углерод
    • Углеродные нанопочки
    • Углеродная нанопена
Рис. 3. Восемь аллотропных модификаций углерода: a) алмаз, b) графит, c) лонсдейлит, Фуллерены: d) C60, e) C540, f) C70, g) аморфный углерод, h) однослойная углеродная нанотрубка.

Наиболее подробно рассмотрим кристаллические решётки двух аллотропных форм углерода: алмаза и графита.

Алмаз

Рис. 4. Структура алмаза.

Тип кристаллической решётки: кубическая гранецентрированная. Атомные орбитали углерода в алмазе находятся в состоянии sp³-гибридизации, определяющей отсутствие способности алмаза проводить электрический ток.

 Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Каждый из атомов связан со своими четырьмя ближайшими «соседями», симметрично расположенными по его вершинам (тетраэдра), наиболее «прочной» химической связью — ковалентной.

Именно прочная связь атомов углерода и их вышеописанное положение объясняет высокую твёрдость алмаза.

Графит

Совет

Наиболее термодинамически устойчивой, при нормальных условиях, формой углерода является графит, представляющий собой стопку слабо связанных между собой графеновых листов — плоских решеток из шестиугольных ячеек с атомами углерода в вершинах. Каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими окружающими его атомами углерода, отсюда sp2-гибридизация.

Различают две модификации графита: α-графит (гексагональный) и β-графит (ромбоэдрический). Различаются упаковкой слоёв. У α-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника, а у β-графита каждый четвёртый слой повторяет первый. Ромбоэдрический графит удобно представлять в гексагональных осях, чтобы показать его слоистую структуру.

Рис. 5. Структура α-графита.

β-графит в чистом виде не наблюдается, так как является метастабильной фазой. Однако в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может достигать 30 %. При температуре 2500-3300 К ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.

Рис. 6. Структура β-графита.

В отличие от алмаза, графит обладает низкой твёрдостью, способен проводить электричество, относительно мягкий. После воздействия высоких температур становится немного тверже, и очень хрупким. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах).

К содержанию.

Источник: http://fizik-school11.ucoz.ru/index/allotropnye_formy_sravnenie_kristallicheskikh_reshjotok_almaza_i_grafita_i_ikh_svojstv/0-34

Кристаллические решетки в химии

Содержание:

  • Определение кристаллической решетки
  • Виды кристаллических решеток
  • Ионная кристаллическая решетка
  • Атомная кристаллическая решетка
  • Молекулярная кристаллическая решетка
  • Металлическая кристаллическая решетка
  • Кристаллические решетки, видео
  • Определение кристаллической решетки

    Как мы знаем, все материальные вещества могут пребывать в трех базовых состояниях: жидком, твердом, и газообразном. Правда есть еще состояние плазмы, которое ученые считают ни много ни мало четвертым состоянием вещества, но наша статья не о плазме.

    Твердое состояние вещества потому твердое, так как имеет особую кристаллическую структуру, частицы которой находятся в определенном и четко заданном порядке, создавая, таким образом, кристаллическую решетку.

    Строение кристаллической решетки состоит из повторяющихся одинаковых элементарных ячеек: атомов, молекул, ионов, других элементарных частиц, связанных между собой различными узлами.

    Виды кристаллических решеток

    В зависимости от частиц кристаллической решетки существует четырнадцать типов оной, приведем наиболее популярные из них:

    • Ионная кристаллическая решетка.
    • Атомная кристаллическая решетка.
    • Молекулярная кристаллическая решетка.
    • Металлическая кристаллическая решетка.

    Далее более подробно опишем все типы кристаллической решетки.

    Ионная кристаллическая решетка

    Главной особенностью строения кристаллической решетки ионов являются противоположные электрические заряды, собственно, ионов, вследствие чего образуется электромагнитное поле, определяющее свойства веществ, имеющих ионную кристаллическую решетку. А это тугоплавкость, твердость, плотность и возможность проводить электрический ток. Характерным примером ионной кристаллической решетки может быть поваренная соль.

    Атомная кристаллическая решетка

    Вещества с атомной кристаллической решеткой, как правило, имеют в своих узлах, состоящих собственно из атомов сильные ковалентные связи. Ковалентная связь происходит, когда два одинаковых атома делятся друг с другом по-братски электронами, образуя, таким образом, общую пару электронов для соседних атомов.

    Из-за этого ковалентные связи сильно и равномерно связывают атомы в строгом порядке – пожалуй, это самая характерная черта строения атомной кристаллической решетки. Химические элементы с подобными связями могут похвастаться своей твердостью, высокой температурой плавления.

    Атомную кристаллическую решетку имеют такие химические элементы как алмаз, кремний, германий, бор.

    Молекулярная кристаллическая решетка

    Молекулярный тип кристаллической решетки характеризуется наличием устойчивых и плотноупакованных молекул. Они располагаются в узлах кристаллической решетки.

    В этих узлах они удерживаются такими себе вандервальсовыми силами, которые в десять раз слабее сил ионного взаимодействия.

    Ярким примером молекулярной кристаллической решетки является лед – твердое вещество, имеющее однако свойство переходить в жидкое – связи между молекулами кристаллической решетки совсем слабенькие.

    Читайте также:  Камень близнецов: выбираем талисман по гороскопу

    Металлическая кристаллическая решетка

    Тип связи металлической кристаллической решетки гибче и пластичнее ионной, хотя внешне они весьма похожи. Отличительной особенностью ее является наличие положительно заряженных катионов (ионов метала) в узлах решетки.

    Между узлами живут электроны, участвующие в создании электрического поля, эти электроны еще называются электрическим газом.

    Наличие такой структуры металлической кристаллической решетки объясняет ее свойства: механическую прочность, тепло и электропроводность, плавкость.

    Кристаллические решетки, видео

    И в завершение подробное видео пояснения о свойствах кристаллических решеток.

    Эта статья доступна на английском — Crystal Lattice in Chemistry.

    Источник: http://www.poznavayka.org/himiya/kristallicheskie-reshetki-v-himii/

    CVD алмаз и алмазная электроника

    Алмаз — это аллотропная модификация углерода, под которой понимается существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам. Исторически в природе существовало две основные аллотропии углерода — монокристаллический алмаз и графит.

    С появлением нанотехнологий были синтезированы новые аллотропные модификации углерода: фуллерены, нанотрубки, графеновые двумерные плоскости — и продолжают возникать новые варианты.

    Существующее на сегодня большое количество модификаций углерода, закрывающих весь диапазон от металлического состояния вещества до диэлектрического, позволяет говорить о том, что мы входим в эру углеродной электроники, где все элементы схемы могут быть выполнены на основе одного элемента — углерода.

    Кристаллическая решетка алмаза Кристаллическая решетка графита

    Кристаллическая структура алмаза выглядит следующим образом. Углерод 612C — элемент четвертой группы Периодической Системы, он имеет электронную конфигурацию внешних орбиталей 2s22p2.

    Для сравнения, наиболее интенсивно используемый в современной электронике кремний Si является элементом той же подгруппы и имеет аналогичную электронную конфигурацию — 3s23p2.

    У алмаза, как и у кремния, на внешней орбитали находится четыре валентных электрона, и поскольку энергии этих электронных состояний очень близки по своим значениям, как правило, возникает sp3-гибридизация, когда все орбитали приобретают одинаковый вид, располагаясь в виде тетраэдра. Углы между ковалентными связями составляют 109.5°.

    sp3-гибридизация электронных орбиталей атома алмаза

    Уникальные свойства алмаза

    • Наибольшая твердость (в 10 раз больше кварца, в 5 раз больше корунда).
    • Низкий коэффициент сухого трения (~ 0.1-0.02).
    • Химически инертен (не взаимодействует с самыми сильными кислотами и щелочами).
    • Биологически инертен.
    • Высокий модуль упругости (1,2·1012 Н/м2), большая скорость распространения звука (17,5 км/с).
    • Наибольшая теплопроводность при комнатной температуре (2000 Вт/м·К).
    • Низкий коэффициент теплового расширения при комнатной температуре (10-6 К).
    • Высокая оптическая прозрачность в широкой области от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазона.
    • Низкая величина поглощения микроволнового излучения .
    • Хорошие электроизоляционные свойства (удельное сопротивление при комнатной температуре 1013 Ом·см, напряжение пробоя ~ 107 В/см.
    • Полупроводник с шириной запрещенной зоны 5.4 эВ, может быть легирован.

    Почему алмаз редко встречается в природе:

    • При нагреве на воздухе до 850-1000°С сгорает
    • При нагреве без кислорода выше 1200-1500°С превращается в графит

    Фазовая диаграмма алмаза Метастабильное (алмаз) и стабильное (графит) состояния углерода при нормальных условиях

    Алмазы в природе

    Карьер в Кимберли (ЮАР) «Кимберлитовая трубка»

    Добыча алмазов в Канаде Кимберлит

    Добыча алмазов в Южной Африке

    Трубка Удачная Необработанные алмазы

    Искусственные алмазы

    Метод первый: копируем природу — высокие давления и высокие температуры. Давление 50 000 – 80 000 атмосфер, Температура 1 600 – 2 500°С

    Взрыв (Nature Nanotechnology 7, 11–23 (2012)) Сильное сжатие (diamondlab.org)

    Luoyang Qiming Superhard Material Co., Китай, Кубические прессы Gemesis Inc., США

    Институт геологии и минералогии им. В.С.Соболева СО РАН БАРС – Беспрессовая Аппаратура высокого давления Образцы алмазов

    Искусственные алмазы, метод второй: неравновесный рост алмазов.

    Химическое осаждение из газовой фазы (CVD – Chemical vapor deposition). Давление Спицын Б.В., Дерягин Б.В. «Способ наращивания граней алмаза», 1956
    Дерягин Б. В., Федосеев Д. В. Рост алмаза и графита из газовой фазы. М.: Наука, 1977.

    Схема выращивания алмаза из газовой фазы

    Типы CVD реакторов.

    С горячей нитью (Hot Filament)

    sp3 Diamond Technologies

    В пламени (Combustion Torch)

    Oklahoma State University, 1996

    В плазматроне (Arc jet, Plasma Torch)

    Bristol University CVD Diamond Group

    В плазме микроволнового разряда (Microwave-plasma assisted)

    Схема реактора Фотография плазмы

    Теория CVD метода выращивания алмазов

    Электрический разряд в газе, основные процессы:

    Ионизация — образование свободных электронов и ионов e + M → M+ + e + e Рекомбинация — присоединение электрона к иону

    Источник: http://www.vshopf.unn.ru/about/sciencework/cvd.php

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

    Главная / Теория для подготовки к ЕГЭ / 1.3.3. Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решётки. Зависимость свойств веществ от их состава и строения.

    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.

    Обратите внимание

    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.

    Источник: https://scienceforyou.ru/teorija-dlja-podgotovki-k-egje/tipy-kristallicheskih-reshetok

    Ссылка на основную публикацию