Тверді речовини зазвичай мають кристалічну будову. Воно характеризується правильним розташуванням частинок у певних точках простору. При уявному з'єднанні цих точок прямими лініями, що перетинаються, утворюється просторовий каркас, який називають кристалічною решіткою.
Крапки, в яких розміщені частинки, називаються вузлами кристалічних ґрат. У вузлах уявної решітки можуть бути іони, атоми або молекули. Вони здійснюють коливальні рухи. З підвищенням температури амплітуда коливань зростає, що проявляється у тепловому розширенні тіл.
Залежно від виду частинок і характеру зв'язку між ними розрізняють чотири типи кристалічних ґрат: іонні, атомні, молекулярні та металеві.
Кристалічні ґрати, що складаються з іонів, називаються іонними . Їх утворюють речовини з іонним зв'язком. Прикладом може служити кристал хлориду натрію, у якому, як зазначалося, кожен іон натрію оточений шістьма хлорид-ионами, кожен хлорид-ион — шістьма іонами натрію. Такому розташуванню відповідає найбільш щільна упаковка, якщо іони у вигляді куль, розміщених у кристалі. Дуже часто кристалічні решітки зображають, як показано на рис, де вказується лише взаємне розташування частинок, але їх розміри.
Число найближчих сусідніх частинок, що примикають до даної частинки в кристалі або в окремій молекулі, називається координаційним числом.
У ґратах хлориду натрію координаційні числа обох іонів дорівнюють 6. Отже, у кристалі хлориду натрію не можна виділити окремі молекули солі. Їх немає. Весь кристал слід розглядати як гігантську макромолекулу, що складається з рівного числа іонів Na + та Cl - , Na n Cl n , де n - велике число. Зв'язки між іонами у такому кристалі дуже міцні. Тому речовини з іонною решіткою мають порівняно високу твердість. Вони тугоплавки та малолеткі.
Плавлення іонних кристалів призводить до порушення геометрично правильної орієнтації іонів щодо один одного та зменшення міцності зв'язку між ними. Тому розплави проводять електричний струм. Іонні сполуки, як правило, легко розчиняються у рідинах, що складаються з полярних молекул, наприклад, у воді.
Кристалічні грати, у вузлах яких є окремі атоми, називаються атомними . Атоми таких решітках з'єднані між собою міцними ковалентними зв'язками. Прикладом може бути алмаз — одне з модифікацій вуглецю. Алмаз складається з атомів вуглецю, кожен із яких пов'язані з чотирма сусідніми атомами. Координаційна кількість вуглецю в алмазі 4 
. У ґратах алмазу, як і у ґратах хлориду натрію, молекули відсутні. Весь кристал слід як гігантську молекулу. Атомні кристалічні грати характерні для твердого бору, кремнію, германію та сполук деяких елементів з вуглецем і кремнієм.
Кристалічні грати, що складаються з молекул (полярних та неполярних), називаються молекулярними .
Молекули у таких ґратах з'єднані між собою порівняно слабкими міжмолекулярними силами. Тому речовини з молекулярними гратами мають малу твердість і низькі температури плавлення, нерозчинні або малорозчинні у воді, їх розчини майже проводять електричний струм. Число неорганічних речовин з молекулярними ґратами невелике.
Прикладами їх є лід, твердий оксид вуглецю (IV) ("сухий лід"), тверді галогеноводороди, тверді прості речовини, утворені одно- (шляхетні гази), двох- (F 2 , Сl 2 , Br 2 , I 2 , Н 2 , Про 2 , N 2), трьох - (Про 3), чотирьох - (Р 4), восьми - (S 8) атомними молекулами. Молекулярні кристалічні грати йоду показані на рис. 
. Більшість кристалічних органічних сполукмають молекулярну решітку.
Тверді речовини зазвичай мають кристалічну будову. Воно характеризується правильним розташуванням частинок у певних точках простору. При уявному з'єднанні цих точок прямими лініями, що перетинаються, утворюється просторовий каркас, який називають кристалічною решіткою. Крапки, в яких розміщені частинки, називаються вузлами кристалічних ґрат. У вузлах уявної решітки можуть бути іони, атоми або молекули. Вони здійснюють коливальні рухи. З підвищенням температури амплітуда коливань зростає, що проявляється у тепловому розширенні тіл.
Залежно від виду частинок та характеру зв'язку між ними розрізняють 4 види кристалічних ґрат: іонні (NaCl, KCl), атомні, молекулярні та металеві.
Кристалічні грати, що складаються з іонів, називаються іонними. Їх утворюють речовини з іонним зв'язком. Прикладом може бути кристал хлориду натрію, в якому кожен іон натрію оточений 6 хлорид-іонами, а кожен хлорид-іон 6 іонами-натрію.
Кристалічні грати NaCl
Число найближчих сусідніх частинок, що примикають до даної частинки в кристалі або окремій молекулі називається координаційним числом.
У ґратах NaCl координаційні числа обох іонів дорівнюють 6. Отже, у кристалі NaCl не можна виділити окремі молекули солі. Їх немає. Весь кристал слід розглядати як гігантську макромолекулу, що складається з рівного числа іонів Na + та Cl - , Na n Cl n – де n велике число. Зв'язки між іонами у такому кристалі дуже міцні. Тому речовини з іонною решіткою мають порівняно високу твердість. Вони тугоплавки та малолеткі.
Плавлення іонних кристалів призводить до порушення геометрично правильної орієнтації іонів щодо один одного та зменшення міцності зв'язку між ними. Тому розплави проводять електричний струм. Іонні сполуки зазвичай легко розчиняються в рідинах, що складаються з полярних молекул, наприклад, воді.
Кристалічні грати, у вузлах яких є окремі атоми, називаються атомними. Атоми таких решітках з'єднані між собою міцними ковалентними зв'язками. Прикладом може бути алмаз - одне з модифікацій вуглецю. Алмаз складається з атомів вуглецю, кожен із яких пов'язані з 4 сусідніми атомами. Координаційне число вуглецю в алмазі дорівнює 4. Речовини з атомними кристалічними гратами мають високу температуру плавлення (у алмазу понад 3500 про С), міцні і тверді, практично не розчиняються у воді.
Кристалічні грати, що складаються з молекул (полярних та неполярних), називаються молекулярними. Молекули у таких ґратах з'єднані між собою порівняно слабкими міжмолекулярними силами. Тому речовини з молекулярними гратами мають малу твердість і низьку температуру плавлення, нерозчинні або малорозчинні у воді, їх розчини майже проводять електричний струм. Прикладами є лід, твердий СО 2 («сухий лід»), галогени, кристали водню, кисню, азоту, благородних газів та інших.
Валентність
Важливою кількісною характеристикою, що показує кількість взаємодіючих між собою атомів в молекулі, що утворилася, є валентність– властивість атомів одного елемента приєднувати певну кількість атомів інших елементів.
Кількісно валентність визначається кількістю атомів водню, яке цей елемент може приєднувати або замінювати. Так, наприклад, у плавиковій кислоті (HF) фтор одновалентний, в аміаку (NH 3) азот тривалентний, в кремневодні (SiH 4 - силан) кремній чотиривалентний і т.д.
Пізніше з розвитком уявлень про будову атомів валентність елементів стали пов'язувати з числом неспарених електронів(валентних), завдяки яким здійснюється зв'язок між атомами. Таким чином, валентність визначається числом неспарених електронів в атомі, що беруть участь в утворенні хімічного зв'язку (в основному або збудженому стані). У випадку валентність дорівнює числу електронних пар, пов'язують даний атом з атомами інших елементів.
Будь-яка речовина в природі, як відомо, складається з дрібніших частинок. Вони, своєю чергою, пов'язані й утворюють певну структуру, що визначає властивості конкретної речовини.
Атомна властива і виникає при низьких температурах та високому тиску. Власне, саме завдяки такому, метали та ряд інших матеріалів набувають характерної міцності.
Будова таких речовин на молекулярному рівні виглядає як кристалічна решітка, кожен атом у якій пов'язаний зі своїм сусідом найміцнішою сполукою, що існує в природі - ковалентним зв'язком. Всі найдрібніші елементи, що утворюють структури, розташовані впорядковано та з певною періодичністю. Уявляючи собою сітку, в кутах якої розташовані атоми, оточені завжди однаковим числом супутників, атомні кристалічні грати практично не змінюють своєї будови. Загальновідомо, що змінити структуру чистого металу чи металу можна лише нагріваючи його. При цьому температура тим вища, чим міцніші зв'язки у ґратах.
Іншими словами, атомна кристалічна решітка є запорукою міцності та твердості матеріалів. При цьому, однак, варто враховувати, що розташування атомів у різних речовинах може відрізнятися, що, у свою чергу, впливає на ступінь міцності. Так, наприклад, алмаз і графіт, що мають у складі один і той же атом вуглецю, найвищою мірою відрізняються один від одного за показниками міцності: алмаз - на Землі, графіт ж може шаруватися і ламатися. Справа в тому, що в кристалічній решітці графіту атоми розташовані шарами. Кожен шар нагадує бджолину стільнику, в якій атоми вуглецю зчленовані досить слабо. Подібна будова обумовлює шарувате фарбування грифелів олівця: при поломці частини графіту просто відшаровуються. Інша справа - алмаз, кристалічна решітка якого складається з збуджених атомів вуглецю, тобто тих, що здатні утворювати 4 міцні зв'язки. Зруйнувати таке зчленування просто неможливо.
Кристалічні грати металів, крім того, мають певні характеристики:
1. Період ґрат- величина, що визначає відстань між центрами двох поруч розташованих атомів, що вимірюється по ребру грат. Загальноприйняте позначення не відрізняється від цього в математиці: a, b, c - довжина, ширина, висота решітки відповідно. Очевидно, що розміри фігури настільки малі, що відстань вимірюється в найменших одиницях виміру – десятої частки нанометра або ангстремах.
2. К – координаційне число. Показник, що визначає щільність пакування атомів у межах однієї решітки. Відповідно, щільність її тим більше, чим вище число К. За фактом дана цифра являє собою кількість атомів, що знаходяться якомога ближче і на рівній відстані від атома, що вивчається.
3. Базис решітки. Також величина, що характеризує щільність ґрат. Являє собою загальну кількість атомів, які належать конкретному осередку, що вивчається.
4. Коефіцієнт компактностівимірюється шляхом підрахунку загального обсягу решітки, поділеного той обсяг, що займають все атоми у ній. Як і попередні дві, ця величина відображає щільність решітки, що вивчається.
Ми розглянули лише кілька речовин, яким властиві атомні кристалічні грати. Тим більше що, їх безліч. Незважаючи на велику різноманітність, кристалічна атомна решітка включає одиниці, завжди з'єднані за допомогою (полярної або неполярної). Крім того, подібні речовини практично не розчиняються у воді та характеризуються низькою теплопровідністю.
У природі існує три види кристалічних ґрат: кубічна об'ємно-центрована, кубічна гранецентрована, щільноупакована гексагональна.
Каталог завдань.
Екзаменаційні завдання
Пройти тестування за цими завданнями
Повернутись до каталогу завдань
Версія для друку та копіювання в MS Word
Мо-ле-ку-ляр-не будова має
1) оксид кремнію(IV)
2) ніт-рат барію
3) хлор-рід на-трію
4) оксид уг-ле-ро-да(II)
Рішення.
Під будовою речовини розуміють, з яких частинок молекул, іонів, атомів побудовано його кристалічні грати. Немолекулярну будову мають речовини з іонними та металевими зв'язками. Речовини, молекулах яких атоми з'єднані ковалентними зв'язками можуть мати молекулярні і атомні кристалічні решітки. Атомні кристалічні грати: С (алмаз, графіт), Si, Ge, B, SiO 2 , SiC (карборунд), BN, Fe 3 C, TaC, червоний та чорний фосфор. До цієї групи входять речовини, як правило, тверді та тугоплавкі речовини.
Речовини з молекулярною кристалічною решіткою має нижчі температури кипіння, ніж решта речовин. За формулою необхідно визначити тип зв'язку в речовині, а потім визначити тип кристалічних ґрат. Оксид кремнію (IV) - зв'язки ковалентні, речовина тверда, тугоплавка, кристалічна решітка атомна. Нітрат барію та хлорид натрію речовини з іонними зв'язками - кристалічні грати іонні. Оксид вуглецю (II) це газ у молекулі ковалентні зв'язки, отже, це правильна відповідь, кристалічні грати молекулярні.
Відповідь: 4
Джерело: Демонстраційна версія ЄДІ-2012 з хімії.
У твердому вигляді молекулярна будова має
1) оксид кремнію(IV)
2) хлорид кальцію
3) сульфат міді (II)
Рішення.
Під стро-е-ні-єм речовини по-ні-ма-ють, з яких часток мо-ле-кул, іонів, атомів по-стро-е-на його кри-стал-лі -че-ська ре-шет-ка. Не-мо-ле-ку-ляр-не будова мають речовини з іон-ними і ме-тал-лі-че-ськими зв'язками. Речи-ства, в мо-ле-ку-лах ко-то-рих атоми з'є-не-ни ко-ва-стріч-ни-ми зв'яз-ями, можуть мати мо-ле-ку- лярні і атомні кристалічні решітки. Атомні кри-стал-лі-че-ські ре-шет-ки: С (алмаз, гра-фіт), Si, Ge, B, SiO 2 , SiC (кар-бо-рунд), BN, Fe 3 C , TaC, червоний та чорний фос-фор. У цю групу входять речовини, як правило, тверді і ту-плавкі речовини.
Речовини з мо-ле-ку-ляр-ною кри-стал-лі-че-ською ре-шет-кою має нижчі тем-пе-ра-ту-ри ки-пе-ння, ніж всі інші речовини. По фор-му-лі не-об-хо-ді-мо визначити тип зв'язку в речовині, а потім визначити тип кри-стал-лі-ської ре-шет- ки. Оксид кремнію (IV) — зв'язки ко-ва-стріч-ні, речовина тверда, ту-го-плав-ка, кри-стал-лі-че-ська ре-шет-ка атом- ня. Хло-рід каль-ція і суль-фат міді - речовини з іон-ними свя-зя-ми - кри-стал-лі-че-ська ре-шет-ка іон-на. У мо-ле-ку-лі йоду ко-ва-стріч-ні зв'язки, і він легко воз-го-ня-ється, зна-чит, це правильна відповідь, кри-стал-лі-че -ська ре-шет-ка мо-ле-ку-ляр-на.
Відповідь: 4
Джерело: Демонстраційна версія ЄДІ-2013 з хімії.
Іонну кристалічну решітку має
1) оксид уг-ле-ро-да(II)
3) бромід магнію
Рішення.
Не-мо-ле-ку-ляр-ну будову мають речовини з іонними та металевими зв'язками. Речовини, в молекулах яких атоми з'єднані ко-ва-стріч-ними зв'язками можуть мати молекулярні і атомні кристал-лі-че-ські ре-шет-ки. Атомні кри-стал-лі-че-ські ре-шет-ки: С (алмаз, гра-фіт), Si, Ge, B, SiO2, SiC (кар-бо-рунд), BN, Fe3 C, TaC, червоний та чорний фос-фор. У цю групу входять речовини, як правило, тверді і тугоплавкі речовини.
Речовини з молекулярною кристалічною решіткою має більш низькі температури кипенія, ніж всі інші речовини. За формулою необхідно визначити тип зв'язку в речовині, а потім визначити тип кристалічної решітки.
Іонну кристалічну реше-тку має бромід магнію.
При здійсненні багатьох фізичних та хімічних реакційречовина перетворюється на твердий агрегатний стан. При цьому молекули та атоми прагнуть розташуватися в такому просторовому порядку, при якому сили взаємодії між частинками речовини були б максимально збалансовані. Цим і досягається міцність твердої речовини. Атоми, одного разу зайнявши певне становище, здійснюють невеликі коливальні рухи, амплітуда яких залежить від температури, але становище їх у просторі залишається фіксованим. Сили тяжіння та відштовхування врівноважують один одного на певній відстані.
Сучасні уявлення про будову речовини
Сучасна наука стверджує, що атом складається із зарядженого ядра, що несе позитивний заряд, та електронів, що несуть заряди негативні. Зі швидкістю кілька тисяч трильйонів обертів на секунду електрони обертаються за своїми орбітами, створюючи навколо ядра електронну хмару. Позитивний заряд ядра чисельно дорівнює негативному заряду електронів. Таким чином, атом речовини залишається електрично нейтральним. Можливі взаємодії коїться з іншими атомами відбуваються тоді, коли електрони від'єднуються від рідного атома, цим порушуючи електричний баланс. В одному випадку атоми вишиковуються в певному порядку, який і називається кристалічною решіткою. В іншому - за рахунок складної взаємодії ядер та електронів з'єднуються у молекули різного виду та складності.
Визначення кристалічних ґрат
У сукупності різні типи кристалічних ґрат речовин є сітки з різною просторовою орієнтацією, у вузлах яких розташовуються іони, молекули або атоми. Це стабільне геометричне просторове положення і називається кристалічною решіткою речовини. Відстань між вузлами одного кристалічного осередку називається періодом ідентичності. Просторові кути, під якими розташовані вузли комірки, називаються параметрами. За способом побудови зв'язків кристалічні грати можуть бути простими, базоцентрованими, гранецентрованими і об'ємно-центрованими. Якщо частинки речовини розташовані лише в кутах паралелепіпеда, така решітка називається простою. Приклад таких ґрат показаний нижче:
Якщо, крім вузлів, частинки речовини розташовані і в середині просторових діагоналей, така побудова частинок у речовині має назву об'ємно-центрованих кристалічних ґрат. На малюнку цей тип показаний наочно.
Якщо крім вузлів у вершинах грати є вузол і місці, де перетинаються уявні діагоналі паралелепіпеда, перед вами - гранецентрированный тип решітки.
Види кристалічних ґрат
Різні мікрочастинки, з яких складається речовина, визначають різні типи кристалічних ґрат. Вони можуть визначати принцип побудови зв'язку між мікрочастинками усередині кристала. Фізичні типи кристалічних ґрат - іонні, атомні та молекулярні. Сюди ж відносяться різні типи кристалічних ґрат металів. Вивченням принципів внутрішньої будови елементів займається хімія. Типи кристалічних ґрат детальніше представлені нижче.
Іонні кристалічні грати
Дані типи кристалічних ґрат присутні в сполуках з іонним типом зв'язку. У цьому випадку вузли грат містять іони, що володіють протилежним електричним зарядом. Завдяки електромагнітному полю, сили міжіонної взаємодії виявляються досить сильними, і це зумовлює Фізичні властивостіречовини. Звичайними характеристиками є тугоплавкість, щільність, твердість та можливість проводити електричний струм. Іонні типи кристалічних ґрат є у таких речовин, як кухонна сіль, нітрат калію та інші.
Атомні кристалічні ґрати
Цей тип будови речовини притаманний елементам, структуру яких визначає ковалентний хімічний зв'язок. Типи кристалічних ґрат подібного роду містять у вузлах окремі атоми, пов'язані між собою міцними ковалентними зв'язками. Подібний тип зв'язку виникає тоді, коли два однакові атоми "діляться" електронами, тим самим утворюють загальну пару електронів для сусідніх атомів. Завдяки такій взаємодії ковалентні зв'язки рівномірно та сильно пов'язують атоми у певному порядку. Хімічні елементи, які містять атомні типи кристалічних ґрат, мають твердість, високу температуру плавлення, погано проводять електричний струм і хімічно неактивні. Класичними прикладами елементів із подібною внутрішньою будовою можна назвати алмаз, кремній, германій, бор.
Молекулярні кристалічні ґрати
Речовини, що мають молекулярний тип кристалічної решітки, є системою стійких, взаємодіючих, щільноупакованих між собою молекул, які розташовані у вузлах кристалічної решітки. У подібних сполуках молекули зберігають своє просторове положення у газоподібній, рідкій та твердій фазі. У вузлах кристала молекули утримуються слабкими ван-дер-ваальсовими силами, які в десятки разів слабші за сили іонної взаємодії.
Утворюючі кристал молекули можуть бути як полярними, і неполярними. Через спонтанний рух електронів і коливання ядер у молекулах електрична рівновага може зміщуватися - так виникає миттєвий електричний момент диполя. Відповідним чином орієнтовані диполі створюють сили тяжіння у ґратах. Двоокис вуглецю та парафін є типовими прикладами елементів з молекуляними кристалічними ґратами.
Металеві кристалічні грати
Металевий зв'язок гнучкіший і пластичніший за іонний, хоча може здатися, що обидві вони базуються на тому самому принципі. Типи кристалічних ґрат металів пояснюють їх типові властивості - такі, наприклад, як механічна міцність, тепло- і електропровідність, плавність.
Відмінною особливістю металевих кристалічних ґрат є наявність позитивно заряджених іонів металу (катіонів) у вузлах цієї ґрати. Між вузлами знаходяться електрони, які безпосередньо беруть участь у створенні електричного поля навколо ґрат. Кількість електронів, що переміщуються всередині цих кристалічних ґрат, називається електронним газом.
За відсутності електричного поля вільні електрони здійснюють хаотичний рух, безладно взаємодіючи з іонами ґрат. Кожна така взаємодія змінює імпульс і напрямок руху негативно зарядженої частки. Своїм електричним полем електрони притягують себе катіони, врівноважуючи їх взаємне відштовхування. Хоча електрони вважаються вільними, їхньої енергії не вистачає для того, щоб залишити кристалічну решітку, тому ці заряджені частинки постійно знаходяться в її межах.
Присутність електричного поля надає електронному газу додаткової енергії. З'єднання з іонами в кристалічній решітці металів не є міцним, тому електрони легко покидають її межі. Електрони рухаються силовими лініями, залишаючи позаду позитивно заряджені іони.
Висновки
Велике значення вивчення внутрішньої будови речовини приділяє хімія. Типи кристалічних ґрат різних елементів визначають практично весь спектр їх властивостей. Впливаючи на кристали і змінюючи їх внутрішню будову, можна домогтися посилення потрібних властивостей речовини та видалити небажані, перетворювати хімічні елементи. Таким чином, вивчення внутрішньої структури навколишнього світу може допомогти пізнати суть та принципи устрою світобудови.
