Типи кристалічних решіток. Типи кристалічних решіток металів
При здійсненні багатьох фізичних і хімічних реакцій речовина переходить в твердий агрегатний стан. При цьому молекули й атоми прагнуть розташуватися у 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 положення, роблять невеликі коливальні рухи, амплітуда яких залежить від температури, але становище їх у просторі залишається фіксованим. Сили тяжіння і відштовхування врівноважують один одного на певній відстані.
Сучасні уявлення про будову речовини
Сучасна наука стверджує, що атом складається з зарядженого ядра, що несе позитивний заряд, і електронів, несучих заряди негативні. Зі швидкістю кілька тисяч трильйонів оборотів в секунду електрони обертаються по своїх орбітах, створюючи навколо ядра електронне хмара. Позитивний заряд ядра чисельно дорівнює негативному заряду електронів. Таким чином, атом речовини залишається електрично нейтральним. Можливі взаємодії з іншими атомами відбуваються тоді, коли електрони від'єднуються від рідного атома, тим самим порушуючи електричний баланс. В одному випадку атоми шикуються в певному порядку, який і називається кристалічною решіткою. В іншому - за рахунок складної взаємодії ядер і електронів з'єднуються в молекули різного виду та складності.
Визначення кристалічної решітки
У сукупності різні типи кристалічних решіток речовин являють собою 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 однієї кристалічної комірки називається періодом ідентичності. Просторові кути, під якими розташовані вузли осередки, називаються параметрами. За способом побудови зв'язків кристалічні решітки можу бути простими, базоцентрірованнимі, гранецентрированную та об'ємно-центрованими. Якщо частинки речовини розташовані лише в кутах паралелепіпеда, така решітка називається простою. Приклад такої решітки показаний нижче:
Якщо, крім вузлів, частинки речовини розташовані і в середині просторових діагоналей, то така побудова частинок в речовині має назву об'ємно-центрованої кристалічної решітки. На малюнку цей тип показаний наочно.
Якщо крім вузлів у вершинах решітки є вузол і в місці, де перетинаються уявні діагоналі паралелепіпеда, то перед вами - гранецентрированний тип решітки.
Види кристалічних решіток
Різні мікрочастинки, з яких складається речовина, визначають різні типи кристалічних решіток. Вони можуть визначати принцип побудови зв'язку між мікрочастинками всередині кристалу. Фізичні типи кристалічних решіток - іонні, атомні і молекулярні. Сюди ж відносяться різні типи кристалічних решіток металів. Вивченням принципів внутрішньої будови елементів займається хімія. Типи кристалічних решіток докладніше представлені нижче.
Іонні кристалічні решітки
Дані типи кристалічних решіток присутні в сполуках з іонним типом зв'язку. У цьому випадку вузли решітки містять іони, що володіють протилежним електричним зарядом. Завдяки електромагнітному полю, сили межіонного взаємодії виявляються досить сильними, і це зумовлює фізичні властивості речовини. Звичайними характеристиками є тугоплавкість, щільність, твердість і можливість проводити електричний струм. Іонні типи кристалічних решіток є у таких речовин, як кухонна сіль, нітрат калію та інші.
Атомні кристалічні решітки
Цей тип будови речовини притаманний елементам, структуру яких визначає ковалентний хімічний зв'язок. Типи кристалічних решіток подібного роду містять у вузлах окремі атоми, зв'язані між собою міцними ковалентними зв'язками. Подібний тип зв'язку виникає тоді, коли два однакових атома «діляться» електронами, тим самим утворюють загальну пару електронів для сусідніх атомів. Завдяки такій взаємодії ковалентні зв'язки рівномірно і сильно пов'язують атоми в певному порядку. Хімічні елементи, які містять атомні типи кристалічних решіток, володіють твердістю, високою температурою плавлення, погано проводять електричний струм і хімічно неактивні. Класичними прикладами елементів з подібним внутрішньою будовою можна назвати алмаз, кремній, германій, бор.
Молекулярні кристалічні решітки
Речовини, що мають молекулярний тип кристалічної решітки, являють собою систему стійких, взаємодіючих, щільноупакованих між собою молекул, які розташовані у вузлах кристалічної решітки. У подібних з'єднаннях молекули зберігають своє просторове положення в газоподібному, рідкої і твердої фазі. У вузлах кристала молекули утримуються слабкими ван-дер-ваальсовимі силами, які в десятки разів слабкіше сил іонного взаємодії.
Утворюють кристал молекули можуть бути як полярними, так і неполярними. Через спонтанного руху електронів і коливання ядер в молекулах електричне рівновагу може зміщуватися - так виникає миттєвий електричний момент диполя. Відповідним чином орієнтовані диполі створюють сили тяжіння в решітці. Двоокис вуглецю і парафін є типовими прикладами елементів з молекуляной кристалічною решіткою.
Металеві кристалічні решітки
Металева зв'язок гнучкіше і пластичней іонної, хоча може здатися, що обидві вони базуються на одному і тому ж принципі. Типи кристалічних решіток металів пояснюють їх типові властивості - такі, наприклад, як механічна міцність, тепло- та електропровідність, плавкость.
Відмінною особливістю металевої кристалічної решітки є наявність позитивно заряджених іонів металу (катіонів) у вузлах цієї решітки. Між вузлами знаходяться електрони, які безпосередньо беруть участь у створенні електричного поля навколо решітки. Кількість електронів, що переміщаються всередині цієї кристалічної решітки, називається електронним газом. При відсутності електричного поля вільні електрони здійснюють хаотичний рух, безладно взаємодіючи з іонами решітки. Кожне таке взаємодія змінює імпульс і напрям руху негативно зарядженої частинки. Своїм електричним полем електрони притягують до себе катіони, врівноважуючи їх взаємне відштовхування. Хоча електрони вважаються вільними, їх енергії не вистачає для того, щоб покинути кристалічну решітку, тому ці заряджені частинки постійно знаходяться в її межах.
Присутність електричного поля надає електронного газу додаткову енергію. З'єднання з іонами в кристалічній решітці металів не є міцним, тому електрони легко залишають її межі. Електрони рухаються по силових лініях, залишаючи позаду позитивно заряджені іони.
Висновки
Величезне значення вивчення внутрішньої будови речовини приділяє хімія. Типи кристалічних решіток різних елементів визначають практично весь спектр їх властивостей. Впливаючи на кристали і змінюючи їх внутрішню будову, можна домогтися посилення потрібних властивостей речовини і видалити небажані, перетворювати хімічні елементи. Таким чином, вивчення внутрішньої структури навколишнього світу може допомогти пізнати суть і принципи пристрою світобудови.
