Типи кристалічних решіток

Більшість твердих тіл мають кристалічну структуру, в якій частинки, з яких вона «побудована» знаходяться в певному порядку, створюючи тим самим кристалічну решітку. Вона будується із повторюваних однакових структурних одиниць – елементарних комірок, яка зв’язується з сусідніми комірками, утворюючи додаткові вузли. В результаті існує 14 різних кристалічних решіток.

Типи кристалічних решіток.

  • Залежно від частинок, які стоять у вузлах решітки, розрізняють:
  • металеву кристалічну гратку;
  • іонну кристалічну решітку;
  • молекулярну кристалічну гратку;
  • макромолекулярну (атомну) кристалічну решітку.

Металічний зв’язок в кристалічних решітках. 

 Атоми розташовані максимально близько один до одного дуже щільно. Проміжки між атомами (кулями) дуже малі, тому має місце бути назва, плотноупакованная структура. Існує 3 основних типи таких структур: гексагональна щільна упаковка (ГПУ), гранецентрированная кубічна упаковка (ЦКУ) та об’ємно-центрована кубічна упаковка (ОЦКУ). Остання менш щільна.

 Як «упаковується» один шар кристалічної решітки?

 Гексагональна кристалічна решітка

Гексагональна кристалічна решітка

 Кристалічна решітка квадратна

Гексагональна кристалічна решітка

 Кожен шар стикається з 6-ма сусідніми кулями, центри будь-яких сусідніх атомів утворюють рівносторонній трикутник.

 

Як «упаковуються» шари кристалічної решітки?

Уявімо, є верстви А і В. При гексагональної упаковці шари можна укладати різними способами, і при цьому утворюється щільна гексагональна упаковка або гранецентрированная кубічна упаковка. Дотримується умова: кожен шар верхнього шару стосується 3х куль нижнього. Кулі 3го шару розташовані чітко над кулями 1го шару, кулі 4го – над 2ыми і т. д.

Більш складну будову має гексагональна кубічна упаковка (ЦКУ) – кулі 3го шару знаходяться над проміжками 2го шару, і тому шари З і А мають суттєві відмінності.

Об’ємно-центрована кубічна упаковка складається тільки одним способом: кожна куля знаходиться в центрі куба, вершини якого зайняті іншими кулями, тобто кожен шар стосується 8-ми сусідніх, при цьому прийнято говорити про те, що кожен атом має координаційне число, що дорівнює 8.

Гексагональна щільна упаковка

 

Якщо говорити про координаційних числах гранецентрированная кубічна упаковка і гексагональна щільна упаковка, то воно дорівнює 12.

 

У просторі можна ці типи упаковок представити так:

Гексагональна щільна упаковка

 

Речовини з металевою структурою володіють такими властивостями, як температура плавлення, кипіння, ковкість, щільність, теплопровідність і електропровідність.

У вузлах кристала знаходяться іони, з-за цього тут превалюють електростатичні сили, внаслідок чого в структурі повинна бути електричну нейтральність. У кожного типу іонної решітки має бути своє координаційне число. Наприклад, молекули хлориду натрію: Na+, Cl-. Кожен іон Na+ оточений 6-ма іонами Cl-, тому координаційне число дорівнює 6. І навколо іона Cl – теж 6 іонів натрію, тому тут у молекулі присутній координація 6:6.

 

Розглянемо інший приклад, хлорид цезію CsCl. Іон цезію великий, порівняно з іоном натрію, тому його оточує вже не 6 Cl–іонів, а 8. Тому координаційне число дорівнює 8.

Речовини з таким типом решітки володіють високою твердістю, вони тугоплавки і малолетучи. Електрика проводять не тільки розчини, але і розплави (т. к. іонні з’єднання дисоціюють у полярних рідинах (вода).

Іонні кристали володіють підвищеною крихкістю, т. к. зрушення у гратці кристала (навіть незначне) призводить до того, що однойменно заряджені іони починають відштовхуватися один від одного, і зв’язки рвуться, утворюються тріщини і розколи.

  Основна особливість міжмолекулярною зв’язку полягає в її «слабкості» (ван-дер-ваальсовые, водневі).

Це структура льоду

 

Це структура льоду. Кожна молекула води пов’язана водневими зв’язками з 4-ма оточуючими молекулами, в результаті структура має тетраэдрический характер.

Воднева зв’язок пояснює високу температуру кипіння, плавлення і малу щільність;

 Макромолекулярная зв’язок кристалічних решіток.

 У вузлах кристалічної решітки знаходяться атоми. Ці кристали поділяються на 3 види:

  • каркасні;
  • цепочечные;
  • шаруваті структури.

Каркасною структурою володіє алмаз – одна їх самих твердих речовин у природі. Атом вуглецю утворює 4 однакові ковалентні зв’язки, що говорить про форми правильного тетраедра (sp3 – гібридизація). Кожен атом має неподеленную пару електронів, які також можуть зв’язуватися з сусідніми атомами. В результаті чого утворюється тривимірна сітка, у вузлах якої тільки атоми вуглецю.

Енергії для руйнування такої структури потрібно дуже багато, температура плавлення таких сполук висока (у алмазу вона становить 3500°С).

Шаруваті структури говорять про наявність ковалентних зв’язках всередині кожного шару і слабких ван-дер-ваальсових – між шарами.

Розглянемо приклад: графіт. Кожен атом вуглецю знаходиться в sp2 – гібридизації. 4-ий неспарений електрон утворює ван-дер-ваальсовую зв’язок між шарами. Тому 4-ий шар дуже рухливий:

Кристалічні решітки Типи кристалічних решіток

 

Зв’язки слабкі, тому їх легко розірвати, що можна спостерігати у олівця – «каламарна властивість» – 4-ий шар залишається на папері.

Графіт – відмінний провідник електричного струму (електрони здатні переміщатися уздовж площини шару).

Цепочечными структурами мають оксиди (наприклад, SO3), який кристалізується у вигляді блискучих голочок, полімери, деякі аморфні речовини, силікати (азбест).

Посилання на основну публікацію