Når man udfører mange fysiske og kemiske reaktioner stoffet går over i en fast aggregeringstilstand. I dette tilfælde har molekyler og atomer en tendens til at arrangere sig selv i en sådan rumlig rækkefølge, hvor kræfterne til interaktion mellem stofpartikler ville være maksimalt afbalanceret. Sådan opnås styrken af ​​det faste stof. Atomer, når de indtager en bestemt position, bliver små oscillerende bevægelser, hvis amplitude afhænger af temperaturen, men deres position i rummet forbliver fast. Tiltræknings- og frastødningskræfterne balancerer hinanden i en vis afstand.

Moderne ideer om stoffets struktur

Moderne videnskab siger, at et atom består af en ladet kerne, som bærer en positiv ladning, og elektroner, som bærer negative ladninger. Med en hastighed på flere tusinde billioner omdrejninger i sekundet roterer elektroner i deres baner og skaber en elektronsky omkring kernen. Den positive ladning af kernen er numerisk lig med den negative ladning af elektronerne. Således forbliver stoffets atom elektrisk neutralt. Mulige interaktioner med andre atomer opstår, når elektroner løsnes fra deres moderatom, hvorved den elektriske balance forstyrres. I et tilfælde står atomerne på linje i en bestemt rækkefølge, som kaldes krystalgitteret. I en anden, på grund af den komplekse interaktion mellem kerner og elektroner, kombineres de til molekyler forskellige typer og kompleksitet.

Definition af krystalgitter

I alt forskellige typer Krystalgitter af stoffer er netværk med forskellige rumlige orienteringer, ved hvilke knudepunkter ioner, molekyler eller atomer er placeret. Denne stabile geometriske rumlige position kaldes stoffets krystalgitter. Afstanden mellem noder i en krystalcelle kaldes identitetsperioden. De rumlige vinkler, hvor celleknuderne er placeret, kaldes parametre. Ifølge metoden til at konstruere bindinger kan krystalgitre være enkle, basecentrerede, ansigtscentrerede og kropscentrerede. Hvis stofpartiklerne kun er placeret i hjørnerne af parallelepipedet, kaldes et sådant gitter simpelt. Et eksempel på et sådant gitter er vist nedenfor:

Hvis stoffets partikler ud over knuderne er placeret i midten af ​​de rumlige diagonaler, så kaldes dette arrangement af partikler i stoffet et kropscentreret krystalgitter. Denne type er tydeligt vist på figuren.

Hvis der ud over knudepunkterne i gitterets spidser er en knude på det sted, hvor parallelepipedets imaginære diagonaler skærer hinanden, så har man en fladecentreret type gitter.

Typer af krystalgitre

De forskellige mikropartikler, der udgør et stof, bestemmer de forskellige typer af krystalgitre. De kan bestemme princippet om at bygge forbindelser mellem mikropartikler inde i en krystal. Fysiske typer af krystalgitre er ioniske, atomare og molekylære. Dette omfatter også forskellige typer metalkrystalgitre. Kemi studerer principperne for grundstoffernes indre struktur. Typerne af krystalgitter er præsenteret mere detaljeret nedenfor.

Ioniske krystalgitre

Disse typer af krystalgitre er til stede i forbindelser med en ionisk type binding. I dette tilfælde indeholder gittersteder ioner med modsatte elektrisk ladning. Takket være det elektromagnetiske felt er kræfterne af interionisk interaktion ret stærke, og dette bestemmer stoffets fysiske egenskaber. Fælles karakteristika er ildfasthed, tæthed, hårdhed og evnen til at lede elektrisk strøm. Ioniske typer krystalgitre findes i stoffer som bordsalt, kaliumnitrat og andre.

Atomiske krystalgitre

Denne type struktur af stof er iboende i elementer, hvis struktur er bestemt af kovalente kemiske bindinger. Typer af krystalgitre af denne art indeholder individuelle atomer ved knuderne, forbundet med hinanden med stærke kovalente bindinger. Denne type binding opstår, når to identiske atomer "deler" elektroner og derved danner et fælles elektronpar for naboatomer. Takket være denne interaktion binder kovalente bindinger atomer jævnt og stærkt i en bestemt rækkefølge. Kemiske grundstoffer, der indeholder atomtyper af krystalgitre, er hårde, har et højt smeltepunkt, er dårlige ledere af elektricitet og er kemisk inaktive. Klassiske eksempler på elementer med lignende indre struktur Du kan navngive diamant, silicium, germanium, bor.

Molekylære krystalgitre

Stoffer, der har en molekylær type krystalgitter, er et system af stabile, interagerende, tætpakkede molekyler, der er placeret ved krystalgitterets noder. I sådanne forbindelser bevarer molekylerne deres rumlige position i de gasformige, flydende og faste faser. Ved krystallens knudepunkter holdes molekyler sammen af ​​svage van der Waals-kræfter, som er titusinder af gange svagere end de ioniske interaktionskræfter.

De molekyler, der danner en krystal, kan enten være polære eller upolære. På grund af den spontane bevægelse af elektroner og vibrationer af kerner i molekyler, kan den elektriske ligevægt skifte - sådan opstår et øjeblikkeligt elektrisk dipolmoment. Passende orienterede dipoler skaber tiltrækningskræfter i gitteret. Kuldioxid og paraffin er typiske eksempler på grundstoffer med et molekylært krystalgitter.

Metal krystal gitter

En metalbinding er mere fleksibel og duktil end en ionbinding, selvom det kan se ud til, at begge er baseret på samme princip. Typerne af krystalgitre af metaller forklarer deres typiske egenskaber - såsom mekanisk styrke, termisk og elektrisk ledningsevne og smelteevne.

Et karakteristisk træk ved et metalkrystalgitter er tilstedeværelsen af ​​positivt ladede metalioner (kationer) på stederne i dette gitter. Mellem noderne er der elektroner, der er direkte involveret i skabelsen elektrisk felt rundt om risten. Antallet af elektroner, der bevæger sig rundt i dette krystalgitter, kaldes elektrongas.

I fravær af et elektrisk felt udfører frie elektroner kaotisk bevægelse, der tilfældigt interagerer med gitterioner. Hver sådan interaktion ændrer den negativt ladede partikels momentum og bevægelsesretning. Med deres elektriske felt tiltrækker elektroner kationer til sig selv og afbalancerer deres gensidige frastødning. Selvom elektroner betragtes som frie, er deres energi ikke nok til at forlade krystalgitteret, så disse ladede partikler er konstant inden for dets grænser.

Tilstedeværelsen af ​​et elektrisk felt giver elektrongassen yderligere energi. Forbindelsen med ioner i metallers krystalgitter er ikke stærk, så elektroner forlader let sine grænser. Elektroner bevæger sig langs kraftlinjer og efterlader positivt ladede ioner.

Konklusioner

Kemi lægger stor vægt på studiet af stoffets indre struktur. Typerne af krystalgitre af forskellige elementer bestemmer næsten hele rækken af ​​deres egenskaber. Ved at påvirke krystaller og ændre deres indre struktur er det muligt at forbedre et stofs ønskede egenskaber og fjerne uønskede og omdanne kemiske grundstoffer. Altså studere indre struktur den omgivende verden kan hjælpe med at forstå essensen og principperne for universets struktur.

Krystallinske stoffer

Solid krystaller- tredimensionelle formationer karakteriseret ved streng repeterbarhed af det samme strukturelle element ( enhedscelle) i alle retninger. Enhedscellen er det mindste volumen af ​​en krystal i form af et parallelepipedum, der gentager sig selv et uendeligt antal gange i krystallen.

Den geometrisk korrekte form af krystaller bestemmes først og fremmest af deres strengt regelmæssige indre struktur. Hvis vi i stedet for atomer, ioner eller molekyler i en krystal afbilder punkter som disse partiklers tyngdepunkter, får vi en tredimensionel regelmæssig fordeling af sådanne punkter, kaldet et krystalgitter. Selve punkterne kaldes noder krystalgitter.

Typer af krystalgitre

Afhængig af hvilke partikler krystalgitteret er lavet af, og hvad arten er kemisk binding Mellem dem skelnes forskellige typer krystaller.

Ioniske krystaller dannes af kationer og anioner (for eksempel salte og hydroxider af de fleste metaller). I dem er der en ionbinding mellem partiklerne.

Ioniske krystaller kan bestå af monoatomisk ioner. Sådan er krystaller bygget natriumchlorid, kaliumiodid, calciumfluorid.
Dannelsen af ​​ioniske krystaller af mange salte involverer monoatomiske metalkationer og polyatomiske anioner, for eksempel nitrationen NO 3? , sulfation SO 4 2? , carbonation CO 3 2? .

Det er umuligt at isolere enkelte molekyler i en ionisk krystal. Hver kation tiltrækkes af hver anion og frastødes af andre kationer. Hele krystallen kan betragtes som et enormt molekyle. Størrelsen af ​​et sådant molekyle er ikke begrænset, da det kan vokse ved at tilføje nye kationer og anioner.

De fleste ionforbindelser krystalliserer i en af ​​strukturtyperne, som adskiller sig fra hinanden i værdien af ​​koordinationstallet, det vil sige antallet af naboer omkring en given ion (4, 6 eller 8). Til ionforbindelser med lige mange kationer og anioner, kendes fire hovedtyper af krystalgitre: natriumchlorid (koordinationstallet for begge ioner er 6), cæsiumchlorid (koordinationstallet for begge ioner er 8), sphalerit og wurtzit (begge strukturelle typer er karakteriseret ved koordinationsnummer for kationen og anionen lig med 4). Hvis antallet af kationer fordobles mindre antal anioner, så skal koordinationsantallet af kationer være det dobbelte af koordinationstallet for anioner. I dette tilfælde realiseres de strukturelle typer af fluorit (koordinationsnumre 8 og 4), rutil (koordinationsnumre 6 og 3) og cristobalit (koordinationsnumre 4 og 2).

Typisk er ioniske krystaller hårde, men skøre. Deres skrøbelighed skyldes, at selv med en lille deformation af krystallen forskydes kationer og anioner på en sådan måde, at frastødende kræfter mellem ens ioner begynder at sejre over tiltrækningskræfterne mellem kationer og anioner, og krystallen ødelægges.

Ioniske krystaller har høje smeltepunkter. I smeltet tilstand er de stoffer, der danner ioniske krystaller, elektrisk ledende. Når de opløses i vand, dissocieres disse stoffer til kationer og anioner, og de resulterende opløsninger leder elektrisk strøm.

Høj opløselighed i polære opløsningsmidler, ledsaget af elektrolytisk dissociation, skyldes det faktum, at i et opløsningsmiddelmiljø med en høj dielektrisk konstant falder tiltrækningsenergien mellem ioner. Vands dielektriske konstant er 82 gange højere end vakuum (betinget eksisterende i en ionisk krystal), og tiltrækningen mellem ioner i en vandig opløsning falder med samme mængde. Effekten forstærkes af solvatisering af ioner.

Atomkrystaller består af individuelle atomer holdt sammen af ​​kovalente bindinger. Fra simple stoffer Kun bor og gruppe IVA-elementer har sådanne krystalgitre. Ofte danner forbindelser af ikke-metaller med hinanden (for eksempel siliciumdioxid) også atomære krystaller.

Ligesom ioniske krystaller kan atomkrystaller betragtes som gigantiske molekyler. De er meget holdbare og hårde, og leder ikke varme og elektricitet godt. Stoffer, der har atomare krystalgitre, smelter ved høje temperaturer. De er praktisk talt uopløselige i alle opløsningsmidler. De er karakteriseret ved lav reaktivitet.

Molekylære krystaller er bygget af individuelle molekyler, inden for hvilke atomerne er forbundet med kovalente bindinger. Svagere intermolekylære kræfter virker mellem molekyler. De ødelægges let, så molekylære krystaller har lave smeltepunkter, lav hårdhed og høj flygtighed. Stoffer, der danner molekylære krystalgitre, har ikke elektrisk ledningsevne, og deres opløsninger og smelter leder heller ikke elektrisk strøm.

Intermolekylære kræfter opstår på grund af den elektrostatiske interaktion mellem de negativt ladede elektroner i et molekyle med de positivt ladede kerner af nabomolekyler. Styrken af ​​intermolekylære interaktioner er påvirket af mange faktorer. Den vigtigste blandt dem er tilstedeværelsen af ​​polære bindinger, det vil sige et skift i elektrontæthed fra et atom til et andet. Derudover er intermolekylære interaktioner stærkere mellem molekyler med et stort antal elektroner.

De fleste ikke-metaller i form af simple stoffer (f.eks. jod I 2, argon Ar, svovl S 8) og forbindelser med hinanden (f.eks. vand, kuldioxid, hydrogenchlorid) såvel som næsten alt fast stof organisk stof danner molekylære krystaller.

Metaller er karakteriseret ved et metallisk krystalgitter. Den indeholder metalforbindelse mellem atomer. I metalkrystaller er atomkernerne arrangeret på en sådan måde, at deres pakning er så tæt som muligt. Bindingen i sådanne krystaller er delokaliseret og strækker sig gennem hele krystallen. Metalkrystaller har høj elektrisk og termisk ledningsevne, metallisk glans og opacitet og let deformerbarhed.

Klassificeringen af ​​krystalgitre svarer til begrænsende tilfælde. De fleste krystaller uorganiske stoffer tilhører mellemtyper - kovalent-ionisk, molekylær-kovalent osv. For eksempel i en krystal grafit Inden for hvert lag er bindingerne kovalent-metalliske, og mellem lagene er de intermolekylære.

Isomorfi og polymorfi

Mange krystallinske stoffer har de samme strukturer. Samtidig kan det samme stof danne forskellige krystalstrukturer. Dette afspejles i fænomenerne isomorfi Og polymorfi.

Isomorfi ligger i atomers, ioners eller molekylers evne til at erstatte hinanden i krystalstrukturer. Dette udtryk (fra græsk " isos" - lige og " morphe" - form) blev foreslået af E. Mitscherlich i 1819. Loven om isomorfi blev formuleret af E. Mitscherlich i 1821 på denne måde: "Det samme antal atomer, forbundet på samme måde, giver de samme krystallinske former; Desuden afhænger den krystallinske form ikke af atomernes kemiske natur, men er kun bestemt af deres antal og relative position."

Mitscherlich arbejdede i det kemiske laboratorium ved University of Berlin og henledte opmærksomheden på den fuldstændige lighed mellem krystaller af bly, barium og strontiumsulfater og ligheden mellem de krystallinske former for mange andre stoffer. Hans observationer tiltrak sig den berømte svenske kemiker J.-Yas opmærksomhed. Berzelius, som foreslog, at Mitscherlich bekræftede de observerede mønstre ved at bruge eksemplet med forbindelser af fosfor- og arsensyrer. Som et resultat af undersøgelsen blev det konkluderet, at "de to serier af salte kun adskiller sig ved, at den ene indeholder arsen som et syreradikal, og den anden indeholder phosphor." Mitscherlichs opdagelse tiltrak meget snart mineralogernes opmærksomhed, som begyndte at forske i problemet med isomorf substitution af elementer i mineraler.

Under den fælles krystallisation af stoffer, der er tilbøjelige til isomorfi ( isomorf stoffer), dannes blandede krystaller (isomorfe blandinger). Dette er kun muligt, hvis partiklerne, der erstatter hinanden, afviger lidt i størrelse (ikke mere end 15%). Derudover skal isomorfe stoffer have et lignende rumligt arrangement af atomer eller ioner og derfor ens i ydre form krystaller. Sådanne stoffer omfatter for eksempel alun. I krystaller af kaliumalun KAl(SO 4) 2. 12H 2 O-kaliumkationer kan helt eller delvist erstattes af rubidium- eller ammoniumkationer, og aluminiumkationer med chrom- (III) eller jern (III)-kationer.

Isomorfi er udbredt i naturen. De fleste mineraler er isomorfe blandinger af kompleks, variabel sammensætning. For eksempel i mineralet sphalerit ZnS kan op til 20 % af zinkatomerne erstattes af jernatomer (mens ZnS og FeS har forskellige krystalstrukturer). Isomorfi er forbundet med den geokemiske adfærd af sjældne og sporstoffer, deres fordeling i sten og malme, hvor de er indeholdt i form af isomorfe urenheder.

Isomorf substitution bestemmer mange gavnlige egenskaber kunstige materialer moderne teknologi- halvledere, ferromagneter, lasermaterialer.

Mange stoffer kan danne krystallinske former, der har forskellige strukturer og egenskaber, men den samme sammensætning ( polymorfændringer). Polymorfi- faste stoffers og flydende krystallers evne til at eksistere i to eller flere former med forskellige krystalstrukturer og egenskaber med samme kemiske sammensætning. Dette ord kommer fra det græske " polymorfos"- forskelligartet. Fænomenet polymorfi blev opdaget af M. Klaproth, som i 1798 opdagede, at to forskellige mineraler - calcit og aragonit - har den samme kemiske sammensætning CaCO 3 .

Polymorfi af simple stoffer kaldes normalt allotropi, mens begrebet polymorfi ikke gælder for ikke-krystallinske allotrope former (f.eks. gasformig O 2 og O 3). Et typisk eksempel på polymorfe former er modifikationer af kulstof (diamant, lonsdaleite, grafit, karbiner og fullerener), som adskiller sig skarpt i egenskaber. Den mest stabile form for eksistens af kulstof er grafit, men dens andre modifikationer under normale forhold kan vare ved på ubestemt tid. Ved høje temperaturer bliver de til grafit. I tilfælde af diamant sker dette, når det opvarmes til over 1000 o C i fravær af ilt. Den omvendte overgang er meget sværere at opnå. Der kræves ikke kun høj temperatur (1200-1600 o C), men også et enormt tryk - op til 100 tusinde atmosfærer. Omdannelsen af ​​grafit til diamant er lettere i nærværelse af smeltede metaller (jern, kobolt, krom og andre).

I tilfælde af molekylære krystaller viser polymorfi sig i forskellig pakning af molekyler i krystallen eller i ændringer i formen af ​​molekyler, og i ioniske krystaller - i forskellige relativ position kationer og anioner. Nogle simple og komplekse stoffer har mere end to polymorfer. For eksempel har siliciumdioxid ti modifikationer, calciumfluorid - seks, ammoniumnitrat - fire. Polymorfe modifikationer betegnes normalt græske bogstaver b, c, d, e, f,... begyndende med modifikationer, der er stabile ved lave temperaturer.

Når man krystalliserer fra damp, opløsning eller smelte et stof, der har flere polymorfe modifikationer, dannes først en modifikation, der er mindre stabil under givne forhold, som så bliver til en mere stabil. For eksempel, når fosfordamp kondenserer, dannes hvidt fosfor, som under normale forhold langsomt bliver til rødt fosfor ved opvarmning. Når blyhydroxid er dehydreret, dannes der først (ca. 70 o C) gult b-PbO, som er mindre stabilt ved lave temperaturer, ved ca. 100 o C bliver det til rødt b-PbO, og ved 540 o C bliver det; tilbage i b-PbO.

Overgangen fra en polymorf til en anden kaldes polymorf transformation. Disse overgange opstår, når temperaturen eller trykket ændres og er ledsaget af en brat ændring i egenskaber.

Overgangen fra en modifikation til en anden kan være reversibel eller irreversibel. Når et hvidt blødt grafitlignende stof med sammensætningen BN (bornitrid) opvarmes til 1500-1800 o C og et tryk på adskillige snese atmosfærer, dannes dets højtemperaturmodifikation - borazon, tæt på diamant i hårdhed. Når temperaturen og trykket sænkes til værdier, der svarer til normale forhold, bevarer borazon sin struktur. Et eksempel på en reversibel overgang er de gensidige transformationer af to modifikationer af svovl (orthorhombisk og monoklinisk) ved 95 o C.

Polymorfe transformationer kan forekomme uden væsentlige ændringer i strukturen. Nogle gange er der slet ingen ændring i krystalstrukturen, for eksempel under overgangen af ​​b-Fe til c-Fe ved 769 o C, ændres strukturen af ​​jern ikke, men dets ferromagnetiske egenskaber forsvinder.

Kemisk-termisk behandling (CHT) kaldes varmebehandling, bestående af en kombination af termisk og kemisk eksponering for at ændre sammensætningen, strukturen og egenskaberne af overfladelaget af stål.

Kemisk-termisk behandling er en af ​​de mest almindelige former for bearbejdning af materialer for at give dem operationelle egenskaber. De mest anvendte metoder er mætning af overfladelaget af stål med kulstof og nitrogen, både hver for sig og sammen. Disse er processerne for karburering (karburisering) af overfladen, nitrering - mætning af ståloverfladen med nitrogen, nitrokarburering og cyanidering - den fælles indføring af kulstof og nitrogen i overfladelagene af stål. Mætning af overfladelagene af stål med andre elementer (krom - diffusionsforkromning, bor - boring, silicium - siliciumplettering og aluminium - aluminisering) bruges meget sjældnere. Processen med diffusionsmætning af overfladen af ​​en del med zink kaldes galvanisering og med titanium - titanering.

Den kemisk-termiske behandlingsproces er en flertrinsproces, der omfatter tre på hinanden følgende trin:

1. Dannelse af aktive atomer i et mættende miljø nær overfladen eller direkte på overfladen af ​​metallet. Diffusionsstrømmens kraft, dvs. antallet af dannede aktive atomer pr. tidsenhed afhænger af sammensætningen og aggregationstilstanden af ​​det mættende medium, som kan være fast, flydende eller gasformigt, vekselvirkningen mellem individuelle komponenter med hinanden, temperatur, tryk og kemisk sammensætning stål.

2. Adsorption (sorption) af de dannede aktive atomer af mætningsoverfladen. Adsorption er en kompleks proces, der finder sted på mætningsoverfladen på en ikke-stationær måde. Der skelnes mellem fysisk (reversibel) adsorption og kemisk adsorption (kemisorption). Under kemisk-termisk behandling overlapper disse typer adsorption hinanden. Fysisk adsorption fører til adhæsion af adsorberede atomer af det mættende element (adsorbat) til den dannede overflade (adsorbent) på grund af virkningen af ​​van der Waals tiltrækningskræfter, og det er karakteriseret ved let reversibilitet af adsorptionsprocessen - desorption. Under kemisorption sker der en vekselvirkning mellem adsorbatets atomer og adsorbenten, som er tæt på kemisk i natur og styrke.

3. Diffusion - bevægelse af adsorberede atomer i gitteret af det metal, der behandles. Diffusionsprocessen er kun mulig, hvis der er opløselighed af det diffuserende element i materialet, der behandles, og en tilstrækkelig høj temperatur til at tilvejebringe den nødvendige energi for, at processen kan finde sted. Tykkelsen af ​​diffusionslaget, og derfor tykkelsen af ​​det hærdede lag af produktets overflade, er den vigtigste egenskab ved kemisk-termisk behandling. Lagets tykkelse bestemmes af en række faktorer såsom mætningstemperatur, varighed af mætningsprocessen, stålsammensætning, dvs. indholdet af visse legeringselementer i det, koncentrationsgradienten af ​​det mættede element mellem produktets overflade og i dybden af ​​det mættede lag.

Skæreværktøjet fungerer under betingelser med langvarig kontakt og friktion med det metal, der behandles. Under drift skal skærkantens konfiguration og egenskaber forblive uændrede. Materialet til fremstilling af skærende værktøjer skal have høj hårdhed (IKS 60-62) og slidstyrke, dvs. evne lang tid opretholde skæreegenskaberne af kanten under friktionsforhold.

Jo større hårdhed de forarbejdede materialer er, jo tykkere spåner og jo højere skærehastighed, jo større energi bruges på skæreprocessen. Mekanisk energi bliver til termisk energi. Den genererede varme opvarmer fræseren, emnet og spånerne og spredes delvist. Derfor er hovedkravet til værktøjsmaterialer høj varmebestandighed, dvs. evnen til at opretholde hårdhed og skæreegenskaber under langvarig opvarmning under drift. Baseret på varmebestandighed er der tre grupper af værktøjsstål til skærende værktøjer: ikke-varmebestandigt, semi-varmebestandigt og varmebestandigt.

Når ikke-varmebestandige stål opvarmes til 200-300°C under skæreprocessen, frigives kulstof fra den hærdende martensit, og koagulering af cementit-type carbider begynder. Dette fører til tab af hårdhed og slidstyrke af skæreværktøjet. Ikke-varmebestandigt stål omfatter kulstofstål og lavlegeret stål. Halvvarmebestandigt stål, som omfatter nogle mellemlegerede stål, for eksempel 9Kh5VF, bevarer hårdhed op til temperaturer på 300-500°C. Varmebestandigt stål bevarer deres hårdhed og slidstyrke, når det opvarmes til temperaturer på 600°C.

Kulstof og lavlegeret stål har relativt lav varmebestandighed og lav hærdeevne, så de bruges til lettere arbejdsforhold ved lave skærehastigheder. Højhastighedsstål, som har højere varmebestandighed og hærdelighed, bruges til mere hårde arbejdsforhold. Hårdmetal og keramiske materialer tillader endnu højere skærehastigheder. Af de eksisterende materialer har bornitrid, elbor, den største varmebestandighed Elbor tillader bearbejdning af materialer med høj hårdhed, såsom hærdet stål, ved høje hastigheder.

De fleste faste stoffer har en krystallinsk struktur. Krystalgitter bygget af gentagne identiske strukturelle enheder, individuelle for hver krystal. Denne strukturelle enhed kaldes "enhedscellen". Med andre ord tjener krystalgitteret som en afspejling af den rumlige struktur af et fast stof.

Krystalgitre kan klassificeres på forskellige måder.

JEG. Ifølge symmetrien af ​​krystaller gitter er klassificeret i kubiske, tetragonale, rombiske, sekskantede.

Denne klassificering er praktisk til at vurdere de optiske egenskaber af krystaller såvel som deres katalytiske aktivitet.

II. Af partiklernes natur, placeret ved gitterknuder og efter type kemisk binding der er en forskel mellem dem atomære, molekylære, ioniske og metalkrystalgitter. Typen af ​​binding i en krystal bestemmer forskellen i hårdhed, opløselighed i vand, størrelsen af ​​opløsningsvarmen og smeltevarmen og elektrisk ledningsevne.

Vigtig egenskab krystal er krystalgitter energi, kJ/mol – den energi, der skal bruges på at ødelægge en given krystal.

Molekylært gitter

Molekylære krystaller består af molekyler, der holdes i bestemte positioner af krystalgitteret af svage intermolekylære bindinger (van der Waals-kræfter) eller hydrogenbindinger. Disse gitter er karakteristiske for stoffer med kovalente bindinger.

Der er mange stoffer med et molekylært gitter. Denne stort antal organiske forbindelser(sukker, naphthalen osv.), krystallinsk vand (is), fast kuldioxid("tøris"), faste hydrogenhalogenider, jod, faste gasser inklusive ædle,

Krystalgitterets energi er minimal for stoffer med ikke-polære og lavpolære molekyler (CH 4, CO 2, etc.).

Gittere dannet af mere polære molekyler har også en højere krystalgitterenergi. Den største energi besidder gitter, der indeholder stoffer, der dannes hydrogenbindinger(H20, NH3).

På grund af den svage interaktion mellem molekyler er disse stoffer flygtige, smeltbare, har lav hårdhed, leder ikke elektrisk strøm (dielektriske stoffer) og har lav varmeledningsevne.

Atomgitter

I noder atomisk krystalgitter der er atomer af et eller forskellige grundstoffer forbundet med kovalente bindinger langs alle tre akser. Sådan krystaller som også kaldes kovalent, er relativt få i antal.

Eksempler på krystaller af denne type omfatter diamant, silicium, germanium, tin og også krystaller komplekse stoffer såsom bornitrid, aluminiumnitrid, kvarts, siliciumcarbid. Alle disse stoffer har et diamantlignende gitter.

Energien af ​​krystalgitteret i sådanne stoffer falder praktisk talt sammen med energien af ​​den kemiske binding (200 – 500 kJ/mol). Dette bestemmer deres fysiske egenskaber: høj hårdhed, smeltepunkt og kogepunkt.

De elektrisk ledende egenskaber af disse krystaller er varierede: diamant, kvarts, bornitrid er dielektrikum; silicium, germanium – halvledere; Metallisk gråt tin leder elektricitet godt.

I krystaller med et atomisk krystalgitter er det umuligt at skelne en separat strukturel enhed. Hele enkeltkrystallen er et kæmpe molekyle.

Ionisk gitter

I noder ionisk gitter positive og negative ioner veksler, mellem hvilke elektrostatiske kræfter virker. Ionkrystaller danner forbindelser med ionbindinger, f.eks. natriumchlorid NaCl, kaliumfluorid og KF osv. Ioniske forbindelser kan også omfatte komplekse ioner, f.eks. NO 3 -, SO 4 2 -.

Ionkrystaller er også et kæmpe molekyle, hvor hver ion er væsentligt påvirket af alle andre ioner.

Energien af ​​det ioniske krystalgitter kan nå betydelige værdier. Så E (NaCl) = 770 kJ/mol, og E (BeO) = 4530 kJ/mol.

Ioniske krystaller har høje smelte- og kogepunkter og høj styrke, men er skøre. Mange af dem leder strøm dårligt når stuetemperatur(omkring tyve størrelsesordener lavere end metallers), men med stigende temperatur observeres en stigning i elektrisk ledningsevne.

Metalrist

Metal krystaller give eksempler på de simpleste krystalstrukturer.

Metalioner i gitteret af en metalkrystal kan omtrent betragtes i form af kugler. I hårde metaller disse kugler er pakket med maksimal densitet, som angivet af den betydelige massefylde af de fleste metaller (fra 0,97 g/cm 3 for natrium, 8,92 g/cm 3 for kobber til 19,30 g/cm 3 for wolfram og guld). Den mest tætte pakning af kugler i ét lag er en sekskantet pakning, hvor hver kugle er omgivet af seks andre kugler (i samme plan). Centrene af tre tilstødende kugler danner en ligesidet trekant.

Egenskaber af metaller såsom høj duktilitet og formbarhed indikerer en mangel på stivhed i metalgitre: deres fly bevæger sig ret let i forhold til hinanden.

Valenselektroner deltager i dannelsen af ​​bindinger med alle atomer og bevæger sig frit gennem hele volumen af ​​et stykke metal. Dette er angivet høje værdier elektrisk ledningsevne og termisk ledningsevne.

Med hensyn til krystalgitterenergi indtager metaller en mellemposition mellem molekylære og kovalente krystaller. Krystalgitterets energi er:

De fysiske egenskaber af faste stoffer afhænger således væsentligt af typen af ​​kemisk binding og struktur.

Faste stoffers struktur og egenskaber

Karakteristika	Krystaller
Metal	Ionisk	Molekylær	Atomar
Eksempler	K, Al, Cr, Fe	NaCl, KNO3	I 2, naphthalen	diamant, kvarts
Strukturelle partikler	Positive ioner og mobile elektroner	Kationer og anioner	Molekyler	Atomer
Type kemisk binding	Metal	Ionisk	I molekyler - kovalent; mellem molekyler - van der Waals kræfter og hydrogenbindinger	Mellem atomer - kovalent
t smelter	Høj	Høj	Lav	Meget høj
kogepunkt	Høj	Høj	Lav	Meget høj
Mekaniske egenskaber	Hård, formbar, tyktflydende	Hård, skør	Blød	Meget hårdt
Elektrisk ledningsevne	Gode ​​guider	I fast form - dielektriske stoffer; i en smelte eller opløsning - ledere	Dielektrik	Dielektrik (undtagen grafit)
Opløselighed
i vandet	Uopløselig	Opløselig	Uopløselig	Uopløselig
i ikke-polære opløsningsmidler	Uopløselig	Uopløselig	Opløselig	Uopløselig

(Alle definitioner, formler, grafer og ligninger for reaktioner er angivet.)

Ifølge Boyles atom-molekylære teori består alle stoffer af molekyler, der er i konstant bevægelse. Men er der nogen specifik struktur i stoffer? Eller består de simpelthen af ​​tilfældigt bevægende molekyler?

Faktisk har alle stoffer, der er i atmosfæren, en klar struktur. fast tilstand. Atomer og molekyler bevæger sig, men tiltræknings- og frastødningskræfterne mellem partikler er afbalancerede, så atomer og molekyler er placeret på et bestemt punkt i rummet (men fortsætter med at lave små udsving afhængigt af temperaturen). Sådanne strukturer kaldes krystalgitre. De steder, hvor selve molekylerne, ionerne eller atomerne befinder sig, kaldes noder. Og afstandene mellem noderne kaldes - perioder med identitet. Afhængigt af partiklernes position i rummet er der flere typer:

1. atomar;
2. ionisk;
3. molekylær;
4. metal.

I flydende og gasformige tilstande har stoffer ikke et klart gitter, og deres molekyler bevæger sig kaotisk, hvorfor de ikke har nogen form. For eksempel er ilt, når det er i en gasform, en farveløs, lugtfri gas i en flydende tilstand (ved -194 grader) er det en blålig opløsning. Når temperaturen falder til -219 grader, bliver ilt til en fast tilstand og bliver rød. gitter, mens det bliver til en snelignende masse blå.

Interessant nok har amorfe stoffer ikke en klar struktur, hvorfor de ikke har strenge smelte- og kogepunkter. Når de opvarmes, blødgøres harpiks og plasticin gradvist og bliver flydende, og de har ikke en klar overgangsfase.

Atomisk krystalgitter

Noderne indeholder atomer, som navnet antyder. Disse stoffer er meget stærke og holdbare, da der dannes en kovalent binding mellem partiklerne. Naboatomer deler et par elektroner med hinanden (eller mere præcist, deres elektronskyer er lagdelt oven på hinanden), og derfor er de meget godt forbundet med hinanden. Det mest oplagte eksempel er diamant, som har den største hårdhed på Mohs-skalaen. Interessant nok består diamant, ligesom grafit, af kulhydrater. Grafit er et meget sprødt stof (Mohs hårdhed 1), hvilket er et klart eksempel hvor meget afhænger af arten.

Atomområdet gitter dårligt fordelt i naturen, det omfatter: kvarts, bor, sand, silicium, siliciumoxid (IV), germanium, bjergkrystal. Disse stoffer er kendetegnet ved et højt smeltepunkt, styrke, og disse forbindelser er meget hårde og uopløselige i vand. På grund af den meget stærke binding mellem atomer, er disse kemiske forbindelser De interagerer næsten ikke med andre og fører strøm meget dårligt.

Ionisk krystalgitter

I denne type er ioner placeret ved hver knude. Følgelig er denne type karakteristisk for stoffer med ionbindinger, for eksempel: kaliumchlorid, calciumsulfat, kobberchlorid, sølvphosphat, kobberhydroxid og så videre. Stoffer med et sådant partikelforbindelsesskema omfatter;

• salt;
• metalhydroxider;
• metaloxider.

Natriumchlorid har skiftende positive (Na +) og negative (Cl -) ioner. En klorion placeret i en knude tiltrækker to natriumioner (på grund af det elektromagnetiske felt), der er placeret i naboknuder. Der dannes således en terning, hvori partiklerne hænger sammen.

Det ioniske gitter er karakteriseret ved styrke, ildfasthed, stabilitet, hårdhed og ikke-flygtighed. Nogle stoffer kan lede elektricitet.

Molekylært krystalgitter

Noderne i denne struktur indeholder molekyler, der er tæt pakket sammen. Sådanne stoffer er karakteriseret ved kovalente polære og ikke-polære bindinger. Interessant, uanset kovalent binding, danner man en meget svag tiltrækning mellem partiklerne (pga. svage van der Waals-kræfter). Derfor er sådanne stoffer meget skrøbelige, har lave koge- og smeltepunkter og er også flygtige. Disse stoffer omfatter: vand, organiske stoffer (sukker, naphthalen), kulilte (IV), svovlbrinte, ædelgasser, to- (brint, oxygen, klor, nitrogen, jod), tre- (ozon), fire- (fosfor). ), otte-atomare (svovl) stoffer og så videre.

En af særpræg — dette er, at den strukturelle og rumlige model er bevaret i alle faser (både fast, flydende og gasformig).

Metal krystal gitter

På grund af tilstedeværelsen af ​​ioner ved knuderne, kan metalgitteret synes at ligne et ionisk gitter. Faktisk er der tale om to helt forskellige modeller, med forskellige egenskaber.

Metal er meget mere fleksibelt og duktilt end ionisk, det er kendetegnet ved styrke, høj elektrisk og termisk ledningsevne, disse stoffer smelter godt og leder elektrisk strøm godt. Dette forklares ved, at knudepunkterne indeholder positivt ladede metalioner (kationer), som kan bevæge sig gennem hele strukturen og derved sikre strømmen af ​​elektroner. Partiklerne bevæger sig kaotisk rundt i deres knude (de har ikke nok energi til at gå ud over), men så snart et elektrisk felt opstår, danner elektroner en strøm og skynder sig fra det positive til det negative område.

Metalkrystalgitteret er karakteristisk for metaller, for eksempel: bly, natrium, kalium, calcium, sølv, jern, zink, platin og så videre. Den er blandt andet opdelt i flere typer emballage: sekskantet, kropscentreret (mindst tæt) og ansigtscentreret. Den første pakke er typisk for zink, kobolt, magnesium, den anden for barium, jern, natrium, den tredje for kobber, aluminium og calcium.

Således, afhængig af risttype mange egenskaber afhænger, såvel som stoffets struktur. Når du kender typen, kan du for eksempel forudsige, hvad et objekts ildfasthed eller styrke vil være.

Det er ikke individuelle atomer eller molekyler, der indgår i kemiske interaktioner, men stoffer.

Vores opgave er at sætte os ind i stoffets struktur.

Ved lave temperaturer er stoffer i en stabil fast tilstand.

☼ Det hårdeste stof i naturen er diamant. Han betragtes som kongen af ​​alle ædelstene og ædelsten. Og selve navnet betyder "uopslidelig" på græsk. Diamanter er længe blevet set på som mirakuløse sten. Det blev antaget, at en person, der bærer diamanter, ikke kender mavesygdomme, ikke er påvirket af gift, bevarer sin hukommelse og et muntert humør indtil alderdommen og nyder kongelig gunst.

☼ En diamant, der har været udsat for smykkebearbejdning - skæring, polering - kaldes en diamant.

Ved smeltning forstyrres partiklernes rækkefølge som følge af termiske vibrationer, de bliver mobile, mens den kemiske bindings natur ikke forstyrres. Der er således ingen grundlæggende forskelle mellem faste og flydende tilstande.

Væsken opnår fluiditet (dvs. evnen til at tage form af et kar).

Flydende krystaller

Flydende krystaller blev opdaget i slutningen af ​​det 19. århundrede, men er blevet undersøgt i de sidste 20-25 år. Mange displayenheder med moderne teknologi, for eksempel nogle elektroniske ure og minicomputere, fungerer på flydende krystaller.

Generelt lyder ordene "flydende krystaller" ikke mindre usædvanlige end " varm is". Men i virkeligheden kan is være varm, fordi... ved et tryk på mere end 10.000 atm. vandis smelter ved temperaturer over 200 0 C. Det usædvanlige ved kombinationen "flydende krystaller" er, at den flydende tilstand angiver strukturens mobilitet, og krystallen indebærer streng orden.

Hvis et stof består af polyatomiske molekyler med en langstrakt eller lamelformet form og har en asymmetrisk struktur, så når det smelter, er disse molekyler orienteret på en bestemt måde i forhold til hinanden (deres lange akser er parallelle). I dette tilfælde kan molekylerne bevæge sig frit parallelt med sig selv, dvs. systemet opnår egenskaben fluiditet, der er karakteristisk for en væske. Samtidig bevarer systemet en ordnet struktur, som bestemmer de karakteristiske egenskaber for krystaller.

Den høje mobilitet af en sådan struktur gør det muligt at kontrollere den gennem meget svage påvirkninger (termisk, elektrisk osv.), dvs. målrettet ændre et stofs egenskaber, herunder optiske, med meget lille energiforbrug, hvilket er det, der bruges i moderne teknologi.

Typer af krystalgitre

Ethvert kemisk stof dannes af et stort antal identiske partikler, der er indbyrdes forbundne.

Ved lave temperaturer, når termisk bevægelse er vanskelig, er partiklerne strengt orienteret i rum og form krystalgitter.

Krystalgitter – Denne struktur med et geometrisk korrekt arrangement af partikler i rummet.

I selve krystalgitteret skelnes noder og internodalt rum.

Det samme stof afhængigt af forholdene (s, t,...) eksisterer i forskellige krystallinske former (dvs. de har forskellige krystalgitre) - allotrope modifikationer, der adskiller sig i egenskaber.

For eksempel er fire modifikationer af kulstof kendt: grafit, diamant, carbyne og lonsdaleite.

☼ Den fjerde variant af krystallinsk kulstof, "lonsdaleite", er lidt kendt. Den blev opdaget i meteoritter og opnået kunstigt, og dens struktur studeres stadig.

☼ Sod, koks og trækul blev klassificeret som amorfe kulstofpolymerer. Det er dog nu blevet kendt, at der også er tale om krystallinske stoffer.

☼ Forresten blev der fundet skinnende sorte partikler i soden, som blev kaldt "spejlkulstof". Spejlkulstof er kemisk inert, varmebestandigt, uigennemtrængeligt for gasser og væsker, har en glat overflade og er absolut kompatibel med levende væv.

☼ Navnet grafit kommer fra det italienske "graffito" - jeg skriver, jeg tegner. Grafit er mørkegrå krystaller med en svag metallisk glans og har et lagdelt gitter. Individuelle lag af atomer i en grafitkrystal, forbundet med hinanden relativt svagt, er let adskilt fra hinanden.

TYPER AF KRYSTALLISTER

	ionisk			metal
Hvad er der i krystalgitterets noder, strukturel enhed	ioner	atomer	molekyler	atomer og kationer
Type kemisk binding mellem partikler i knudepunktet	ionisk		kovalent: polær og ikke-polær	metal
Interaktionskræfter mellem krystalpartikler	elektrostatisk logisk	kovalent	intermolekylær- ny	elektrostatisk logisk
Fysiske egenskaber, forårsaget af krystalgitteret	· Tiltrækningskræfterne mellem ioner er stærke, · T pl. (ildfast), · let opløses i vand, · smelter og opløsning leder elektrisk strøm,	ikke-flygtig (ingen lugt) · kovalente bindinger mellem atomer er store, · T pl. og T kip er meget,	· må ikke opløses i vand, · smelten leder ikke elektrisk strøm · tiltrækningskræfterne mellem molekyler er små, · T pl. ↓,	nogle er opløselige i vand, · har en flygtig lugt · interaktionskræfter er store,
· T pl. , Høj varme og elektrisk ledningsevne	Fysisk tilstand	Fysisk tilstand	stoffer under normale forhold hård hård,	stoffer under normale forhold gasformig flydende
væske (N	g)	Eksempler de fleste salte, alkalier, typiske metaloxider C (diamant, grafit), Si, Ge, B, SiO 2, CaC 2,	SiC (carborundum), BN, Fe 3 C, TaC (t pl. =3800 0 C) Rød og sort fosfor. Oxider af nogle metaller.	alle gasser, væsker, de fleste ikke-metaller: inerte gasser, halogener, H 2, N 2, O 2, O 3, P 4 (hvid), S 8. Hydrogenforbindelser af ikke-metaller, oxider af ikke-metaller: H 2 O,

CO 2 "tøris". De fleste organiske forbindelser.

1. Metaller, legeringer

Hvis krystalvæksthastigheden er lav ved afkøling, dannes en glasagtig tilstand (amorf).

		Forholdet mellem et grundstofs position i det periodiske system og krystalgitteret af dets simple stof.
				Der er et tæt forhold mellem et grundstofs position i det periodiske system og krystalgitteret af dets tilsvarende grundstofstof.				gruppe	III
VII VIII n e r Og								O
						d	H 2	N 2
	Der er et tæt forhold mellem et grundstofs position i det periodiske system og krystalgitteret af dets tilsvarende grundstofstof.					O2	F 2	P 4
								S 8
								Cl2
BR 2 jeg 2		metal					Type	krystalgitter

De simple stoffer i de resterende elementer har et metallisk krystalgitter.

FASTSÆTNING

Studer forelæsningsmaterialet og besvar følgende spørgsmål skriftligt i din notesbog:

1. Hvad er et krystalgitter?
2. Hvilke typer krystalgitre findes?
3. Karakteriser hver type krystalgitter i henhold til planen: Hvad er der i krystalgitterets noder, strukturel enhed → Type kemisk binding mellem nodens partikler → Interaktionskræfter mellem krystallens partikler → Fysiske egenskaber på grund af krystallen gitter → Aggregeret tilstand af stoffet under normale forhold → Eksempler

Fuldfør opgaver om dette emne:

1. Hvilken type krystalgitter har følgende stoffer almindeligt anvendt i hverdagen: vand, eddikesyre (CH 3 COOH), sukker (C 12 H 22 O 11), potaske gødning(KCl), flodsand (SiO 2) - smeltepunkt 1710 0 C, ammoniak (NH 3), bordsalt? Lav en generel konklusion: ud fra hvilke egenskaber ved et stof kan man bestemme typen af ​​dets krystalgitter?
2. Ved hjælp af formlerne for de givne stoffer: SiC, CS 2, NaBr, C 2 H 2 - bestem typen af ​​krystalgitter (ionisk, molekylær) for hver forbindelse og beskriv ud fra dette de fysiske egenskaber for hvert af de fire stoffer .
   
3. Træner nr. 1. "Krystalgitter"
   
4. Træner nr. 2. "Testopgaver"
   
5. Test (selvkontrol):

1) Stoffer, der har et molekylært krystalgitter, som regel:

en). ildfast og meget opløseligt i vand
b). smeltelig og flygtig
V). Solid og elektrisk ledende
G). Termisk ledende og plastik

2) Begrebet "molekyle" ikke gældende i forhold til et stofs strukturelle enhed:

en). vand

b). ilt

V). diamant

G). ozon

3) Det atomare krystalgitter er karakteristisk for:

en). aluminium og grafit

b). svovl og jod

V). siliciumoxid og natriumchlorid

G). diamant og bor

4) Hvis et stof er meget opløseligt i vand, har det høj temperatur smeltende, elektrisk ledende, derefter dets krystalgitter:

EN). molekylær

b). atomar

V). ionisk

G). metal