Diagram av et ionisk krystallgitter. Krystallgitter i kjemi

Når du utfører mange fysiske og kjemiske reaksjoner stoffet går over i en fast aggregeringstilstand. I dette tilfellet har molekyler og atomer en tendens til å ordne seg i en slik romlig rekkefølge der samspillskreftene mellom partikler av materie ville være maksimalt balansert. Slik oppnås styrken til det faste stoffet. Atomer, når de har en bestemt posisjon, blir små oscillerende bevegelser, hvis amplitude avhenger av temperatur, men deres plassering i rommet forblir fast. Tiltreknings- og frastøtningskreftene balanserer hverandre på en viss avstand.

Moderne ideer om materiens struktur

Moderne vitenskap sier at et atom består av en ladet kjerne, som bærer en positiv ladning, og elektroner, som bærer negative ladninger. Med en hastighet på flere tusen billioner omdreininger per sekund roterer elektroner i banene deres, og lager en elektronsky rundt kjernen. Den positive ladningen til kjernen er numerisk lik den negative ladningen til elektronene. Dermed forblir atomet til stoffet elektrisk nøytralt. Mulige interaksjoner med andre atomer oppstår når elektroner løsnes fra sitt overordnede atom, og dermed forstyrrer den elektriske balansen. I ett tilfelle står atomene på linje i en bestemt rekkefølge, som kalles krystallgitteret. I en annen, på grunn av den komplekse interaksjonen mellom kjerner og elektroner, kombineres de til molekyler forskjellige typer og kompleksitet.

Definisjon av krystallgitter

Totalt Forskjellige typer Krystallgitter av stoffer er nettverk med forskjellige romlige orienteringer, ved hvilke noder ioner, molekyler eller atomer er lokalisert. Denne stabile geometriske romlige posisjonen kalles stoffets krystallgitter. Avstanden mellom noder i en krystallcelle kalles identitetsperioden. De romlige vinklene som cellenodene befinner seg i kalles parametere. I henhold til metoden for å konstruere bindinger, kan krystallgitter være enkle, basesentrerte, ansiktssentrerte og kroppssentrerte. Hvis partiklene av materie er plassert bare i hjørnene av parallellepipedet, kalles et slikt gitter enkelt. Et eksempel på et slikt gitter er vist nedenfor:

Hvis partiklene til stoffet i tillegg til nodene er plassert i midten av de romlige diagonalene, kalles dette arrangementet av partikler i stoffet et kroppssentrert krystallgitter. Denne typen er tydelig vist på figuren.

Hvis det i tillegg til nodene på toppene av gitteret er en node på stedet der de imaginære diagonalene til parallellepipedet krysser hverandre, så har du en ansiktssentrert type gitter.

Typer krystallgitter

De forskjellige mikropartiklene som utgjør et stoff bestemmer de forskjellige typene krystallgitter. De kan bestemme prinsippet for å bygge forbindelser mellom mikropartikler inne i en krystall. Fysiske typer krystallgitter er ioniske, atomære og molekylære. Dette inkluderer også ulike typer metallkrystallgitter. Kjemi studerer prinsippene for den indre strukturen til elementer. Typene krystallgitter er presentert mer detaljert nedenfor.

Ioniske krystallgitter

Disse typene krystallgitter er tilstede i forbindelser med en ionisk type binding. I dette tilfellet inneholder gittersteder ioner med motsatt elektrisk ladning. Takket være det elektromagnetiske feltet er kreftene til interionisk interaksjon ganske sterke, og dette bestemmer de fysiske egenskapene til stoffet. Vanlige kjennetegn er ildfasthet, tetthet, hardhet og evnen til å lede elektrisk strøm. Ioniske typer krystallgitter finnes i stoffer som bordsalt, kaliumnitrat og andre.

Atomiske krystallgitter

Denne typen struktur av materie er iboende i elementer hvis struktur er bestemt av kovalente kjemiske bindinger. Typer av krystallgitter av denne typen inneholder individuelle atomer ved nodene, forbundet med hverandre med sterke kovalente bindinger. Denne typen binding oppstår når to identiske atomer "deler" elektroner, og danner dermed et felles elektronpar for naboatomer. Takket være denne interaksjonen binder kovalente bindinger atomer jevnt og sterkt i en viss rekkefølge. Kjemiske grunnstoffer som inneholder atomtyper av krystallgitter er harde, har et høyt smeltepunkt, er dårlige ledere av elektrisitet og er kjemisk inaktive. Klassiske eksempler på elementer med lignende intern struktur Du kan navngi diamant, silisium, germanium, bor.

Molekylære krystallgitter

Stoffer som har en molekylær type krystallgitter er et system av stabile, samvirkende, tettpakkede molekyler som er lokalisert ved nodene til krystallgitteret. I slike forbindelser beholder molekylene sin romlige posisjon i gass-, væske- og fastfase. Ved nodene til krystallen holdes molekyler sammen av svake van der Waals-krefter, som er titalls ganger svakere enn de ioniske interaksjonskreftene.

Molekylene som danner en krystall kan enten være polare eller upolare. På grunn av den spontane bevegelsen av elektroner og vibrasjoner av kjerner i molekyler, kan den elektriske likevekten skifte - det er slik et øyeblikkelig elektrisk dipolmoment oppstår. Passende orienterte dipoler skaper tiltrekningskrefter i gitteret. Karbondioksid og parafin er typiske eksempler på grunnstoffer med et molekylært krystallgitter.

Metall krystall gitter

En metallbinding er mer fleksibel og duktil enn en ionisk binding, selv om det kan virke som om begge er basert på samme prinsipp. Typene av krystallgitter av metaller forklarer deres typiske egenskaper - som mekanisk styrke, termisk og elektrisk ledningsevne og smelteevne.

Et særtrekk ved et metallkrystallgitter er tilstedeværelsen av positivt ladede metallioner (kationer) på stedene til dette gitteret. Mellom nodene er det elektroner som er direkte involvert i skapelsen elektrisk felt rundt risten. Antall elektroner som beveger seg rundt i dette krystallgitteret kalles elektrongass.

I fravær av et elektrisk felt utfører frie elektroner kaotisk bevegelse, og tilfeldig interagerer med gitterioner. Hver slik interaksjon endrer momentumet og bevegelsesretningen til den negativt ladede partikkelen. Med sitt elektriske felt tiltrekker elektroner kationer til seg selv, og balanserer deres gjensidige frastøting. Selv om elektroner anses som frie, er deres energi ikke nok til å forlate krystallgitteret, så disse ladede partiklene er hele tiden innenfor dets grenser.

Tilstedeværelsen av et elektrisk felt gir elektrongassen ytterligere energi. Forbindelsen med ioner i krystallgitteret til metaller er ikke sterk, så elektroner forlater lett sine grenser. Elektroner beveger seg langs kraftlinjer og etterlater positivt ladede ioner.

konklusjoner

Kjemi legger stor vekt på studiet av materiens indre struktur. Typene av krystallgitter av forskjellige elementer bestemmer nesten hele spekteret av egenskapene deres. Ved å påvirke krystaller og endre deres indre struktur, er det mulig å forbedre de ønskede egenskapene til et stoff og fjerne uønskede og transformere kjemiske elementer. Altså studere intern struktur omverdenen kan bidra til å forstå essensen og prinsippene for universets struktur.

Krystallinske stoffer

Fast krystaller- tredimensjonale formasjoner preget av streng repeterbarhet av samme strukturelle element ( Enhetscelle) i alle retninger. Enhetscellen er det minste volumet av en krystall i form av et parallellepiped, som gjentar seg selv et uendelig antall ganger i krystallen.

Den geometrisk korrekte formen til krystaller bestemmes først og fremst av deres strengt regelmessige indre struktur. Hvis vi i stedet for atomer, ioner eller molekyler i en krystall avbilder punkter som tyngdepunktene til disse partiklene, får vi en tredimensjonal regelmessig fordeling av slike punkter, kalt et krystallgitter. Selve punktene kalles noder krystallgitter.

Typer krystallgitter

Avhengig av hvilke partikler krystallgitteret er laget av og hva slags natur kjemisk forbindelse Mellom dem skilles forskjellige typer krystaller.

Ioniske krystaller dannes av kationer og anioner (for eksempel salter og hydroksyder av de fleste metaller). I dem er det en ionisk binding mellom partiklene.

Ioniske krystaller kan bestå av monoatomisk ioner. Dette er hvordan krystaller er bygget natriumklorid, kaliumjodid, kalsiumfluorid.
Dannelsen av ioniske krystaller av mange salter involverer monoatomiske metallkationer og polyatomiske anioner, for eksempel nitrationet NO 3? , sulfation SO 4 2? , karbonation CO 3 2? .

Det er umulig å isolere enkeltmolekyler i en ionisk krystall. Hver kation tiltrekkes av hvert anion og frastøtes av andre kationer. Hele krystallen kan betraktes som et stort molekyl. Størrelsen på et slikt molekyl er ikke begrenset, siden det kan vokse ved å legge til nye kationer og anioner.

De fleste ioniske forbindelser krystalliserer seg i en av strukturtypene, som skiller seg fra hverandre i verdien av koordinasjonstallet, det vil si antall naboer rundt et gitt ion (4, 6 eller 8). For ioniske forbindelser med like mange kationer og anioner, fire hovedtyper av krystallgitter er kjent: natriumklorid (koordinasjonstallet for begge ioner er 6), cesiumklorid (koordinasjonstallet for begge ioner er 8), sfaleritt og wurtzitt (begge strukturelle typer er preget av koordinasjonsnummer for kation og anion lik 4). Hvis antall kationer dobles mindre antall anioner, bør koordinasjonstallet for kationer være det dobbelte av koordinasjonstallet for anioner. I dette tilfellet blir de strukturelle typene fluoritt (koordinasjonsnummer 8 og 4), rutil (koordinasjonsnummer 6 og 3) og cristobalitt (koordinasjonsnummer 4 og 2) realisert.

Vanligvis er ioniske krystaller harde, men sprø. Deres skjørhet skyldes det faktum at selv med en liten deformasjon av krystallen, forskyves kationer og anioner på en slik måte at frastøtende krefter mellom like ioner begynner å seire over tiltrekningskreftene mellom kationer og anioner, og krystallen blir ødelagt.

Ioniske krystaller har høye smeltepunkter. I smeltet tilstand er stoffene som danner ioniske krystaller elektrisk ledende. Når de er oppløst i vann, dissosieres disse stoffene til kationer og anioner, og de resulterende løsningene leder elektrisk strøm.

Høy løselighet i polare løsningsmidler, ledsaget av elektrolytisk dissosiasjon, skyldes det faktum at i et løsemiddelmiljø med høy dielektrisk konstant, avtar tiltrekningsenergien mellom ioner. Den dielektriske konstanten til vann er 82 ganger høyere enn for vakuum (betinget eksisterende i en ionisk krystall), og tiltrekningen mellom ioner i en vandig løsning avtar med samme mengde. Effekten forsterkes ved solvatisering av ioner.

Atomkrystaller består av individuelle atomer holdt sammen av kovalente bindinger. Fra enkle stoffer Bare bor og gruppe IVA-elementer har slike krystallgitter. Ofte danner forbindelser av ikke-metaller med hverandre (for eksempel silisiumdioksid) også atomkrystaller.

Akkurat som ioniske krystaller, kan atomkrystaller betraktes som gigantiske molekyler. De er veldig slitesterke og harde, og leder dårlig varme og elektrisitet. Stoffer som har atomære krystallgitter smelter ved høye temperaturer. De er praktisk talt uløselige i alle løsemidler. De er preget av lav reaktivitet.

Molekylære krystaller er bygget av individuelle molekyler, innenfor hvilke atomene er forbundet med kovalente bindinger. Svakere intermolekylære krefter virker mellom molekyler. De blir lett ødelagt, så molekylære krystaller har lave smeltepunkter, lav hardhet og høy flyktighet. Stoffer som danner molekylære krystallgitter har ikke elektrisk ledningsevne, og deres løsninger og smelter leder heller ikke elektrisk strøm.

Intermolekylære krefter oppstår på grunn av den elektrostatiske interaksjonen mellom de negativt ladede elektronene til ett molekyl med de positivt ladede kjernene til nabomolekylene. Styrken til intermolekylære interaksjoner påvirkes av mange faktorer. Den viktigste blant dem er tilstedeværelsen av polare bindinger, det vil si et skifte i elektrontetthet fra ett atom til et annet. I tillegg er intermolekylære interaksjoner sterkere mellom molekyler med et stort antall elektroner.

De fleste ikke-metaller i form av enkle stoffer (f.eks. jod I 2, argon Ar, svovel S 8) og forbindelser med hverandre (for eksempel vann, karbondioksid, hydrogenklorid), samt nesten alle faste stoffer organisk materiale danner molekylære krystaller.

Metaller er preget av et metallisk krystallgitter. Det inneholder metallforbindelse mellom atomer. I metallkrystaller er atomkjernene ordnet på en slik måte at deres pakking er så tett som mulig. Bindingen i slike krystaller er delokalisert og strekker seg gjennom hele krystallen. Metallkrystaller har høy elektrisk og termisk ledningsevne, metallisk glans og opasitet og lett deformerbarhet.

Klassifiseringen av krystallgitter tilsvarer begrensende tilfeller. De fleste krystaller uorganiske stoffer tilhører mellomtyper - kovalent-ionisk, molekylær-kovalent, etc. For eksempel i en krystall grafitt Innenfor hvert lag er bindingene kovalent-metalliske, og mellom lagene er de intermolekylære.

Isomorfisme og polymorfisme

Mange krystallinske stoffer har samme struktur. Samtidig kan det samme stoffet danne ulike krystallstrukturer. Dette gjenspeiles i fenomenene isomorfisme Og polymorfisme.

Isomorfisme ligger i atomers, ioners eller molekylers evne til å erstatte hverandre i krystallstrukturer. Dette begrepet (fra gresk " isos" - lik og " morph" - form) ble foreslått av E. Mitscherlich i 1819. Loven om isomorfisme ble formulert av E. Mitscherlich i 1821 på denne måten: "Det samme antall atomer, forbundet på samme måte, gir de samme krystallinske formene; Dessuten er den krystallinske formen ikke avhengig av atomenes kjemiske natur, men bestemmes kun av deres antall og relative posisjon.»

Ved å jobbe i det kjemiske laboratoriet ved Universitetet i Berlin trakk Mitscherlich oppmerksomhet til den fullstendige likheten mellom krystallene av bly, barium og strontiumsulfater og likheten mellom de krystallinske formene til mange andre stoffer. Observasjonene hans vakte oppmerksomheten til den berømte svenske kjemikeren J.-Ya. Berzelius, som foreslo at Mitscherlich bekreftet de observerte mønstrene ved å bruke eksemplet på forbindelser av fosfor- og arsensyrer. Som et resultat av studien ble det konkludert med at "de to seriene salt skiller seg bare ved at den ene inneholder arsen som et syreradikal, og den andre inneholder fosfor." Mitscherlichs oppdagelse vakte veldig snart oppmerksomheten til mineraloger, som begynte å forske på problemet med isomorf substitusjon av elementer i mineraler.

Under felles krystallisering av stoffer som er utsatt for isomorfisme ( isomorf stoffer), dannes blandede krystaller (isomorfe blandinger). Dette er bare mulig hvis partiklene som erstatter hverandre avviker lite i størrelse (ikke mer enn 15%). I tillegg må isomorfe stoffer ha et lignende romlig arrangement av atomer eller ioner og derfor likt i ytre form krystaller. Slike stoffer inkluderer for eksempel alun. I krystaller av kaliumalun KAl(SO 4) 2. 12H 2 O-kaliumkationer kan delvis eller fullstendig erstattes av rubidium- eller ammoniumkationer, og aluminiumkationer med krom (III) eller jern (III) kationer.

Isomorfisme er utbredt i naturen. De fleste mineraler er isomorfe blandinger med kompleks, variabel sammensetning. For eksempel, i mineralet sfaleritt ZnS, kan opptil 20 % av sinkatomene erstattes av jernatomer (mens ZnS og FeS har forskjellige krystallstrukturer). Isomorfisme er assosiert med den geokjemiske oppførselen til sjeldne elementer og sporstoffer, deres distribusjon i steiner og malmer, der de er inneholdt i form av isomorfe urenheter.

Isomorf substitusjon bestemmer mange nyttige funksjoner kunstige materialer moderne teknologi- halvledere, ferromagneter, lasermaterialer.

Mange stoffer kan danne krystallinske former som har forskjellige strukturer og egenskaper, men samme sammensetning ( polymorf modifikasjoner). Polymorfisme- evnen til faste stoffer og flytende krystaller til å eksistere i to eller flere former med forskjellige krystallstrukturer og egenskaper med samme kjemiske sammensetning. Dette ordet kommer fra det greske " polymorfos"- mangfoldig. Fenomenet polymorfisme ble oppdaget av M. Klaproth, som i 1798 oppdaget at to forskjellige mineraler - kalsitt og aragonitt - har samme kjemiske sammensetning CaCO 3 .

Polymorfisme av enkle stoffer kalles vanligvis allotropi, mens begrepet polymorfisme ikke gjelder for ikke-krystallinske allotrope former (for eksempel gassformig O 2 og O 3). Et typisk eksempel på polymorfe former er modifikasjoner av karbon (diamant, lonsdaleitt, grafitt, karbiner og fullerener), som avviker kraftig i egenskaper. Den mest stabile formen for eksistens av karbon er grafitt, men dens andre modifikasjoner under normale forhold kan vedvare på ubestemt tid. Ved høye temperaturer blir de til grafitt. Når det gjelder diamant, skjer dette ved oppvarming over 1000 o C i fravær av oksygen. Den omvendte overgangen er mye vanskeligere å oppnå. Ikke bare høy temperatur kreves (1200-1600 o C), men også enormt trykk - opptil 100 tusen atmosfærer. Transformasjonen av grafitt til diamant er lettere i nærvær av smeltede metaller (jern, kobolt, krom og andre).

Når det gjelder molekylære krystaller, manifesterer polymorfisme seg i forskjellig pakking av molekyler i krystallen eller i endringer i formen til molekyler, og i ioniske krystaller - i forskjellige relativ posisjon kationer og anioner. Noen enkle og komplekse stoffer har mer enn to polymorfer. For eksempel har silisiumdioksid ti modifikasjoner, kalsiumfluorid - seks, ammoniumnitrat - fire. Polymorfe modifikasjoner er vanligvis betegnet greske bokstaver b, c, d, e, f,... starter med modifikasjoner som er stabile på lave temperaturer.

Ved krystallisering fra damp, løsning eller smelte av et stoff som har flere polymorfe modifikasjoner, dannes først en modifikasjon som er mindre stabil under gitte forhold, som deretter blir til en mer stabil. For eksempel, når fosfordamp kondenserer, dannes det hvitt fosfor, som under normale forhold sakte, men ved oppvarming, raskt blir til rødt fosfor. Når blyhydroksid er dehydrert, dannes det først (ca. 70 o C) gult b-PbO, som er mindre stabilt ved lave temperaturer, ved ca. 100 o C blir det til rødt b-PbO, og ved 540 o C blir det; tilbake til b-PbO.

Overgangen fra en polymorf til en annen kalles polymorf transformasjon. Disse overgangene oppstår når temperatur eller trykk endres og er ledsaget av en brå endring i egenskaper.

Prosessen med overgang fra en modifikasjon til en annen kan være reversibel eller irreversibel. Når en hvit myk grafittlignende substans med sammensetning BN (bornitrid) oppvarmes til 1500-1800 o C og et trykk på flere titalls atmosfærer, dannes dets høytemperaturmodifikasjon - borazon, nær diamant i hardhet. Når temperaturen og trykket senkes til verdier som tilsvarer normale forhold, beholder borazon sin struktur. Et eksempel på en reversibel overgang er de gjensidige transformasjonene av to modifikasjoner av svovel (ortorombisk og monoklinisk) ved 95 o C.

Polymorfe transformasjoner kan forekomme uten vesentlige endringer i struktur. Noen ganger er det ingen endring i krystallstrukturen i det hele tatt, for eksempel under overgangen av b-Fe til c-Fe ved 769 o C, endres ikke strukturen til jern, men dets ferromagnetiske egenskaper forsvinner.

Kjemisk-termisk behandling (CHT) kalles varmebehandling, bestående av en kombinasjon av termisk og kjemisk eksponering for å endre sammensetningen, strukturen og egenskapene til overflatelaget av stål.

Kjemisk-termisk behandling er en av de vanligste behandlingene av materialer for å gi dem driftsegenskaper. De mest brukte metodene er metning av overflatelaget av stål med karbon og nitrogen, både hver for seg og sammen. Dette er prosessene for karburisering (karburisering) av overflaten, nitrering - metning av ståloverflaten med nitrogen, nitrokarburering og cyanidering - felles innføring av karbon og nitrogen i overflatelagene av stål. Metning av overflatelagene av stål med andre elementer (krom - diffusjonsforkromning, bor - boring, silisium - silisiumplettering og aluminium - aluminisering) brukes mye sjeldnere. Prosessen med diffusjonsmetning av overflaten til en del med sink kalles galvanisering, og med titan - titanering.

Den kjemisk-termiske behandlingsprosessen er en flertrinnsprosess som inkluderer tre påfølgende stadier:

1. Dannelse av aktive atomer i et mettende miljø nær overflaten eller direkte på overflaten av metallet. Kraften til diffusjonsstrømmen, dvs. antall aktive atomer dannet per tidsenhet avhenger av sammensetningen og aggregeringstilstanden til metningsmediet, som kan være fast, flytende eller gassformig, interaksjonen mellom individuelle komponenter med hverandre, temperatur, trykk og kjemisk oppbygning bli til.

2. Adsorpsjon (sorpsjon) av de dannede aktive atomene av metningsoverflaten. Adsorpsjon er en kompleks prosess som skjer på metningsoverflaten på en ikke-stasjonær måte. Det skilles mellom fysisk (reversibel) adsorpsjon og kjemisk adsorpsjon (kjemisorpsjon). Under kjemisk-termisk behandling overlapper disse adsorpsjonstypene hverandre. Fysisk adsorpsjon fører til adhesjon av adsorberte atomer av det mettende elementet (adsorbat) til den dannede overflaten (adsorbent) på grunn av virkningen av van der Waals tiltrekningskrefter, og det er preget av enkel reversibilitet av adsorpsjonsprosessen - desorpsjon. Under kjemisorpsjon oppstår en interaksjon mellom atomene i adsorbatet og adsorbenten, som er nær kjemisk i natur og styrke.

3. Diffusjon - bevegelse av adsorberte atomer i gitteret til metallet som behandles. Diffusjonsprosessen er bare mulig hvis det er løselighet av det diffuserende elementet i materialet som behandles og en tilstrekkelig høy temperatur til å gi den nødvendige energien for at prosessen skal fortsette. Tykkelsen på diffusjonslaget, og derfor tykkelsen på det herdede laget av overflaten av produktet, er den viktigste egenskapen til kjemisk-termisk behandling. Tykkelsen på sjiktet bestemmes av en rekke faktorer som metningstemperatur, varighet av metningsprosessen, stålsammensetning, d.v.s. innholdet av visse legeringselementer i det, konsentrasjonsgradienten til det mettede elementet mellom overflaten av produktet og i dybden av det mettede laget.

Skjæreverktøyet fungerer under forhold med langvarig kontakt og friksjon med metallet som behandles. Under drift må konfigurasjonen og egenskapene til skjærekanten forbli uendret. Materialet for fremstilling av skjæreverktøy må ha høy hardhet (IKS 60-62) og slitestyrke, d.v.s. evnen lang tid opprettholde skjæreegenskapene til eggen under friksjonsforhold.

Jo større hardhet de bearbeidede materialene har, jo tykkere spon og jo høyere skjærehastighet, jo større energi brukes på skjæreprosessen. Mekanisk energi blir til termisk energi. Den genererte varmen varmer opp kutteren, arbeidsstykket og flisene og forsvinner delvis. Derfor er hovedkravet til verktøymaterialer høy varmebestandighet, dvs. evnen til å opprettholde hardhet og skjæreegenskaper under langvarig oppvarming under drift. Basert på varmebestandighet er det tre grupper av verktøystål for skjærende verktøy: ikke-varmebestandig, semi-varmebestandig og varmebestandig.

Når ikke-varmebestandige stål varmes opp til 200-300°C under skjæreprosessen, frigjøres karbon fra den herdende martensitten og koagulering av karbider av sementitttype begynner. Dette fører til tap av hardhet og slitestyrke på skjæreverktøyet. Ikke-varmebestandige stål inkluderer karbon og lavlegert stål. Halvvarmebestandige stål, som inkluderer noen mellomlegerte stål, for eksempel 9Kh5VF, beholder hardhet opp til temperaturer på 300-500°C. Varmebestandig stål beholder hardheten og slitestyrken når de varmes opp til temperaturer på 600°C.

Karbon og lavlegerte stål har relativt lav varmebestandighet og lav herdbarhet, så de brukes for enklere arbeidsforhold ved lave skjærehastigheter. Høyhastighetsstål, som har høyere varmebestandighet og herdbarhet, brukes til tøffere arbeidsforhold. Karbid og keramiske materialer tillater enda høyere kuttehastigheter. Av de eksisterende materialene har bornitrid, elbor, den største varmebestandigheten Elbor tillater bearbeiding av materialer med høy hardhet, slik som herdet stål, ved høye hastigheter.

De fleste faste stoffer har en krystallinsk struktur. Krystallcelle bygget fra repeterende identiske strukturelle enheter, individuelle for hver krystall. Denne strukturelle enheten kalles "enhetscellen". Med andre ord tjener krystallgitteret som en refleksjon av den romlige strukturen til et fast stoff.

Krystallgitter kan klassifiseres på forskjellige måter.

JEG. I henhold til symmetrien til krystaller gitter er klassifisert i kubiske, tetragonale, rombiske, sekskantede.

Denne klassifiseringen er praktisk for å vurdere de optiske egenskapene til krystaller, så vel som deres katalytiske aktivitet.

II. Av partiklenes natur, lokalisert ved gitternoder og etter type kjemisk binding det er et skille mellom dem atomære, molekylære, ioniske og metallkrystallgitter. Typen binding i en krystall bestemmer forskjellen i hardhet, løselighet i vann, oppløsningsvarmen og fusjonsvarmen og elektrisk ledningsevne.

Viktig egenskap krystall er krystallgitter energi, kJ/mol – energien som må brukes for å ødelegge en gitt krystall.

Molekylært gitter

Molekylære krystaller består av molekyler holdt i visse posisjoner av krystallgitteret av svake intermolekylære bindinger (van der Waals-krefter) eller hydrogenbindinger. Disse gitterne er karakteristiske for stoffer med kovalente bindinger.

Det er mange stoffer med et molekylært gitter. Dette stort antall organiske forbindelser(sukker, naftalen, etc.), krystallinsk vann (is), fast karbondioksid("tørris"), faste hydrogenhalogenider, jod, faste gasser, inkludert edle,

Energien til krystallgitteret er minimal for stoffer med ikke-polare og lavpolare molekyler (CH 4, CO 2, etc.).

Gitter dannet av mer polare molekyler har også en høyere krystallgitterenergi. Den største energien besittes av gitter som inneholder stoffer som dannes hydrogenbindinger(H20, NH3).

På grunn av den svake interaksjonen mellom molekyler er disse stoffene flyktige, smeltbare, har lav hardhet, leder ikke elektrisk strøm (dielektriske) og har lav varmeledningsevne.

Atomgitter

I noder atomisk krystallgitter det er atomer av ett eller forskjellige grunnstoffer forbundet med hverandre med kovalente bindinger langs alle tre aksene. Slik krystaller som også kalles kovalent, er relativt få i antall.

Eksempler på krystaller av denne typen inkluderer diamant, silisium, germanium, tinn og også krystaller komplekse stoffer, slik som bornitrid, aluminiumnitrid, kvarts, silisiumkarbid. Alle disse stoffene har et diamantlignende gitter.

Energien til krystallgitteret i slike stoffer faller praktisk talt sammen med energien til den kjemiske bindingen (200 – 500 kJ/mol). Dette bestemmer deres fysiske egenskaper: høy hardhet, smeltepunkt og kokepunkt.

De elektrisk ledende egenskapene til disse krystallene er varierte: diamant, kvarts, bornitrid er dielektrikum; silisium, germanium – halvledere; Metallisk grå tinn leder strøm godt.

I krystaller med et atomisk krystallgitter er det umulig å skille en separat strukturell enhet. Hele enkeltkrystallen er ett gigantisk molekyl.

Ionisk gitter

I noder ionisk gitter positive og negative ioner veksler, mellom hvilke elektrostatiske krefter virker. Ioniske krystaller danner forbindelser med ioniske bindinger, for eksempel natriumklorid NaCl, kaliumfluorid og KF, etc. Ioneforbindelser kan også inkludere komplekse ioner, for eksempel NO 3 -, SO 4 2 -.

Ioniske krystaller er også et gigantisk molekyl der hvert ion er betydelig påvirket av alle andre ioner.

Energien til det ioniske krystallgitteret kan nå betydelige verdier. Så E (NaCl) = 770 kJ/mol, og E (BeO) = 4530 kJ/mol.

Ioniske krystaller har høye smelte- og kokepunkter og høy styrke, men er sprø. Mange av dem leder strøm dårlig når romtemperatur(omtrent tjue størrelsesordener lavere enn for metaller), men med økende temperatur observeres en økning i elektrisk ledningsevne.

Metallrist

Metallkrystaller gi eksempler på de enkleste krystallstrukturene.

Metallioner i gitteret til en metallkrystall kan omtrent betraktes i form av kuler. I harde metaller disse kulene er pakket med maksimal tetthet, som indikert av den betydelige tettheten til 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 gull). Den mest tette pakningen av kuler i ett lag er en sekskantet pakning, der hver kule er omgitt av seks andre kuler (i samme plan). Sentrum av alle tre tilstøtende kuler danner en likesidet trekant.

Egenskaper til metaller som høy duktilitet og formbarhet indikerer mangel på stivhet i metallrister: deres fly beveger seg ganske lett i forhold til hverandre.

Valenselektroner deltar i dannelsen av bindinger med alle atomer og beveger seg fritt gjennom hele volumet av et metallstykke. Dette er indikert høye verdier elektrisk ledningsevne og termisk ledningsevne.

Når det gjelder krystallgitterenergi, inntar metaller en mellomposisjon mellom molekylære og kovalente krystaller. Energien til krystallgitteret er:

De fysiske egenskapene til faste stoffer avhenger således betydelig av typen kjemisk binding og struktur.

Struktur og egenskaper til faste stoffer

Kjennetegn	Krystaller
Metall	Ionisk	Molekylær	Atomisk
Eksempler	K, Al, Cr, Fe	NaCl, KNO3	I 2, naftalen	diamant, kvarts
Strukturelle partikler	Positive ioner og mobile elektroner	Kationer og anioner	Molekyler	Atomer
Type kjemisk binding	Metall	Ionisk	I molekyler - kovalent; mellom molekyler - van der Waals-krefter og hydrogenbindinger	Mellom atomer - kovalent
t smelter	Høy	Høy	Lav	Veldig høy
kokepunkt	Høy	Høy	Lav	Veldig høy
Mekaniske egenskaper	Hard, formbar, tyktflytende	Hard, sprø	Myk	Veldig vanskelig
Elektrisk Strømføringsevne	Gode guider	I fast form - dielektriske; i en smelte eller løsning - ledere	Dielektrikk	Dielektrikk (unntatt grafitt)
Løselighet
i vann	Uløselig	Løselig	Uløselig	Uløselig
i ikke-polare løsemidler	Uløselig	Uløselig	Løselig	Uløselig

(Alle definisjoner, formler, grafer og ligninger av reaksjoner er oppgitt.)

I følge Boyles atom-molekylære teori består alle stoffer av molekyler som er i konstant bevegelse. Men er det noen spesifikk struktur i stoffer? Eller består de rett og slett av tilfeldig bevegelige molekyler?

Faktisk har alle stoffer som er i atmosfæren en klar struktur. fast tilstand. Atomer og molekyler beveger seg, men tiltreknings- og frastøtningskreftene mellom partikler er balansert, så atomer og molekyler befinner seg på et bestemt punkt i rommet (men fortsetter å lage små svingninger avhengig av temperatur). Slike strukturer kalles krystallgitter. Stedene der selve molekylene, ionene eller atomene befinner seg kalles noder. Og avstandene mellom nodene kalles - perioder med identitet. Avhengig av plasseringen av partikler i rommet, er det flere typer:

atomisk;
ionisk;
molekylær;
metall.

I flytende og gassformige tilstander har ikke stoffer et klart gitter, og molekylene deres beveger seg kaotisk, og derfor har de ingen form. For eksempel er oksygen, når det er i gassform, en fargeløs, luktfri gass i flytende tilstand (ved -194 grader) er det en blåaktig løsning. Når temperaturen synker til -219 grader, blir oksygen til en fast tilstand og blir rød. gitter, mens det blir til en snølignende masse av blå farge.

Interessant nok har ikke amorfe stoffer en klar struktur, og det er derfor de ikke har strenge smelte- og kokepunkter. Når de varmes opp, mykner harpiks og plasticine gradvis og blir flytende, de har ikke en klar overgangsfase.

Atomisk krystallgitter

Nodene inneholder atomer, som navnet antyder. Disse stoffene er veldig sterke og holdbare, siden det dannes en kovalent binding mellom partiklene. Naboatomer deler et elektronpar med hverandre (eller rettere sagt, deres elektronskyer er lagdelt oppå hverandre), og derfor er de veldig godt forbundet med hverandre. Det mest åpenbare eksemplet er diamant, som har størst hardhet på Mohs-skalaen. Interessant nok består diamant, som grafitt, av karbohydrater. Grafitt er et veldig sprøtt stoff (Mohs hardhet 1), som er et tydelig eksempel hvor mye avhenger av arten.

Atomområde gitter dårlig distribuert i naturen, det inkluderer: kvarts, bor, sand, silisium, silisiumoksid (IV), germanium, bergkrystall. Disse stoffene er karakterisert ved et høyt smeltepunkt, styrke, og disse forbindelsene er svært harde og uløselige i vann. På grunn av den meget sterke bindingen mellom atomer, disse kjemiske forbindelser De samhandler nesten ikke med andre og fører strøm veldig dårlig.

Ionisk krystallgitter

I denne typen er ioner plassert ved hver node. Følgelig er denne typen karakteristisk for stoffer med en ionisk binding, for eksempel: kaliumklorid, kalsiumsulfat, kobberklorid, sølvfosfat, kobberhydroksid og så videre. Stoffer med et slikt partikkelforbindelsesskjema inkluderer;

salt;
metallhydroksider;
metalloksider.

Natriumklorid har vekslende positive (Na +) og negative (Cl -) ioner. Ett klorion lokalisert i en node tiltrekker seg to natriumioner (på grunn av det elektromagnetiske feltet) som befinner seg i nabonoder. Dermed dannes det en kube der partiklene henger sammen.

Det ioniske gitteret er preget av styrke, ildfasthet, stabilitet, hardhet og ikke-flyktighet. Noen stoffer kan lede strøm.

Molekylært krystallgitter

Nodene til denne strukturen inneholder molekyler som er tett pakket sammen. Slike stoffer er preget av kovalente polare og ikke-polare bindinger. Interessant, uansett kovalent binding, danner du en veldig svak tiltrekning mellom partiklene (på grunn av svake van der Waals-krefter). Det er derfor slike stoffer er veldig skjøre, har lave koke- og smeltepunkter, og er også flyktige. Disse stoffene inkluderer: vann, organiske stoffer (sukker, naftalen), karbonmonoksid (IV), hydrogensulfid, edelgasser, to- (hydrogen, oksygen, klor, nitrogen, jod), tre- (ozon), fire- (fosfor). ), åtteatomiske (svovel) stoffer og så videre.

En av særegne trekk — dette er at den strukturelle og romlige modellen er bevart i alle faser (både fast, flytende og gass).

Metall krystallgitter

På grunn av tilstedeværelsen av ioner ved nodene, kan metallgitteret se ut til å være likt et ionegitter. Faktisk er dette to helt forskjellige modeller, med ulike egenskaper.

Metall er mye mer fleksibelt og duktilt enn ionisk, det er preget av styrke, høy elektrisk og termisk ledningsevne, disse stoffene smelter godt og leder elektrisk strøm godt. Dette forklares med at nodene inneholder positivt ladede metallioner (kationer), som kan bevege seg gjennom hele strukturen, og dermed sikre strømmen av elektroner. Partiklene beveger seg kaotisk rundt noden deres (de har ikke nok energi til å gå utover), men så snart et elektrisk felt dukker opp, danner elektroner en strøm og suser fra det positive til det negative området.

Metallkrystallgitteret er karakteristisk for metaller, for eksempel: bly, natrium, kalium, kalsium, sølv, jern, sink, platina og så videre. Den er blant annet delt inn i flere typer emballasje: sekskantet, kroppssentrert (minst tett) og ansiktssentrert. Den første pakken er typisk for sink, kobolt, magnesium, den andre for barium, jern, natrium, den tredje for kobber, aluminium og kalsium.

Dermed, avhengig av risttype mange egenskaper avhenger, så vel som strukturen til stoffet. Når du kjenner typen, kan du for eksempel forutsi hva ildfastheten eller styrken til et objekt vil være.

Det er ikke individuelle atomer eller molekyler som inngår i kjemiske interaksjoner, men stoffer.

Vår oppgave er å sette oss inn i materiens struktur.

Ved lave temperaturer er stoffene i en stabil fast tilstand.

☼ Det hardeste stoffet i naturen er diamant. Han regnes som kongen av alle edelstener og dyrebare steiner. Og selve navnet betyr "uødeleggelig" på gresk. Diamanter har lenge blitt sett på som mirakuløse steiner. Det ble antatt at en person som bærer diamanter ikke kjenner magesykdommer, ikke er påvirket av gift, beholder minnet og et muntert humør til alderdommen og nyter kongelig gunst.

☼ En diamant som har vært utsatt for smykkebehandling – skjæring, polering – kalles en diamant.

Ved smelting som et resultat av termiske vibrasjoner blir rekkefølgen til partiklene forstyrret, de blir mobile, mens den kjemiske bindingens natur ikke blir forstyrret. Dermed er det ingen grunnleggende forskjeller mellom fast og flytende tilstand.

Væsken oppnår fluiditet (dvs. evnen til å ta form av et kar).

Flytende krystaller

Flytende krystaller ble oppdaget på slutten av 1800-tallet, men har blitt studert de siste 20-25 årene. Mange skjermenheter med moderne teknologi, for eksempel noen elektroniske klokker og minidatamaskiner, opererer på flytende krystaller.

Generelt høres ordene "flytende krystaller" ikke mindre uvanlig ut enn " varm is". Men i virkeligheten kan isen også være varm, fordi... ved et trykk på mer enn 10 000 atm. vannis smelter ved temperaturer over 200 0 C. Det uvanlige med kombinasjonen "flytende krystaller" er at den flytende tilstanden indikerer mobiliteten til strukturen, og krystallen innebærer streng bestilling.

Hvis et stoff består av polyatomiske molekyler med en langstrakt eller lamellær form og har en asymmetrisk struktur, så når det smelter, er disse molekylene orientert på en bestemt måte i forhold til hverandre (deres lange akser er parallelle). I dette tilfellet kan molekylene bevege seg fritt parallelt med seg selv, dvs. systemet får egenskapen til fluiditet som er karakteristisk for en væske. Samtidig beholder systemet en ordnet struktur, som bestemmer egenskapene som er karakteristiske for krystaller.

Den høye mobiliteten til en slik struktur gjør det mulig å kontrollere den gjennom svært svake påvirkninger (termisk, elektrisk, etc.), dvs. målrettet endre egenskapene til et stoff, inkludert optiske, med svært lite energiforbruk, som er det som brukes i moderne teknologi.

Typer krystallgitter

Ethvert kjemisk stoff dannes av et stort antall identiske partikler som er sammenkoblet.

Ved lave temperaturer, når termisk bevegelse er vanskelig, er partiklene strengt orientert i rom og form krystallgitter.

Krystallcelle - Dette struktur med et geometrisk riktig arrangement av partikler i rommet.

I selve krystallgitteret skilles noder og internodalt rom.

Det samme stoffet avhengig av forholdene (s, t,...) eksisterer i forskjellige krystallinske former (dvs. de har forskjellige krystallgitter) - allotropiske modifikasjoner som er forskjellige i egenskaper.

For eksempel er fire modifikasjoner av karbon kjent: grafitt, diamant, karbyn og lonsdaleitt.

☼ Den fjerde varianten av krystallinsk karbon, "lonsdaleite," er lite kjent. Den ble oppdaget i meteoritter og oppnådd kunstig, og strukturen studeres fortsatt.

☼ Sot, koks og trekull ble klassifisert som amorfe karbonpolymerer. Imidlertid har det nå blitt kjent at dette også er krystallinske stoffer.

☼ Forresten ble det funnet skinnende svarte partikler i soten, som ble kalt "speilkarbon". Speilkarbon er kjemisk inert, varmebestandig, ugjennomtrengelig for gasser og væsker, har en glatt overflate og er absolutt kompatibel med levende vev.

☼ Navnet grafitt kommer fra italiensk "graffito" - jeg skriver, jeg tegner. Grafitt er en mørkegrå krystall med en svak metallisk glans og har et lagdelt gitter. Individuelle lag med atomer i en grafittkrystall, forbundet med hverandre relativt svakt, skilles lett fra hverandre.

TYPER KRYSTALLRITTER

	ionisk			metall
Hva er i nodene til krystallgitteret, strukturell enhet	ioner	atomer	molekyler	atomer og kationer
Type kjemisk binding mellom partikler i noden	ionisk		kovalent: polar og ikke-polar	metall
Interaksjonskrefter mellom krystallpartikler	elektrostatisk logisk	kovalent	intermolekylær- ny	elektrostatisk logisk
Fysiske egenskaper, forårsaket av krystallgitteret	· tiltrekningskreftene mellom ioner er sterke, · T pl. (ildfast), · løses lett opp i vann, · smelte og løsning leder elektrisk strøm, ikke-flyktig (ingen lukt)	· kovalente bindinger mellom atomer er store, · T pl. og T kip er veldig, · ikke oppløses i vann, · smelten leder ikke elektrisk strøm	· tiltrekningskreftene mellom molekyler er små, · T pl. ↓, noen er løselige i vann, · har en flyktig lukt	· samhandlingskreftene er store, · T pl. , Høy varme og elektrisk ledningsevne
Aggregeringstilstand stoffer under normale forhold	hard	hard	hard, gassformig væske	hard, væske(N g)
Eksempler	de fleste salter, alkalier, oksider av typiske metaller	C (diamant, grafitt), Si, Ge, B, SiO 2, CaC 2, SiC (karborundum), BN, Fe 3 C, TaC (t pl. =3800 0 C) Rødt og svart fosfor. Oksider av noen metaller.	alle gasser, væsker, de fleste ikke-metaller: inerte gasser, halogener, H 2, N 2, O 2, O 3, P 4 (hvit), S 8. Hydrogenforbindelser av ikke-metaller, oksider av ikke-metaller: H 2 O, CO 2 "tørris". De fleste organiske forbindelser.	Metaller, legeringer

Hvis hastigheten på krystallvekst er lav ved avkjøling, dannes en glassaktig tilstand (amorf).

Forholdet mellom posisjonen til et element i det periodiske systemet og krystallgitteret til dets enkle stoff.

Det er et nært forhold mellom posisjonen til et element i det periodiske systemet og krystallgitteret til dets tilsvarende elementære substans.

		gruppe
			III			VII	VIII
P e R Og O d						H 2
				N 2	O2	F 2
	III			P 4	S 8	Cl2
						BR 2
						jeg 2
Type krystallgitter		metall			atomisk	molekylær

De enkle stoffene til de gjenværende elementene har et metallisk krystallgitter.

FIKSE

Studer forelesningsmaterialet og svar skriftlig på følgende spørsmål i notatboken din:

Hva er et krystallgitter?
Hvilke typer krystallgitter finnes?
Karakteriser hver type krystallgitter i henhold til planen: Hva er i nodene til krystallgitteret, strukturell enhet → Type kjemisk binding mellom partiklene i noden → Interaksjonskrefter mellom krystallpartiklene → Fysiske egenskaper på grunn av krystallen gitter → Aggregert tilstand av stoffet under normale forhold → Eksempler

Fullfør oppgaver om dette emnet:

Hvilken type krystallgitter har følgende stoffer som er mye brukt i hverdagen: vann, eddiksyre (CH 3 COOH), sukker (C 12 H 22 O 11), kaliumgjødsel(KCl), elvesand (SiO 2) – smeltepunkt 1710 0 C, ammoniakk (NH 3), bordsalt? Lag en generell konklusjon: med hvilke egenskaper til et stoff kan man bestemme typen av krystallgitteret?
Bruk formlene til de gitte stoffene: SiC, CS 2, NaBr, C 2 H 2 - bestem typen krystallgitter (ionisk, molekylært) til hver forbindelse og beskriv, basert på dette, de fysiske egenskapene til hvert av de fire stoffene .
Trener nr. 1. "Krystallgitter"
Trener nr. 2. "Testoppgaver"
Test (selvkontroll):

1) Stoffer som har et molekylært krystallgitter, som regel:

en). ildfast og svært løselig i vann
b). smeltbar og flyktig
V). Solid og elektrisk ledende
G). Termisk ledende og plastisk

2) Konseptet "molekyl" ikke aktuelt i forhold til den strukturelle enheten til et stoff:

en). vann

b). oksygen

V). diamant

G). ozon

3) Atomkrystallgitteret er karakteristisk for:

en). aluminium og grafitt

b). svovel og jod

V). silisiumoksid og natriumklorid

G). diamant og bor