Химические связи и кристаллические структуры веществ

Молекулярные вещества — это вещества, мельчайшими структурными частицами которых являются молекулы.

Молекулы — наименьшая частица молекулярного вещества, способная существовать самостоятельно и сохраняющая его химические свойства.

Молекулярные вещества имеют низкие температуры плавления и кипения и находятся в стандартных условиях в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Например: вода H₂O — жидкость, t_пл= 0°С; t_кип= 100 °С; Кислород O₂ — газ, t_пл= −219 °С; t_кип= −183°С; Оксид азота (V) N₂O₅ — твёрдое вещество, t_пл= 30,3 °С; t_кип= 45 °С;

К молекулярным веществам относятся:

• большинство простых веществ неметаллов: O₂, S₈, P₄, H₂, N₂, Cl₂, F₂, Br₂, I₂;
• соединения неметаллов друг с другом (бинарные и многоэлементные): NH₃, CO₂, H₂SO₄.

Немолекулярные вещества — это вещества, мельчайшими структурными частицами которых являются атомы или ионы^[1].

Ион — это атом или группа атомов, обладающих положительным или отрицательным зарядом.

Например: Na⁺, Cl^-.

Немолекулярные вещества находятся в стандартных условиях в твёрдом агрегатном состоянии и имеют высокие температуры плавления и кипения.

Например: натрий хлорид NaCl — твёрдое вещество, t_пл= 801 °С; t_кип= 1465 °С; медь Cu — твёрдое вещество, t_пл= 1083° С; t_кип= 2573 °С; кремний Si — твёрдое вещество, t_пл= 1420° С; t_кип= 3250 °С;

К немолекулярным веществам относятся:

• простые вещества (металлы): Na, Cu, Fe, …;
• сплавы и соединения металлов с неметаллами: NaH, Na₂SO₄, CuCl₂, Fe₂O₃;
• неметаллы: бор, кремний, углерод (алмаз), фосфор (чёрный и красный);
• некоторые бинарные соединения неметаллов: SiC, SiO₂.

Кристалли́ческая структу́ра — такая совокупность атомов, в которой с каждой точкой кристаллической решётки связана определённая группа атомов, называемая мотивной единицей, причём все такие группы одинаковые по составу, строению и ориентации относительно решётки. Можно считать, что структура возникает в результате синтеза решётки и мотивной единицы, в результате размножения мотивной единицы группой трансляции^[2].

В простейшем случае мотивная единица состоит из одного атома, например в кристаллах меди или железа. Возникающая на основе такой мотивной единицы структура геометрически весьма сходна с решёткой, но все же отличается тем, что составлена атомами, а не точками. Часто это обстоятельство не учитывают, и термины «кристаллическая решётка» и «кристаллическая структура» для таких кристаллов употребляются как синонимы, что нестрого. В тех случаях, когда мотивная единица более сложна по составу — состоит из двух или большего числа атомов, геометрического сходства решётки и структуры нет, и смешение этих понятий приводит к ошибкам. Так, например, структура магния или алмаза не совпадает геометрически с решёткой: в этих структурах мотивные единицы состоят из двух атомов.

Основными параметрами, характеризующими кристаллическую структуру, некоторые из которых взаимосвязаны, являются следующие:

• тип кристаллической решётки (сингония, решётка Браве);
• число формульных единиц, приходящихся на элементарную ячейку;
• пространственная группа;
• параметры элементарной ячейки (линейные размеры и углы);
• координаты атомов в ячейке;
• координационные числа всех атомов.

Твёрдые вещества подразделяются на кристаллические и аморфные. Отличаются эти вещества степенью упорядоченности их внутреннего строения. У группы веществ с кристаллической решёткой отмечается правильное распределение частиц, из которых они созданы – атомов, молекул и ионов – в чётко поставленных точках пространства. Соединив эти точки с помощью прямых линий, получаем каркас, который называют кристаллической решёткой. Точки, где располагаются частицы кристалла, являются узлами решётки^[3]. С учётом того, какой тип частиц расположен в узлах кристаллической решётки, и в зависимости от характера связи между ними, выделяют четыре разновидности кристаллических решёток:

• ионные;
• атомные;
• молекулярные;
• металлические.

К таким веществам относятся алмаз, сахар, металлы, соли, щёлочи, большая часть оксидов и простых веществ. Для аморфных веществ порядок во внутреннем строении не характерен. Они не имеют определённой температуры плавления, а во время нагревания постепенно размягчаются и преобразуются в тягучее состояние.

К аморфным веществам относят стекло, смолу, воск, янтарь, пластилин, жевательную резинку, большую часть пластмасс. Во время удара кристаллическое вещество разлетается на мелкие кристаллики чёткой формы, а аморфные вещества разделяются, образуя осколки разных форм. При переходе в жидкое состояние кристаллические вещества имеют определённую температуру плавления. К примеру, у алюминия температура плавления составляет 660 °С, а алмаз начинает плавиться при температуре 3827 °С.

При закаливании стекла оно вначале смягчается, переходя в пластичную массу. В силу того, что аморфные вещества не имеют определённой температуры плавления, они последовательно смягчаются, переходя в вязкое состояние. Именно эта особенность придаёт таким соединениям способность обретать любую форму. Некоторые соединения могут быть как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. К примеру, диоксид кремния может встречаться в природе в качестве кристаллов кварца, а также в виде минерала кремня (аморфное состояние). Но кристаллическое состояние является более устойчивым. Отсюда самопроизвольный переход из кристаллического состояния в аморфное невозможен, а обратный переход иногда происходит.

Тип кристаллической решётки влияют на свойства материалов. Они определяют твёрдость, хрупкость, температуру кипения, плавления и др. Знание типа кристаллической решётки позволяет производить новые материалы с желаемыми свойствами.