Какая кристаллическая решетка у алмаза

Алмаз

Алмаз (adamas, adamant, diamond). Старое название алмаза — адамас. Греческое слово «адамас» (αδαμας) означает «непобедимый», «непреодолимый». Поначалу старинное название алмаза «адамас» не обозначало драгоценный камень; греческие летописцы использовали его, описывая очень прочные металлы и сплавы (в частности, сталь), которые казались несокрушимыми по сравнению с бронзой. В английском языке используются слова, которые происходят от старого названия алмаза «адамас», это: adamant (1 — алмаз; 2 — непреклонный), adamantine (очень твёрдый), adamantly (категорически). Первое упоминание термина «адамас» как названия алмаза, с характерным описанием камня и его ценности, было найдено у поэта Марка Манилия (эпоха императора Августа).

Алмаз — типичный ковалентный кристалл, обладающий рядом уникальных свойств: самыми высокими среди известных материалов твёрдостью, прочностью при сжатии, трещиностойкостью. Беспримесные алмазы являются одними из лучших изоляторов и прозрачны практически для любых длин волн.

Алмаз отличается исключительной химической устойчивостью и инертностью к агрессивным средам.

Благодаря столь ценным свойствам алмаз всё шире применяется в различных отраслях промышленности и современной техники как инструментальный и конструкционный материал.

Физические свойства алмаза

Из всех известных драгоценных камней алмаз является самым простым по своему химическому составу, он состоит из одного элемента — углерода. Удивительно, что из одного и того же элемента получилось два настолько разных вещеста: алмаз и графит. Общие физические свойства алмаза и графита представлены в сравнительной таблице.

Алмаз — исключительный технический материал. При этом для технических целей ценны все свойства алмаза: абразивные, термические, электрические, оптические и др.

По десятибалльной шкале твёрдости Мооса алмаз является эталоном наивысшей твёрдости и имеет значение 10.

Для подробного изучения физических свойств алмаза рекомендуется изучить специальную литературу [1,2].

В кристалле алмаза кроме углерода всегда присутствует некоторое количество примесей, составляющих не более десятых долей процента, но иногда доходящих до 5%. Основные химические элементы-примеси в алмазе — азот, кислород, водород, железо, титан, марганец, кремний, алюминий, реже встречаются и некоторые другие. Азот является одной из характерных примесей, оказывающих существенное влияние на ряд свойств алмаза, в частности на его люминесценцию (свечение). Железистые примеси придают алмазу оранжево-желтые оттенки.

Кристаллическая решётка алмаза

Алмаз кристаллизуется в кубической системе, отвечающей самой плотной упаковке атомов и содержащей всего 18 атомов углерода. В кристаллической решётке алмаза каждый атом связан с четырьмя ближайшими соседними атомами, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. Расстояние между двумя соседними атомами решётки 0,154 нм. Постоянный размер кристаллической решётки алмаза 0,356 нм.

Алмаз образовывается при высоких давлении и температуре, как правило — в земных недрах, на большой глубине. Эти выводы геологов были использованы исследователями, работающими над проблемой искусственного получения алмазов. Получение искусственных алмазов имеет длинную историю, подробно останавливаться на этом мы сейчас не будем. Акцентируем внимание лишь на способе, который первым предложил Анри Муассан (первооткрыватель фтора, 1852-1907)). Расплавленный в дуговой печи, перенасыщенный углеродом чугун Анри Муассан мгновенно охлаждал водой. Корка застывшего чугуна, сжимаясь за счёт охлаждения, с чудовищной силой сдавливала ещё горячее ядро, внутри которого создавалось высокое давление. Таким способом Анри Муассан сумел получить мелкие твёрдые кристаллы плотностью 3,5 г/см 3 , которые современники долгое время считали алмазами. Позже способ Анри Муассана подвергся критике и сомнению. Тем не менее эта теория получения алмаза не угасла, а наоборот вдохновила многих учёных на дальнейшие исследования. В настоящее время продолжают разрабатываться гипотезы процессов формирования алмаза в чугуне. Предлагаем вашему вниманию статью Давыдова С.В. Кристаллизация шаровидного графита в расплаве высокопрочного чугуна), а также статью про «гексагональный алмаз» — лонсдейлит.

Фазовые равновесия алмаза с металлами

Добавка некоторых металлов или сплавов позволяет осуществить переход Г→А (графит-алмаз) при более низких давлениях и температурах, чем в случае прямого перехода. [. ] В отличие от прямого перехода в этом случае возможно образование алмаза в условиях, близких к равновесным. Для каждого металла существует нижний предел температур, ниже которого металл не оказывает положительного влияния на образование алмаза. Верхний предел температур образования алмаза в присутствии любого из металлов близок к равновесной температуре А↔Г.

Двойные системы углерод-металл. Система C-Fe. Образование алмаза

Стабильная диаграмма C-Fe при атмосферном давлении сходна с диаграммами C-Ni и C-Co, также образует эвтектику γ + Г ↔ Ж (T=1426 K, молярная доля углерода 0,171), отличаясь только в области сплавов, богатых железом, в связи с полиморфизмом последнего, что несущественно с точки зрения равновесий углерода. Кроме стабильной, известна метастабильная диаграмма этой системы с образованием цементита Fe3C и эвтектикой γ + Fe3C ↔ Ж при температуре 1420 K и молярной доле углерода 0,1728. [. ]

При повышении давления стабилизируется цементит [. ], выше 8 ГПа стабилизируется карбид Fe7C3 [. ]. На рис.12 показана зависимость характерных точек диаграммы C-Fe от давления. Согласно этим данным, образование алмаза из расплава возможно при давлениях выше 6,4 ГПа и температурах выше 2120 K (давление и температура более высокие, чем в системе C-Ni). Однако экспериментально алмаз был получен при давлении 5,3 ГПа и температуре 1600 K или 4,7 ГПа и 1580 K. В связи с этим высказано предположение, что цементит плавится при более низкой температуре [. ]. Другое предположение состоит в том, что алмаз может образоваться при плавлении метастабильной эвтектики γ + Г.

Пояснения: А — алмаз, Г — графит, К — карбид, Ж — жидкость

Автор: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Литература:

  1. Справочник «Физические свойства алмаза» Под ред. Новикова Н.В. — Киев: Наукова думка, 1987. — 188 с. УДК 539.2: 549.211
  2. Васильев Л.А., Белых З.П. Алмазы, их свойства и применение. М., Недра, 1983. 101 с. УДК 553.81 : 549.211 : 679.89
  3. The natural history, ancient and modern, of precious stones and gems, and of the precious metals. By C.W.King, M.A., — London: Bell and Daldy, 1865.

Конкурс «Я и моя профессия: металловед, технолог литейного производства». Узнать, участвовать >>> —>

УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1–10, 12–15, 16, 17, 18, 19, 20/2003

§ 5.3. Вещество
в кристаллическом состоянии

В веществе, находящемся в кристаллическом состоянии, частицы расположены в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка представляет собой пространственное периодическое расположение частиц в кристалле. Точки кристаллической решетки, в которых расположены частицы, называются узлами кристаллической решетки.
В зависимости от природы частиц, образующих кристалл, и типа химической связи между ними кристаллы подразделяются на атомные, молекулярные, ионные, металлические.
В атомных кристаллах атомы связаны ковалентной неполярной связью. Характерным примером таких веществ является алмаз, в кристаллической решетке которого все наиближайшие межъядерные расстояния и все углы между четырьмя связями атома углерода равны. Тетраэдрический угол между этими связями свидетельствует об sp 3 -гибридном состоянии валентных электронных орбиталей атома углерода.
Модель кристаллической решетки алмаза показана на рис. 5.3, а.

Рис. 5.3.
Модели кристаллических решеток:
а – алмаз; б – графит

Алмаз – чрезвычайно устойчивая форма углерода, и не известно ни одного случая самопроизвольного перехода при обычных условиях алмаза в графит. Мы говорим о кинетической устойчивости алмаза, т. к. термодинамически более устойчивой формой углерода является графит. При нагревании алмаза без доступа воздуха выше температуры 1200 °С начинается его переход в графит.

Из алмазов особой огранкой, специально выявляющей его блеск, изготовляют бриллианты, сверкающие всеми цветами радуги в отраженном свете. Бриллианты – очень дорогие драгоценные камни (масса бриллианта измеряется в каратах, 1 карат = 0,2 г). Алмаз не проводит электрический ток.

Графит – черное, пачкающее бумагу и руки вещество, проводящее электрический ток. Кристаллическая структура графита совсем не похожа на структуру алмаза. Атомы углерода в графите расположены плоскими сетками, причем углы между связями равны 120°. Это позволяет предположить, что валентные электронные орбитали атома углерода находятся в sp 2 -гибридном состоянии и каждый атом связан с тремя другими атомами (рис. 5.3, б). Интересно заметить, что связи С–С в графите более прочные, чем связи в алмазе.
В плоскости перекрывания гибридных орбиталей (-связи) электроны прочно закреплены при своих атомах углерода (локализованы). Однако графит – хороший проводник тока. (Перечислите бытовые и промышленные изделия, где используется графит как проводник тока.)
Электропроводность графита наилучшим образом объясняется тем, что негибридная р-орбиталь атома углерода, располагающаяся перпендикулярно плоскости перекрывания sp 2 -гибридных орбиталей, перекрывается своими боковыми областями с тремя подобными орбиталями трех соседних атомов. Таким образом, выше и ниже этой плоскости находятся единые для всех атомов углерода зоны -перекрывания. В этом общем электронном облаке электроны уже не относятся к какому-либо определенному атому углерода, а принадлежат всем атомам, находящимся на плоскости. Графит проводит электрический ток по слою атомов, но не между слоями. Это прекрасный пример анизотропии кристалла!
В графите слои атомов легко скользят относительно друг друга. Когда вы пишете графитовым карандашом по бумаге, на ней остаются сместившиеся и прилипшие к бумаге слои атомов. В то же время графит не рассыпается на слои атомов, это свидетельствует о том, что они взаимодействуют между собой. Связи между плоскостями (слоями) очень слабы, их длина почти в 2,5 раза больше, чем межъядерное расстояние С–С в плоскости. За эти связи ответственны силы Ван-дер-Ваальса.
Графит и алмаз – это различные кристаллические формы, построенные из одинаковых атомов. Явление изменения кристаллической структуры одного и того же вещества при изменении внешних условий называется полиморфизмом, а сами эти вещества с различной кристаллической структурой называются полиморфными модификациями. Алмаз и графит – полиморфные модификации углерода. Полиморфизм относится только к кристаллическим веществам.

В общем случае способность простого вещества существовать в различных формах называется аллотропией. Графит и алмаз можно назвать аллотропными модификациями углерода и одновременно его полиморфными модификациями.
Газообразные кислород О2 и озон О3 – это аллотропные модификации кислорода, но не полиморфные.

Молекулярная кристаллическая решетка построена из молекул вещества. Обычно такие вещества имеют низкие температуры плавления и кипения, что говорит о слабой связи частиц между собой. К такого типа веществам относятся, например, твердые водород Н2, азот N2, кислород О2, галогены (фтор, хлор, бром, йод), углекислый газ СО2 («сухой лед»), все благородные элементы VIII группы (неон, аргон и др.) и многие органические вещества.
На рис. 5.4 показан фрагмент кристаллической решетки йода, в узлах которой находятся молекулы I2. Атомы йода в молекуле связаны довольно прочной ковалентной -связью, а молекулы между собой – слабыми силами Ван-дер-Ваальса. В связи с этим при незначительном нагревании йод, не плавясь, переходит из кристаллического состояния в газообразно

Читайте также  Зачем нужен сплиттер
Рис. 5.4.
Модель кристаллической
решетки йода

Среди кристаллов с молекулярной структурой особое место занимает кристаллическая вода – лед. Во льду молекулы воды связаны между собой водородными связями.
Ионные кристаллические решетки построены из противоположно заряженных ионов. На рис. 5.5 изображен фрагмент кристаллической решетки хлорида натрия NaCl. Благодаря сильному электростатическому взаимодействию ионов наряду с химической связью между ними ионные кристаллы отличаются высокой температурой плавления.

Рис. 5.5.
Модель кристаллической
решетки хлорида натрия

Список новых и забытых понятий и слов

Что такое алмаз виды, химические и физические свойства

Вопрос о том, что такое алмаз, подчас откровенно вводит людей в заблуждение, заставляя их воображение представлять волшебную игру солнечных бликов на его гранях.

Этот кристалл, побывавший в руках профессионального ювелира, изначально не столь прекрасен.

Встретив на своем пути безликий минерал, мало кто поверит, что это будущая драгоценность.

  1. Что такое алмаз и как он выглядит
  2. Происхождение алмаза
  3. Виды алмазов
  4. Что такое искусственный алмаз
  5. Физико-механические свойства алмаза
  6. Огранка алмазов
  7. История добычи алмазов в России
  8. Где и как добываются алмазы в настоящее время
  9. Области применения алмазов

Что такое алмаз и как он выглядит

На самом деле, алмаз – природный минерал, возникший в процессе уплотнения углерода на огромной глубине при условиях большой температуры и сильного давления.

Имеет прозрачную, плотную и прочную структуру, позволяющую существовать ему неограниченное количество времени. Также обладает высокой проводимостью тепла по сравнению с другими веществами, встречающимися в природе.

Внешне необработанный материал имеет совершенно непривлекательный вид с шероховатой поверхностью, разнообразными вкраплениями и тусклым цветом из-за прикипевших к нему инородных частиц. Обычно представляется в форме двенадцатигранника, восьмигранника и куба.

Происхождение алмаза

Людям об алмазе известно уже не одно тысячелетие. Первые данные о «волшебном» камне упоминаются в индийских скрижалях, где говорится о небесном даре, включающем в себя пять природных начал. Люди собирали и обрабатывали его, украшая им божественные статуи и приписывая им мистические свойства.

Никто, естественно, не задумывался, что именно благодаря многотонному давлению скальных пород с кипящей лавой внутри, с непомерной температурой, создаются условия для его возникновения, с магмой, транспортирующейся на поверхность.

Иными словами, такая углеродная порода зарождается только в магматических горных местах, кимберлитовых трубках вулканах. Иногда, при разрушении скальных пород, его россыпи встречаются на морских и речных берегах.

Именно благодаря появившимся в старину любознательным умельцам, минерал, путем проб и ошибок, был представлен свету во всей своей красе.

Первым таким драгоценным камнем, который появился в свете около 60 г. до нашей эры в Индии, стал 800 каратный самородок «Кохинор», известный любимчик всех королей мира.

Первоначально это был неогранённый желтый алмаз, который стал чисто белым, после приобретения новой огранки в более позднее время.

Позже, в начале 18 века, первым большим зарождением углеродного минерала стало место в Бразилии, ныне городе Диамантино.

Но по историческим данным, все первые углеродные находки, среди аллювиальных отложений, приводят в Индию, из которой вышли в свет самые известные и крупные драгоценности мира.

Виды алмазов

При оценке кристалла особое внимание уделяется не только весу, но и качеству, наличию или отсутствию дефектов. В связи с полученными данными разделяют два вида: ювелирный и технический (непригодный для ювелирных изделий).

После обработки также делят на виды, зависящие от огранки: грушевидные, овальные, круглые, каплевидные, прямоугольные и так далее. Ограненные алмазы называются бриллиантами.

Существует деление бриллиантов и по цвету. Всем конечно привычнее думать, что единственный цвет чисто белый и прозрачный, но на самом деле ему присущи и другие оттенки, зависящие от места и условия происхождения.

Так, кроме белого, известны дымчатые, коричневые, бледно-желтые, и самые редкие цвета – красный алмаз, розовый алмаз, синий и голубой, ярко-желтый, зеленый и черный. Такой бриллиант именуют фантазийным.

Что такое искусственный алмаз

Бытует неверное мнение, что искусственный алмаз – качественная подделка под натуральный, природный камень.

На самом деле, искусственный материал ничем не уступает по своим качествам природному, а даже превышает по идеальной красоте граней, хоть и выращен в других условиях, с соблюдением всех правил.

Лабораторный и природный кристаллы выглядят одинаково невзрачно, пока их не предадут обработке.

Еще в конце XVIII столетия опытным методом, при сжигании минерала, было обнаружено, что он состоит из углерода. Для ученых это послужило началом дальнейших продолжительных опытов по созданию данной породы в лабораторных условиях, но эксперименты были безуспешными из-за отсутствия необходимого оборудования.

Лишь в XX веке была полностью изучена кристаллическая решетка и ученым удалось синтезировать камень, соблюдая температуру и силу давления, но для затравки которого все же требовался натуральный кристалл.

Работа над выращиванием кристаллов продолжалась и продолжается с большим энтузиазмом. Знания ученых и технологии с каждым днем становятся все более совершенными, что позволяет искусственному алмазу становиться по своей кристаллической решетке и свойствам все больше схожим с природной драгоценностью.

Физико-механические свойства алмаза

Алмаз классифицируется как самородный элемент и имеет простейшую химическую формулу C (углерод) и свою кристаллическую решетку, состоящую из ковалентной связи между атомами углерода, что позволило занять по твердости 10 место в шкале Мооса.

Ковалентная связь самая прочная, что делает его крепким, но строение вещества иногда может допускать еще металлическую, ионную и водородную связи. Связь имеет два подвида – пи-связь и сигма-связь, из которых первый подвид менее прочный.

Ковалентные сигма-связи, соединяющие атомы и расположенные по одному в каждой грани кристаллической решетки, обеспечивают одинаковое между ними расстояние, делая упаковку и структуру более плотной. Благодаря этому обеспечивается твердость алмаза, а в его характеристике присутствует свойство отличного диэлектрика, низкой электропроводности.

К дополнительным характеристикам углеродной породы относятся:

  • люминесценция,
  • низкая сжимаемость при всестороннем внешнем давлении,
  • хрупкость, бриллиант чувствителен к резким ударам,
  • плотность неравномерная, способствует расколу по граням,
  • прозрачность,
  • чувствительность к рентгеновским лучам, нарушающим твердость структуры, придающим способность светиться в синей и зеленой спектральной части,

Свойственная температура плавления для алмазов:

  • плавится в температуре по Цельсию от 3700 до 4000,
  • при смеси газов в воздухе, от 850 до 1000 градусов сгорает,
  • превращаясь на кислороде в углекислый газ, бриллиант горит синим пламенем от 700 до 800 градусов.

Добытый в природе минерал бывает кристаллической формы, с гранями, расколотый, с углублениями и наростами.

Огранка алмазов

Единственным отличием алмаза от бриллианта является огранка, которая придает природному камню благородный и волшебный вид. Верным считается, что чем идеальной подобрана форма и нанесено больше граней, тем ярче сияет и преломляет лучи.

Существует 8 основных видов огранок:

  • «Принцесса» – квадратная форма и острые углы,
  • «Круглый»,
  • «Маркиза» аристократичный, в форме лодочки,
  • «Груша» каплевидная форма,
  • «Овал»,
  • «Сердце»,
  • «Изумруд» прямоугольная и восьмиугольная форма,
  • «Ашер» квадратная форма, но с большим количеством ступенек, чем «Изумруд».
Читайте также  Кто такой дьякон

Процесс перехода алмаза в бриллиант очень долог и требует особого мастерства:

  1. Для начала делают осмотр самого кристалла на наличие дефектов, при обнаружении которых его раскалывают для их удаления.
  2. Следующим этапом служит обдирка, где придаются грани и углы.
  3. Шлифовка на полировальном круге, на который насыпается алмазный порошок, позволяющий довести камень до идеального состояния.
  4. На финальном этапе происходит полировка, которая придает уже бриллианту лоск.

Полезно знать: главным в создании бриллианта служат правильно наложенные грани. Если не учитывать преломление, игру света, то бриллиант будет смотреться тускло, а такие камни считаются браком.

История добычи алмазов в России

Существуют данные о том, что месторождение алмазов в России было обнаружено в XVIII веке на территории Якутии и Сибири. До 1917 года было найдено всего около 300 камней, но попытки на этом не прекращались. На время Великой Отечественной войны разработка минеральных залежей была приостановлена и продолжилась только после ее завершения.

Геологическая экспедиция, посланная в Якутию в 1949 году, обнаружила самое крупное месторождение кристалла.

На этом месте, названном Мирным, среди тайги, постепенно вырос город, чье население задействовано в добыче руды.

Карьер, в котором его добывают, считается самым глубоким в мире. Глубина карьера составляет около 530 метров, а внутренняя серпантинная дорога достигает 8 километров.

Предприятия России, по сравнению с конкурентами в этом деле, добывают около 97% качественного алмазного сырья.

Где и как добываются алмазы в настоящее время

До развития индустрии алмазы добывались во всех странах только старательными способами. Сейчас в России, Анголе, Канаде, Ботсване, ЮАР и других странах, промышляющих добычей руды, извлечение минерала во многом технически облегчено.

Добыча в основном происходит на местах так называемых древних кратонов, на которых находятся лампроитовые и кимберлитовые трубки, и иногда в кровлевых породах.

Страны лидеры по добыче алмазов Ведущие экспортеры алмазов
1 место Россия 1 Евросоюз
2 место Ботсвана 2 Объединенные Арабские Эмираты
3 место Канада 3 Ботсвана
4 место Ангола 4 Россия
5 место Южно-Африканская республика 5 Израиль
6 Индия

Самыми крупными залежами в России на данный момент является Якутск и Архангельская область. Недавно были открыты в Пермском крае еще небольшие залежи минерала.

По процентному соотношению и качеству добытых минеральных камней Россия остается лидирующей страной.

Области применения алмазов

Бриллиант исполняет не только свою декоративную функцию, как украшение, но и имеет свое практическое применение. Благодаря ученым и появившимся технологиям из забракованных минералов научились извлекать выгоду в других сферах жизни.

Так как не весь добываемый материал подходит для огранки под ювелирные украшения, около 50% бракуется, то его используют для производственных и промышленных нужд:

  • из-за способности выдерживать температуру и скачки в напряжении, алмаз используют в телекоммуникации,
  • применяют в изготовлении медицинских приборов и инструментов (скальпелей, имплантат),
  • Almaz добавляют в буровое долото,
  • со свойством низкой теплопроводности его используют в производстве электроники.

По своей популярности бриллиант находится на первом месте среди других драгоценностей, но это не только благодаря привнесенной ювелирами в него красотой, а большей частью за то, что его необычайные природные качества очень высоко ценятся. Скорее всего, этот кристалл никогда не уступит свое первенство и навсегда останется таинственной и красивой загадкой.

Таблица типов кристаллических решёток: йода, алмаза, графита, натрия

Химия — удивительная наука. Столько невероятного можно обнаружить в, казалось бы, обычных вещах.

Всё материальное, что окружают нас повсюду, существует в нескольких агрегатных состояниях: газы, жидкости и твёрдые тела. Учёные выделили ещё и 4-е — плазму. При определённой температуре какое-либо вещество может переходить из одного состояние в другое. Например, вода: при нагревании свыше 100, из жидкой формы, превращается в пар. При температуре ниже 0 переходит в следующее агрегатную структуру — лёд.

Весь материальный мир имеет в своём составе массу одинаковых частиц, которые между собой связаны. Эти мельчайшие элементы строго выстраиваются в пространстве и образуют так называемый пространственный каркас.

Это интересно: анионы и катионы в химии, таблица растворимости.

Определение

Кристаллическая решётка — особая структура твёрдого вещества, при которой частицы стоят в геометрически строгом порядке в пространстве. В ней можно обнаружить узлы — места, где расположены элементы: атомы, ионы и молекулы и межузловое пространство.

Твёрдые вещества, в зависимости от диапазона высоких и низких температур, являются кристаллическими или аморфными — они характеризуются отсутствием определённой температуры плавления. При воздействии повышенных температур они размягчаются и постепенно переходят в жидкую форму. К такого рода веществам относятся: смола, пластилин.

В связи с этим можно поделить на несколько видов:

  • атомную;
  • ионную;
  • молекулярную;
  • металлическую.

Но при различных температурах одно вещество может иметь различные формы и проявлять многообразные свойства. Это явление называется аллотропной модификацией.

Это интересно: металлы и неметаллы в периодической таблице Менделеева.

Атомный тип

В этом типе в узлах расположены атомы того или иного вещества, которые связаны ковалентными связями. Этот вид связи образован парой электронов двух соседних атомов. Благодаря этому они связываются равномерно и в строгом порядке.

Вещества с атомной кристаллической решёткой характеризуются следующими свойствами: прочность и большая температура плавления. Такой тип связи представлен у алмаза, кремния и бора.

Ионный тип

Противоположно заряженные ионы находятся на узлах, которые создают электромагнитное поле, характеризующее физические свойства вещества. К таковым будут относиться: электропроводность, тугоплавкость, плотность и твёрдость. Поваренная соль и нитрат калия характеризуются наличием ионной кристаллической решётки.

Не пропустите: механизм образования металлической связи, конкретные примеры.

Молекулярный тип

В узлах такого типа находятся ионы, связанные между собой ван-дер-ваальсовыми силами. Благодаря слабым межмолекулярным связям такие вещества, например, лёд, двуокись углерода и парафин, характеризуются пластичностью, электро- и теплопроводностью.

Металлический тип

В своём строении напоминает молекулярную, но имеет всё же более прочные связи. Отличие данного типа в том, что на её узлах находятся положительно заряженные катионы. Электроны, которые находятся в межузловом пространстве, участвуют в образовании электрического поля. Они ещё носят название электрического газа.

Простые металлы и сплавы, характеризуются металлическим типом решётки. Для них характерно наличие металлического блеска, пластичность, тепло- и электропроводность. Они могут плавиться при различных температурах.

Таблица типов кристаллических решёток: йода, алмаза, графита, натрия

Весь материальный мир имеет в своём составе массу одинаковых частиц, которые между собой связаны. Эти мельчайшие элементы строго выстраиваются в пространстве и образуют так называемый пространственный каркас.

Это интересно: анионы и катионы в химии, таблица растворимости.

Определение

Кристаллическая решётка — особая структура твёрдого вещества, при которой частицы стоят в геометрически строгом порядке в пространстве. В ней можно обнаружить узлы — места, где расположены элементы: атомы, ионы и молекулы и межузловое пространство.
Твёрдые вещества, в зависимости от диапазона высоких и низких температур, являются кристаллическими или аморфными — они характеризуются отсутствием определённой температуры плавления. При воздействии повышенных температур они размягчаются и постепенно переходят в жидкую форму. К такого рода веществам относятся: смола, пластилин.

Это интересно: водородная связь — примеры, механизм образования.

В связи с этим можно поделить на несколько видов:

  • атомную;
  • ионную;
  • молекулярную;
  • металлическую.

Но при различных температурах одно вещество может иметь различные формы и проявлять многообразные свойства. Это явление называется аллотропной модификацией.

Это интересно: металлы и неметаллы в периодической таблице Менделеева.

Твердые вещества: аморфные и кристаллические

Твердые вещества делятся на кристаллические и аморфные

Аморфные вещества

не имеют четкой температуры плавления — при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в текучее состояние. В аморфном состоянии, например, находятся пластилин и различные смолы.

Кристаллические вещества

характеризуются правильным расположением тех частиц, из которых они состоят: атомов, молекул и ионов — в строго определенных точках пространства. При соединении этих точек прямыми линиями образуется пространственный каркас, называемый кристаллической решеткой. Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решетки. В зависимости от типа частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки, и характера связи между ними, различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные и металлические.

Читайте также  Чем печально знаменита Олимпиада 1972 года в Мюнхене

Ионными называют кристаллические решетки

, в узлах которых находятся ионы. Их образуют ве­щества с ионной связью, которой могут быть свя­заны как простые ионы Na+, Cl—, так и сложные SO42- , OH—. Следовательно, ионными кристалличе­скими решетками обладают соли, некоторые оксиды и ги­дроксиды металлов. Напри­мер, кристалл хлорида натрия построен из чередующихся положительных ионов Na+ и отрицательных Cl—, образующих решетку в форме куба. Связи между ионами в таком кристалле очень устойчивы. Поэтому вещества с ионной решеткой отличаются сравнительно высокой твердостью и прочностью, они тугоплавки и нелетучи.

Кристаллическая решетка — а) и аморфная решетка — б).

Кристаллическая решетка — а) и аморфная решетка — б).

Ионный тип

Противоположно заряженные ионы находятся на узлах, которые создают электромагнитное поле, характеризующее физические свойства вещества. К таковым будут относиться: электропроводность, тугоплавкость, плотность и твёрдость. Поваренная соль и нитрат калия характеризуются наличием ионной кристаллической решётки.

Не пропустите: механизм образования металлической связи, конкретные примеры.

Молекулярные кристаллические решетки

Молекулярными

называют кристаллические решетки, в узлах которых располагаются молекулы. Химические связи в этих молекулах могут быть и полярными (HCl, H2O), и неполярными (N2, O2). Несмотря на то, что атомы внутри молекул связаны очень прочными ковалентными связями,
между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения
. По­этому вещества с молекуляр­ными кристаллическими ре­шетками имеют малую твер­дость, низкие температуры плавления, летучи. Большинство твердых ор­ганических соединений имеют молекулярные кристалличе­ские решетки (нафталин, глю­коза, сахар).
Молекулярная кристаллическая решетка(углекислый газ)

Металлический тип

В своём строении напоминает молекулярную, но имеет всё же более прочные связи. Отличие данного типа в том, что на её узлах находятся положительно заряженные катионы. Электроны, которые находятся в межузловом пространстве, участвуют в образовании электрического поля. Они ещё носят название электрического газа.
Простые металлы и сплавы, характеризуются металлическим типом решётки. Для них характерно наличие металлического блеска, пластичность, тепло- и электропроводность. Они могут плавиться при различных температурах.

Виды Вещества Свойства
Атомная Алмаз, графит, кремний, бор Твёрдые, тугоплавкие, не растворяются в воде
Молекулярная Йод, сера, белый фосфор, органические вещества Нетвёрдые, легко плавятся, летучие
Ионная Соли, оксиды и гидроксиды тяжёлых металлов Твёрдые, хрупкие, легкоплавкие, электропроводны
Металлическая Металлы и сплавы Блестящие, ковкие, тепло- и электропроводны.

Атомные связи в неметаллах

Физические и химические свойства кристаллических неметаллов зависят от того, чем образована их кристаллическая решетка — атомами или молекулами, и их взаимодействием. Атомные или немолекулярные связи очень прочные, молекулярные — слабые.

Между соседними атомами образуются совместные электронные пары, при этом каждый из них остается устойчивым элементом. Связь, созданная в таких парах, называется ковалентной (или прочной). Когда взаимодействуют атомы с одинаковой электроотрицательностью, то расположение электронной пары получается симметричным относительно двух атомов и называется ковалентной неполярной связью.

У веществ, состоящих из разных неметаллов, связь образовывается из атомов с разной электроотрицательностью, в результате чего общая электронная пара смещается к более отрицательному элементу. Получается ковалентная полярная связь.

Соединения с ковалентными связями бывают двух типов — молекулярными и атомными.

Структуры, в узлах которых размещаются атомы, соединенные ковалентными связями, называются атомными кристаллическими решетками. Если связь ковалентная неполярная, то в ее формировании участвуют атомы одного химического вещества. Такую структуру имеют кремний Si, бор B, германий Ge, кристаллические видоизменения углерода C. Геометрическое строение решетки кристалла имеет соответствие с его свойствами.

Например, две модификации углерода: алмаз и графит. В кубической структуре алмаза атомы расположены по одному в вершинах, по центру каждой грани, и четыре внутри самого куба. Это строение дает самую плотную упаковку атомов, а ковалентные связи между ними делает очень прочными. Поэтому алмаз является самым твердым материалом в мире. Другие свойства: теплопроводность низкая, электрический ток не проводит.

У графита гексагональная слоистая решетка, которая делает его мягким. Температура плавления очень высокая (4 тыс. градусов Цельсия), обладает электропроводностью, его называют полуметаллом и используют при производстве электродов.

При биполярной ковалентной связи атомная кристаллическая решетка обычно сформирована атомами разных химических элементов. Такое строение имеют муассанит, состоящий из кремния Si и углерода C, и диоксид кремния SiO2 в разных модификациях:

  • кварцевый песок;
  • лютецит;
  • опал;
  • халцедон;
  • хрусталь;
  • кремнезем.

Основные свойства: нерастворимость, прочность, твердость, высокие температуры плавления и кипения.

Различные вещества

  • Алмаз. Минерал обладает высокой ценностью и после огранки используется в ювелирных украшениях. Так в чём же заключается секрет популярности этого камня? Атомы углерода составляют основу всей решётки. Между атомами минерала существует прочная ковалентная связь. Для кристаллической решётки алмаза характерно плотное содержание атомов в виде куба. Другими словами, узлами считаются атомы углерода, а своеобразными гранями куба являются прочные ковалентные связи. Такой минерал считается самым прочным на планете, и неизвестно, сколько таких своеобразных кубов включает в себя цельный алмаз.
  • Графит. Углерод также может быть и в другой кристаллической модификации. Атомная решётка данного элемента включает в себя только атомы углерода, ей присуща слоистая структура. В графите каждый атом связан тремя атомами углерода. Из-за этого он обладает металлическим блеском, высокой теплопроводностью.
  • Кристаллическая решётка йода имеет молекулярный тип. Атомы молекул соединяются ковалентными связями, но молекулы химического элемента имеют слабые силы притяжения. Это характеризует йод тем, что он имеет малую твёрдость, низкую температуру плавления.
  • Натрий. Представитель металлической кристаллической решётки. Между катионами, расположенными в узлах решётки, двигаются электроны. Они, присоединяясь к катионам, нейтрализуют их заряд, в свою очередь, нейтральные атомы отпускают часть электронов, преобразуясь в катионы. Такой тип кристаллической решётки наделяет металл пластичностью, электро- и теплопроводностью.
  • Сухой лёд. Или оксид углерода в затвердевшем виде. Имеет молекулярную кристаллическую решётку в форме куба. Молекулы удерживаются между собой слабыми связями. иффузия читайте в нашей статье.

Это интересно: как определить валентность по таблице Менделеева?

Атомные кристаллические решетки

называют кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы. В таких решетках атомы соединены между собой
очень прочными ковалентными связями
. Примером веществ с таким типом кристаллических решеток может служить алмаз — одно из аллотропных видоизменений углерода. Большинство веществ с атомной кристаллической решеткой имеют очень высокие температуры плавления (например, у алмаза она свыше 3500 °С), они прочны и тверды, практически нерастворимы.
Атомная решетка алмаза Атомная решетка графита

Ионная кристаллическая решётка

В этом типе ионы располагаются в каждом узле. Соответственно, этот вид характерен для веществ с ионной связью, например: хлорид калия, сульфат кальция, хлорид меди, фосфат серебра, гидроксид меди и так далее. К веществам с такой схемой соединения частиц относятся;

  • соли;
  • гидроксиды металлов;
  • оксиды металлов.

Хлорид натрия имеет чередование положительных (Na +) и отрицательных (Cl -) ионов. Один ион хлора, находящийся в узле, притягивает к себе два иона натрия (благодаря электромагнитному полю), которые находятся в соседних узлах. Таким образом, образуется куб, в котором частицы связаны между собой.

Для ионной решётки характерна прочность, тугоплавкость, устойчивость, твёрдость и нелетучесть. Некоторые вещества могут проводить электрический ток.

Металлическая кристаллическая решётка

Из-за наличия в узлах ионов, может показаться, что металлическая решетка похожа на ионную. На самом деле, это две совершенно разные модели, с разными свойствами.

Металлическая гораздо гибче и пластичнее ионной, для неё характерна прочность, высокая электро- и теплопроводность, эти вещества хорошо плавятся и отлично проводят электрический ток. Это объясняется тем, что в узлах находятся положительно заряженные ионы металлов (катионы), которые могут перемещаться по всей структуре, тем самым обеспечивают течение электронов. Частицы хаотично движутся около своего узла (они не имеют достаточной энергии, чтобы выйти за пределы), но как только появляется электрическое поле, электроны образуют поток и устремляются из положительной в отрицательную область.

Металлическая кристаллическая решётка характерна для металлов, например: свинец, натрий, калий, кальций, серебро, железо, цинк, платина и так далее. Помимо прочего, она подразделяется ещё на несколько типов упаковок: гексагональная, объёмно центрированная (наименее плотная) и гранецентрированная. Первая упаковка характерна для цинка, кобальта, магния, вторая для бария, железа, натрия, третья для меди, алюминия и кальция.

Таким образом, от типа решётки зависят многие свойства, а также строение вещества. Зная тип, можно предсказать, к примеру, какой будет тугоплавкость или прочность объекта.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: