I. Общие сведения.

Кристаллы.

В природе различают четыре агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазма. При изменении давления и температуры одно состояние переходит в другое. Твердое вещество может находиться в кристаллическом и аморфном состояниях. В аморфном состоянии различают компактную (полиэтилен) и дисперсную (сажа) формы. Аморфное состояние отличается от кристаллического следующим:

А) Аморфное состояние является метастабильным, т.е. с течением времени аморфное превращается в кристаллическое с выделением энергии;

Б) Аморфное состояние сохраняет неупорядоченное расположение частиц;

В) Аморфное состояние характеризуется изотропностью – одинаковостью значений свойств в любом направлении внутри вещества;

Г) Переход аморфного состояния в жидкое характеризуется непрерывным изменением свойств;

Д) Аморфное состояние вещества не образует кристаллических решеток.

Располагаясь в кристаллах строго определенным образом, частицы образуют кристаллическую решетку, в узлах которой они находятся.

Кристаллическая решетка – это характерное для кристалла расположение атомов, ионов или молекул, образующее периодическую повторяемость в трех измерениях.

В зависимости от частиц, образующих кристалл, и характера связи между ними различают четыре вида кристаллических решеток:

1. Атомные кристаллические решетки. В узлах – атомы, соединенные прочными ковалентными связями. Вещества с атомными кристаллическими решетками химически инертны, тверды, тугоплавки, практически не растворимы, не проводят тепло и электричество. Пример: алмаз, кремень, оксиды.

2. Ионные кристаллические решетки. В узлах – положительно и отрицательно заряженные ионы, между которыми действуют силы Кулона. Ионы бывают простые (К⁺, Na⁺, Cl‾, S²‾) и сложные (NH₄⁺, SO₄²‾, NO₃‾). Вещества, имеющие ионную кристаллическую решетку тверды, хрупки, мало летучи, имеют высокую температуру плавления. В твердом виде и в бездефектном состоянии плохо проводят ток. В расплаве и растворе обладают ионной проводимостью. Пример: соли.

3. Металлические кристаллические решетки. Узлы – катионы металлов, между которыми находятся электроны (электронный газ). Имеют высокую электро- и теплопроводность, блеск, легко деформируются. Эти свойства обусловлены металлической связью. Пример: все металлы.

4. Молекулярные кристаллические решетки. Узлы – молекулы, между которыми существуют водородные связи или слабые межмолекулярные взаимодействия. Имеют низкие температуры плавления и кипения, обладают высокой летучестью, малой твердостью, не обладают электропроводностью. Пример: твердые I₂, Н₂, О₂, СО₂.

 

Одно и тоже вещество в зависимости от условий образует различные кристаллические формы. Это явление называется полиморфизм, а образующиеся формы – полиморфные модификации. Пример: алмаз, графит, фуллерен.

 

Аллотропия – это способность химических элементов существовать в виде двух и более простых веществ с различными свойствами. Аллотропия – это полиморфизм элементов. Пример: сера монокринная (а ≠ b ≠ c; α = γ = 90 º, β ≠ 90 º) и сера ромбическая (a = b = c; α = β = γ ≠ 90 º).

Изоморфизм – это способность различных веществ существовать в одной и той же кристаллической форме. Например: KMnO₄ и BaSO₄ имеют одинаковую кристаллическую решетку. Изоморфные вещества при совместной кристаллизации могут образовывать смешанные кристаллы, которые называются твердые растворы. Различают твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения. Какой из типов растворов образуется, зависит от размеров катионов и анионов (см. А.А. Гуров, Ф.З. Бадаев и др. Химия, М.:2004, стр. 154).