A estrutura da matéria é determinada não apenas pelo arranjo relativo dos átomos nas partículas químicas, mas também pela localização dessas partículas químicas no espaço. O arranjo mais ordenado de átomos, moléculas e íons está em cristais(do grego " cristais" - gelo), onde as partículas químicas (átomos, moléculas, íons) são dispostas em uma determinada ordem, formando uma rede cristalina no espaço. Sob certas condições de formação, eles podem ter a forma natural de poliedros simétricos regulares. O estado cristalino é caracterizado pela presença de ordem de longo alcance no arranjo das partículas e simetria da rede cristalina.

O estado amorfo é caracterizado pela presença apenas de ordem de curto alcance. As estruturas das substâncias amorfas lembram os líquidos, mas têm muito menos fluidez. O estado amorfo é geralmente instável. Sob a influência de cargas mecânicas ou mudanças de temperatura, os corpos amorfos podem cristalizar. A reatividade das substâncias no estado amorfo é muito maior do que no estado cristalino.

Substâncias amorfas

Sinal principal amorfo(do grego " amorfos" - estado informe) da matéria - ausência de rede atômica ou molecular, ou seja, periodicidade tridimensional da estrutura característica do estado cristalino.

Quando uma substância líquida é resfriada, nem sempre ela cristaliza. sob certas condições, um estado sólido amorfo (vítreo) sem equilíbrio pode se formar. O estado vítreo pode conter substâncias simples (carbono, fósforo, arsênico, enxofre, selênio), óxidos (por exemplo, boro, silício, fósforo), halogenetos, calcogenetos e muitos polímeros orgânicos.

Neste estado, a substância pode permanecer estável por um longo período de tempo, por exemplo, a idade de alguns vidros vulcânicos é estimada em milhões de anos. As propriedades físicas e químicas de uma substância em estado vítreo amorfo podem diferir significativamente das propriedades de uma substância cristalina. Por exemplo, o dióxido de germânio vítreo é quimicamente mais ativo que o cristalino. As diferenças nas propriedades do estado amorfo líquido e sólido são determinadas pela natureza do movimento térmico das partículas: no estado amorfo, as partículas são capazes apenas de movimentos oscilatórios e rotacionais, mas não podem se mover dentro da substância.

Existem substâncias que só podem existir na forma sólida no estado amorfo. Isto se refere a polímeros com uma sequência irregular de unidades.

Corpos amorfos isotrópico, ou seja, suas propriedades mecânicas, ópticas, elétricas e outras não dependem da direção. Os corpos amorfos não têm um ponto de fusão fixo: a fusão ocorre em uma determinada faixa de temperatura. A transição de uma substância amorfa do estado sólido para o líquido não é acompanhada por uma mudança abrupta nas propriedades. Um modelo físico do estado amorfo ainda não foi criado.

Substâncias cristalinas

Sólido cristais- formações tridimensionais caracterizadas pela repetibilidade estrita do mesmo elemento estrutural ( célula unitária) em todas as direções. A célula unitária é o menor volume de um cristal em forma de paralelepípedo, repetindo-se um número infinito de vezes no cristal.

A forma geométrica correta dos cristais é determinada, em primeiro lugar, pela sua estrutura interna estritamente regular. Se, em vez de átomos, íons ou moléculas em um cristal, representarmos pontos como os centros de gravidade dessas partículas, obteremos uma distribuição regular tridimensional de tais pontos, chamada rede cristalina. Os próprios pontos são chamados nós estrutura de cristal.

Tipos de redes cristalinas

Dependendo de quais partículas a rede cristalina é feita e qual é a natureza da ligação química entre elas, diferentes tipos de cristais são distinguidos.

Os cristais iônicos são formados por cátions e ânions (por exemplo, sais e hidróxidos da maioria dos metais). Neles existe uma ligação iônica entre as partículas.

Os cristais iônicos podem consistir em monoatômicoíons. É assim que os cristais são construídos Cloreto de Sódio, iodeto de potássio, fluoreto de cálcio.
Cátions metálicos monoatômicos e ânions poliatômicos, por exemplo, íon nitrato NO 3 −, íon sulfato SO 4 2−, íon carbonato CO 3 2−, participam da formação de cristais iônicos de muitos sais.

É impossível isolar moléculas únicas em um cristal iônico. Cada cátion é atraído por cada ânion e repelido por outros cátions. Todo o cristal pode ser considerado uma molécula enorme. O tamanho dessa molécula não é limitado, pois ela pode crescer pela adição de novos cátions e ânions.

A maioria dos compostos iônicos cristaliza em um dos tipos estruturais, que diferem entre si no valor do número de coordenação, ou seja, no número de vizinhos em torno de um determinado íon (4, 6 ou 8). Para compostos iônicos com igual número de cátions e ânions, são conhecidos quatro tipos principais de redes cristalinas: cloreto de sódio (o número de coordenação de ambos os íons é 6), cloreto de césio (o número de coordenação de ambos os íons é 8), esfalerita e wurtzita (ambos os tipos estruturais são caracterizados pelo número de coordenação do cátion e do ânion igual a 4). Se o número de cátions for metade do número de ânions, então o número de coordenação dos cátions deve ser o dobro do número de coordenação dos ânions. Neste caso, são realizados os tipos estruturais de fluorita (números de coordenação 8 e 4), rutilo (números de coordenação 6 e 3) e cristobalita (números de coordenação 4 e 2).

Normalmente, os cristais iônicos são duros, mas quebradiços. Sua fragilidade se deve ao fato de que mesmo com uma leve deformação do cristal, cátions e ânions são deslocados de tal forma que as forças repulsivas entre íons semelhantes começam a prevalecer sobre as forças atrativas entre cátions e ânions, e o cristal é destruído.

Os cristais iônicos têm altos pontos de fusão. No estado fundido, as substâncias que formam cristais iônicos são eletricamente condutoras. Quando dissolvidas em água, essas substâncias se dissociam em cátions e ânions, e as soluções resultantes conduzem corrente elétrica.

A alta solubilidade em solventes polares, acompanhada de dissociação eletrolítica, se deve ao fato de que em um ambiente solvente com alta constante dielétrica ε, a energia de atração entre os íons diminui. A constante dielétrica da água é 82 vezes maior que a do vácuo (condicionalmente existente em um cristal iônico), e a atração entre os íons em uma solução aquosa diminui na mesma proporção. O efeito é potencializado pela solvatação de íons.

Os cristais atômicos consistem em átomos individuais mantidos juntos por ligações covalentes. Das substâncias simples, apenas o boro e os elementos do grupo IVA possuem tais redes cristalinas. Freqüentemente, compostos de não metais entre si (por exemplo, dióxido de silício) também formam cristais atômicos.

Assim como os cristais iônicos, os cristais atômicos podem ser considerados moléculas gigantes. Eles são muito duráveis ​​e duros e não conduzem bem calor e eletricidade. Substâncias que possuem redes cristalinas atômicas derretem em altas temperaturas. Eles são praticamente insolúveis em qualquer solvente. Eles são caracterizados por baixa reatividade.

Os cristais moleculares são construídos a partir de moléculas individuais, dentro das quais os átomos estão conectados por ligações covalentes. Forças intermoleculares mais fracas atuam entre as moléculas. Eles são facilmente destruídos, portanto os cristais moleculares têm baixos pontos de fusão, baixa dureza e alta volatilidade. As substâncias que formam redes cristalinas moleculares não possuem condutividade elétrica, e suas soluções e fundidos também não conduzem corrente elétrica.

As forças intermoleculares surgem devido à interação eletrostática dos elétrons carregados negativamente de uma molécula com os núcleos carregados positivamente de moléculas vizinhas. A força das interações intermoleculares é influenciada por muitos fatores. O mais importante deles é a presença de ligações polares, ou seja, uma mudança na densidade eletrônica de um átomo para outro. Além disso, as interações intermoleculares são mais fortes entre moléculas com maior número de elétrons.

A maioria dos não-metais na forma de substâncias simples (por exemplo, iodo I 2 , argônio Ar, enxofre S 8) e compostos entre si (por exemplo, água, dióxido de carbono, cloreto de hidrogênio), bem como quase todas as substâncias orgânicas sólidas formam cristais moleculares.

Os metais são caracterizados por uma rede cristalina metálica. Ele contém uma ligação metálica entre os átomos. Nos cristais metálicos, os núcleos dos átomos são dispostos de tal forma que seu empacotamento é o mais denso possível. A ligação em tais cristais é deslocalizada e se estende por todo o cristal. Os cristais metálicos possuem alta condutividade elétrica e térmica, brilho e opacidade metálicos e fácil deformabilidade.

A classificação das redes cristalinas corresponde a casos limites. A maioria dos cristais de substâncias inorgânicas pertencem a tipos intermediários - covalente-iônico, covalente molecular, etc. Por exemplo, em um cristal grafite Dentro de cada camada, as ligações são covalente-metálicas e entre as camadas são intermoleculares.

Isomorfismo e polimorfismo

Muitas substâncias cristalinas têm as mesmas estruturas. Ao mesmo tempo, a mesma substância pode formar diferentes estruturas cristalinas. Isso se reflete nos fenômenos isomorfismo E polimorfismo.

Isomorfismo reside na capacidade dos átomos, íons ou moléculas de se substituirem nas estruturas cristalinas. Este termo (do grego " iso" - igual e " morfe" - forma) foi proposta por E. Mitscherlich em 1819. A lei do isomorfismo foi formulada por E. Mitscherlich em 1821 da seguinte forma: “Os mesmos números de átomos, conectados da mesma maneira, dão as mesmas formas cristalinas; Além disso, a forma cristalina não depende da natureza química dos átomos, mas é determinada apenas pelo seu número e posição relativa.”

Trabalhando no laboratório químico da Universidade de Berlim, Mitscherlich chamou a atenção para a completa semelhança dos cristais de sulfatos de chumbo, bário e estrôncio e para a semelhança das formas cristalinas de muitas outras substâncias. Suas observações atraíram a atenção do famoso químico sueco J.-Ya. Berzelius, que sugeriu que Mitscherlich confirmasse os padrões observados usando o exemplo de compostos de ácidos fosfórico e arsênico. Como resultado do estudo, concluiu-se que “as duas séries de sais diferem apenas porque uma contém arsênico como radical ácido e a outra contém fósforo”. A descoberta de Mitscherlich logo atraiu a atenção de mineralogistas, que iniciaram pesquisas sobre o problema da substituição isomórfica de elementos em minerais.

Durante a cristalização conjunta de substâncias propensas ao isomorfismo ( isomórfico substâncias), formam-se cristais mistos (misturas isomórficas). Isso só é possível se as partículas que se substituem diferem pouco em tamanho (não mais que 15%). Além disso, as substâncias isomórficas devem ter um arranjo espacial semelhante de átomos ou íons e, portanto, cristais semelhantes na forma externa. Tais substâncias incluem, por exemplo, alúmen. Em cristais de alúmen de potássio KAl(SO 4) 2 . Os cátions de potássio 12H 2 O podem ser parcial ou completamente substituídos por cátions de rubídio ou amônio, e os cátions de alumínio por cátions de cromo (III) ou ferro (III).

O isomorfismo é generalizado na natureza. A maioria dos minerais são misturas isomórficas de composição complexa e variável. Por exemplo, no mineral esfalerita ZnS, até 20% dos átomos de zinco podem ser substituídos por átomos de ferro (enquanto ZnS e FeS têm estruturas cristalinas diferentes). O isomorfismo está associado ao comportamento geoquímico de elementos raros e traço, sua distribuição em rochas e minérios, onde estão contidos na forma de impurezas isomórficas.

A substituição isomórfica determina muitas propriedades úteis de materiais artificiais de tecnologia moderna - semicondutores, ferromagnetos, materiais laser.

Muitas substâncias podem formar formas cristalinas que possuem estruturas e propriedades diferentes, mas a mesma composição ( polimórfico modificações). Polimorfismo- a capacidade dos sólidos e dos cristais líquidos existirem em duas ou mais formas com diferentes estruturas e propriedades cristalinas com a mesma composição química. Esta palavra vem do grego " polimorfos"- diverso. O fenômeno do polimorfismo foi descoberto por M. Klaproth, que em 1798 descobriu que dois minerais diferentes - calcita e aragonita - têm a mesma composição química CaCO 3.

O polimorfismo de substâncias simples é geralmente chamado de alotropia, enquanto o conceito de polimorfismo não se aplica a formas alotrópicas não cristalinas (por exemplo, O 2 e O 3 gasosos). Um exemplo típico de formas polimórficas são as modificações do carbono (diamante, lonsdaleíta, grafite, carabinas e fulerenos), que diferem acentuadamente em propriedades. A forma mais estável de existência do carbono é a grafite, porém suas outras modificações em condições normais podem persistir indefinidamente. Em altas temperaturas eles se transformam em grafite. No caso do diamante, isso ocorre quando aquecido acima de 1000 o C na ausência de oxigênio. A transição reversa é muito mais difícil de alcançar. Não é necessária apenas alta temperatura (1200-1600 o C), mas também enorme pressão - até 100 mil atmosferas. A transformação do grafite em diamante é mais fácil na presença de metais fundidos (ferro, cobalto, cromo e outros).

No caso dos cristais moleculares, o polimorfismo se manifesta em diferentes empacotamentos de moléculas no cristal ou em mudanças na forma das moléculas, e em cristais iônicos - em diferentes posições relativas de cátions e ânions. Algumas substâncias simples e complexas possuem mais de dois polimorfos. Por exemplo, o dióxido de silício tem dez modificações, o fluoreto de cálcio - seis, o nitrato de amônio - quatro. As modificações polimórficas são geralmente denotadas pelas letras gregas α, β, γ, δ, ε,... começando com modificações que são estáveis ​​em baixas temperaturas.

Ao cristalizar a partir de vapor, solução ou fusão uma substância que possui diversas modificações polimórficas, forma-se primeiro uma modificação que é menos estável sob determinadas condições, que então se transforma em uma mais estável. Por exemplo, quando o vapor de fósforo se condensa, forma-se o fósforo branco, que em condições normais lentamente, mas quando aquecido, rapidamente se transforma em fósforo vermelho. Quando o hidróxido de chumbo é desidratado, inicialmente (cerca de 70 o C) forma-se o β-PbO amarelo, que é menos estável em baixas temperaturas; a cerca de 100 o C ele se transforma em α-PbO vermelho, e a 540 o C ele se transforma de volta em β-PbO.

A transição de um polimorfo para outro é chamada de transformação polimórfica. Essas transições ocorrem quando a temperatura ou a pressão mudam e são acompanhadas por uma mudança abrupta nas propriedades.

O processo de transição de uma modificação para outra pode ser reversível ou irreversível. Assim, quando uma substância branca macia semelhante a grafite de composição BN (nitreto de boro) é aquecida a 1500-1800 o C e a uma pressão de várias dezenas de atmosferas, sua modificação em alta temperatura é formada - borazona, próximo ao diamante em dureza. Quando a temperatura e a pressão são reduzidas para valores correspondentes às condições normais, a borazona mantém a sua estrutura. Um exemplo de transição reversível são as transformações mútuas de duas modificações de enxofre (ortorrômbica e monoclínica) a 95 o C.

As transformações polimórficas podem ocorrer sem alterações significativas na estrutura. Às vezes não há nenhuma mudança na estrutura cristalina, por exemplo, durante a transição de α-Fe para β-Fe a 769 o C, a estrutura do ferro não muda, mas suas propriedades ferromagnéticas desaparecem.

Não são átomos ou moléculas individuais que entram em interações químicas, mas substâncias.

Nossa tarefa é conhecer a estrutura da matéria.

Em baixas temperaturas, as substâncias estão em estado sólido estável.

☼ A substância mais dura da natureza é o diamante. Ele é considerado o rei de todas as gemas e pedras preciosas. E seu próprio nome significa “indestrutível” em grego. Os diamantes há muito são considerados pedras milagrosas. Acreditava-se que quem usa diamantes não conhece doenças estomacais, não é afetado por venenos, mantém a memória e o bom humor até a velhice e goza do favor real.

☼ Um diamante que foi submetido ao processamento de joias - corte, polimento - é chamado de diamante.

Ao derreter como resultado de vibrações térmicas, a ordem das partículas é perturbada, elas se tornam móveis, enquanto a natureza da ligação química não é perturbada. Assim, não há diferenças fundamentais entre os estados sólido e líquido.

O líquido adquire fluidez (ou seja, a capacidade de assumir a forma de um recipiente).

Os cristais líquidos foram descobertos no final do século XIX, mas foram estudados nos últimos 20-25 anos. Muitos dispositivos de exibição de tecnologia moderna, por exemplo, alguns relógios eletrônicos e minicomputadores, operam com cristais líquidos.

Em geral, as palavras “cristais líquidos” não soam menos incomuns do que “gelo quente”. Porém, na realidade, o gelo também pode ser quente, porque... a uma pressão de mais de 10.000 atm. o gelo da água derrete em temperaturas acima de 200 0 C. A incomum combinação de “cristais líquidos” é que o estado líquido indica a mobilidade da estrutura, e o cristal implica uma ordem estrita.

Se uma substância consiste em moléculas poliatômicas de formato alongado ou lamelar e com estrutura assimétrica, então, ao derreter, essas moléculas são orientadas de uma certa maneira umas em relação às outras (seus longos eixos são paralelos). Neste caso, as moléculas podem mover-se livremente paralelamente a si mesmas, ou seja, o sistema adquire a propriedade de fluidez característica de um líquido. Ao mesmo tempo, o sistema mantém uma estrutura ordenada, que determina as propriedades características dos cristais.

A elevada mobilidade de tal estrutura permite controlá-la através de influências muito fracas (térmicas, elétricas, etc.), ou seja, alterar propositalmente as propriedades de uma substância, inclusive ópticas, com pouquíssimo gasto de energia, que é o que se utiliza na tecnologia moderna.

Qualquer substância química é formada por um grande número de partículas idênticas que estão interligadas.

Em baixas temperaturas, quando o movimento térmico é difícil, as partículas são estritamente orientadas no espaço e formam estrutura de cristal.

Célula de cristal - Esse estrutura com um arranjo geometricamente correto de partículas no espaço.

Na própria rede cristalina, os nós e o espaço internodal são diferenciados.

A mesma substância dependendo das condições (p, t,...)existe em várias formas cristalinas (ou seja, eles têm diferentes redes cristalinas) - modificações alotrópicas que diferem em propriedades.

Por exemplo, são conhecidas quatro modificações de carbono: grafite, diamante, carbino e lonsdaleíta.

☼ A quarta variedade de carbono cristalino, “lonsdaleíta”, é pouco conhecida. Foi descoberto em meteoritos e obtido artificialmente, e sua estrutura ainda está em estudo.

☼ Fuligem, coque e carvão foram classificados como polímeros de carbono amorfo. No entanto, sabe-se agora que estas também são substâncias cristalinas.

☼ A propósito, partículas pretas brilhantes foram encontradas na fuligem, chamadas de “carbono espelho”. O carbono espelhado é quimicamente inerte, resistente ao calor, impermeável a gases e líquidos, possui superfície lisa e é absolutamente compatível com tecidos vivos.

☼ O nome grafite vem do italiano “graffito” – escrevo, desenho. A grafite consiste em cristais cinza escuro com um brilho metálico fraco e uma estrutura em camadas. Camadas individuais de átomos em um cristal de grafite, conectadas umas às outras de forma relativamente fraca, são facilmente separadas umas das outras.

TIPOS DE REDES DE CRISTAL

Se a taxa de crescimento do cristal for baixa após o resfriamento, forma-se um estado vítreo (amorfo).

1. A relação entre a posição de um elemento na Tabela Periódica e a rede cristalina de sua substância simples.

Existe uma estreita relação entre a posição de um elemento na tabela periódica e a rede cristalina de sua substância elementar correspondente.

As substâncias simples dos demais elementos possuem uma rede cristalina metálica.

FIXAÇÃO

Estude o material da aula e responda às seguintes perguntas por escrito em seu caderno:

1. O que é uma rede cristalina?
2. Que tipos de redes cristalinas existem?
3. Caracterize cada tipo de rede cristalina de acordo com o plano: O que há nos nós da rede cristalina, unidade estrutural → Tipo de ligação química entre as partículas do nó → Forças de interação entre as partículas do cristal → Propriedades físicas devidas ao cristal rede → Estado agregado da substância em condições normais → Exemplos

Conclua tarefas neste tópico:

1. Que tipo de rede cristalina possuem as seguintes substâncias amplamente utilizadas na vida cotidiana: água, ácido acético (CH 3 COOH), açúcar (C 12 H 22 O 11), fertilizante potássico (KCl), areia de rio (SiO 2) - fusão ponto 1710 0 C , amônia (NH 3), sal de cozinha? Faça uma conclusão geral: por quais propriedades de uma substância se pode determinar o tipo de sua rede cristalina?
2. Usando as fórmulas das substâncias fornecidas: SiC, CS 2, NaBr, C 2 H 2 - determine o tipo de rede cristalina (iônica, molecular) de cada composto e, com base nisso, descreva as propriedades físicas de cada uma das quatro substâncias .
   
3. Treinador nº 1. "Redes de cristal"
   
4. Treinador nº 2. "Tarefas de teste"
   
5. Teste (autocontrole):

1) Substâncias que possuem uma rede cristalina molecular, via de regra:

2) O conceito de “molécula” não aplicável em relação à unidade estrutural de uma substância:

a). água

b). oxigênio

V). diamante

G). ozônio

3) A rede cristalina atômica é característica de:

a). alumínio e grafite

b). enxofre e iodo

V). óxido de silício e cloreto de sódio

G). diamante e boro

4) Se uma substância é altamente solúvel em água, tem um alto ponto de fusão e é eletricamente condutora, então sua estrutura cristalina é:

A). molecular

b). atômico

V). iônico

G). metal

Vamos falar sobre sólidos. Os sólidos podem ser divididos em dois grandes grupos: amorfo E cristalino. Iremos separá-los de acordo com o princípio de haver ordem ou não.

EM substâncias amorfas as moléculas estão dispostas aleatoriamente. Não há padrões em seu arranjo espacial. Essencialmente, as substâncias amorfas são líquidos muito viscosos, tão viscosos que são sólidos.

Daí o nome: “a-” – partícula negativa, “morphe” – forma. As substâncias amorfas incluem: vidro, resinas, cera, parafina, sabão.

A falta de ordem no arranjo das partículas determina as propriedades físicas dos corpos amorfos: elas não têm pontos de fusão fixos. À medida que aquecem, sua viscosidade diminui gradativamente e também passam gradativamente ao estado líquido.

Ao contrário das substâncias amorfas, existem substâncias cristalinas. As partículas de uma substância cristalina são ordenadas espacialmente. Esta estrutura correta do arranjo espacial das partículas em uma substância cristalina é chamada estrutura de cristal.

Ao contrário dos corpos amorfos, substâncias cristalinas possuem pontos de fusão fixos.

Dependendo de quais partículas estão nós de rede, e quais conexões os mantêm unidos, os diferenciam: molecular, atômico, iônico E metal grades.

Por que é de fundamental importância saber que tipo de rede cristalina uma substância possui? O que isso define? Todos. A estrutura determina como propriedades químicas e físicas de uma substância.

O exemplo mais simples: DNA. Em todos os organismos da Terra, é construído a partir do mesmo conjunto de componentes estruturais: quatro tipos de nucleotídeos. E que variedade de vida. Tudo isso é determinado pela estrutura: a ordem em que esses nucleotídeos estão dispostos.

Rede cristalina molecular.

Um exemplo típico é a água no estado sólido (gelo). Moléculas inteiras estão localizadas em locais da rede. E mantê-los juntos interações intermoleculares: ligações de hidrogênio, forças de van der Waals.

Essas ligações são fracas, então a rede molecular é o mais frágil, o ponto de fusão dessas substâncias é baixo.

Um bom sinal de diagnóstico: se uma substância tem um estado líquido ou gasoso em condições normais e/ou tem um odor, então muito provavelmente esta substância tem uma rede cristalina molecular. Afinal, os estados líquido e gasoso são consequência do fato das moléculas na superfície do cristal não aderirem bem (as ligações são fracas). E eles estão “maravilhados”. Essa propriedade é chamada de volatilidade. E as moléculas murchas, difundidas no ar, chegam aos nossos órgãos olfativos, que são sentidos subjetivamente como um cheiro.

Eles têm uma rede cristalina molecular:

1. Algumas substâncias simples de não metais: I 2, P, S (ou seja, todos os não metais que não possuem rede atômica).
2. Quase todas as substâncias orgânicas ( exceto sais).
3. E como mencionado anteriormente, as substâncias em condições normais são líquidas ou gasosas (sendo congeladas) e/ou inodoras (NH 3, O 2, H 2 O, ácidos, CO 2).

Rede cristalina atômica.

Nos nós da rede cristalina atômica, ao contrário da molecular, existem átomos individuais. Acontece que a rede é mantida unida por ligações covalentes (afinal, são elas que ligam os átomos neutros).

Um exemplo clássico é o padrão de resistência e dureza - diamante (por sua natureza química é uma substância simples - carbono). Contatos: covalente não polar, já que a rede é formada apenas por átomos de carbono.

Mas, por exemplo, em um cristal de quartzo (cuja fórmula química é SiO 2) existem átomos de Si e O. Portanto, as ligações polar covalente.

Propriedades físicas de substâncias com rede cristalina atômica:

1. força, dureza
2. altos pontos de fusão (refratária)
3. substâncias não voláteis
4. insolúvel (nem em água nem em outros solventes)

Todas essas propriedades são devidas à força das ligações covalentes.

Existem poucas substâncias em uma rede cristalina atômica. Não existe um padrão específico, então você só precisa lembrá-los:

1. Modificações alotrópicas do carbono (C): diamante, grafite.
2. Boro (B), silício (Si), germânio (Ge).
3. Apenas duas modificações alotrópicas do fósforo possuem uma rede cristalina atômica: fósforo vermelho e fósforo preto. (o fósforo branco tem uma rede cristalina molecular).
4. SiC – carborundum (carboneto de silício).
5. BN – nitreto de boro.
6. Sílica, cristal de rocha, quartzo, areia de rio - todas essas substâncias têm composição SiO 2.
7. Corindo, rubi, safira - essas substâncias têm composição Al 2 O 3.

Certamente surge a pergunta: C é diamante e grafite. Mas são completamente diferentes: o grafite é opaco, mancha e conduz eletricidade, enquanto o diamante é transparente, não mancha e não conduz eletricidade. Eles diferem na estrutura.

Ambos são redes atômicas, mas diferentes. Portanto, as propriedades são diferentes.

Rede de cristal iônico.

Exemplo clássico: sal de cozinha: NaCl. Nos nós da rede existem íons individuais: Na+ e Cl–. A rede é mantida no lugar por forças eletrostáticas de atração entre os íons (“mais” é atraído por “menos”), isto é ligação iônica.

As redes cristalinas iônicas são bastante fortes, mas frágeis; as temperaturas de fusão dessas substâncias são bastante altas (mais altas que as das redes metálicas, mas mais baixas que as das substâncias com rede atômica). Muitos são solúveis em água.

Via de regra, não há problemas em determinar a rede cristalina iônica: onde há uma ligação iônica, há uma rede cristalina iônica. Esse: todos os sais, óxidos metálicos, álcalis(e outros hidróxidos básicos).

Estrutura cristalina metálica.

A grade metálica é vendida em substâncias simples metais. Anteriormente dissemos que todo o esplendor da ligação metálica só pode ser compreendido em conjunto com a rede cristalina metálica. Chegou a hora.

A principal propriedade dos metais: elétrons em nível de energia externa Eles são mal conservados, por isso são facilmente doados. Tendo perdido um elétron, o metal se transforma em um íon carregado positivamente - um cátion:

Na 0 – 1e → Na +

Em uma rede cristalina de metal, ocorrem constantemente processos de liberação e ganho de elétrons: um elétron é arrancado de um átomo de metal em um local da rede. Um cátion é formado. O elétron destacado é atraído por outro cátion (ou o mesmo): um átomo neutro é formado novamente.

Os nós de uma rede cristalina metálica contêm átomos neutros e cátions metálicos. E os elétrons livres viajam entre os nós:

Esses elétrons livres são chamados de gás de elétrons. Eles determinam as propriedades físicas de substâncias metálicas simples:

1. condutividade térmica e elétrica
2. brilho metálico
3. maleabilidade, ductilidade

Esta é uma ligação metálica: os cátions metálicos são atraídos por átomos neutros e os elétrons livres “colam” tudo junto.

Como determinar o tipo de rede cristalina.

P.S. Há algo no currículo escolar e no programa do Exame Estadual Unificado sobre esse assunto com o qual não concordamos inteiramente. A saber: a generalização de que qualquer ligação metal-não-metal é uma ligação iônica. Esta suposição foi feita deliberadamente, aparentemente para simplificar o programa. Mas isso leva à distorção. A fronteira entre ligações iônicas e covalentes é arbitrária. Cada título tem sua própria porcentagem de “ionicidade” e “covalência”. A ligação com um metal pouco ativo tem uma pequena porcentagem de “ionicidade”; é mais parecida com uma ligação covalente. Mas de acordo com o programa do Exame de Estado Unificado, ele é “arredondado” para o iônico. Isto dá origem a coisas por vezes absurdas. Por exemplo, Al 2 O 3 é uma substância com uma rede cristalina atômica. De que tipo de ionicidade estamos falando aqui? Somente uma ligação covalente pode manter os átomos juntos dessa maneira. Mas de acordo com o padrão metal-não-metal, classificamos essa ligação como iônica. E temos uma contradição: a rede é atômica, mas a ligação é iônica. É a isso que a simplificação excessiva leva.

Que em condições normais é um gás, a uma temperatura de -194 ° C transforma-se num líquido azul, e a uma temperatura de -218,8 ° C endurece numa massa semelhante a neve constituída por cristais azuis.

Nesta seção veremos como as características das ligações químicas afetam as propriedades dos sólidos. A faixa de temperatura para a existência de uma substância no estado sólido é determinada pelos seus pontos de ebulição e fusão. Os sólidos são divididos em cristalinos e amorfos.
As substâncias amorfas não têm um ponto de fusão claro - quando aquecidas, amolecem gradualmente e passam para um estado fluido. No estado amorfo, por exemplo, existe plasticina ou diversas resinas.

As substâncias cristalinas são caracterizadas pelo correto arranjo das partículas que as compõem: átomos, moléculas e íons. - em pontos estritamente definidos no espaço. Quando esses pontos são conectados por linhas retas, forma-se uma estrutura espacial, chamada rede cristalina. Os pontos onde as partículas cristalinas estão localizadas são chamados de redes.

Os nós de uma rede imaginária podem conter íons, átomos e moléculas. Essas partículas realizam movimentos oscilatórios. Com o aumento da temperatura, aumenta a amplitude dessas oscilações, o que, via de regra, leva à expansão térmica dos corpos.

Dependendo do tipo de partículas localizadas nos nós da rede cristalina e da natureza da conexão entre elas, distinguem-se quatro tipos de redes cristalinas: iônica, atômica, molecular e metálica (Tabela 6).

As substâncias simples dos demais elementos, não apresentadas na Tabela 6, possuem uma rede metálica.

Redes de cristal iônico são aquelas cujos nós contêm íons. Eles são formados por substâncias com ligações iônicas, que podem ligar tanto íons Na+, Cl- simples quanto íons complexos SO 2- 4, OH-. Conseqüentemente, as redes cristalinas iônicas possuem sais, alguns óxidos e hidróxidos de metais, ou seja, aquelas substâncias nas quais existe uma ligação química iônica. Por exemplo, um cristal de cloreto de sódio é construído a partir da alternância de íons Na+ positivos e Cl- negativos, formando uma rede em forma de cubo. As ligações entre os íons nesse cristal são muito estáveis. Portanto, substâncias com peneira iônica possuem dureza e resistência relativamente altas, são refratárias e não voláteis.

As redes atômicas são transformadas em redes cristalinas, em cujos nós existem átomos individuais. Nessas redes, os átomos estão conectados uns aos outros por ligações covalentes muito fortes. Um exemplo de substâncias com esse tipo de rede cristalina é o diamante, uma das modificações alotrópicas do carbono.

O número de substâncias com rede cristalina atômica não é muito grande. Estes incluem boro cristalino, silício e germânio, bem como substâncias complexas, por exemplo aquelas que contêm óxido de silício (IV) - SlO2: sílica, quartzo, areia, cristal de rocha.

A maioria das substâncias com rede cristalina atômica tem pontos de fusão muito altos (por exemplo, para o diamante é superior a 3500 ºС), são fortes e duras, praticamente insolúveis.

Moleculares são redes cristalinas nas quais as moléculas estão localizadas nos nós. As ligações químicas nessas moléculas podem ser polares ou apolares. Apesar do fato de os átomos dentro das moléculas estarem conectados por ligações covalentes muito fortes, forças fracas de atração molecular atuam entre as próprias moléculas. Portanto, substâncias com redes cristalinas moleculares têm baixa dureza, baixos pontos de fusão e são voláteis.

Exemplos de substâncias com redes cristalinas moleculares são água sólida - gelo, monóxido de carbono sólido (IV) - “gelo seco”, cloreto de hidrogênio sólido e sulfeto de hidrogênio, substâncias sólidas simples formadas por um- (gases nobres), dois-, três- ( O3), quatro- (P4). moléculas de oito átomos. A maioria dos compostos orgânicos sólidos possui redes cristalinas moleculares (naftaleno, glicose, açúcar).
Substâncias com ligações metálicas possuem redes cristalinas metálicas. Nos locais de tais redes existem átomos e íons (sejam átomos ou íons, nos quais os átomos de metal se transformam facilmente, cedendo seus elétrons externos para uso comum). Esta estrutura interna dos metais determina suas propriedades físicas características: maleabilidade, ductilidade, condutividade elétrica e térmica, brilho metálico característico.

Para substâncias com estrutura molecular, aplica-se a lei da constância de composição descoberta pelo químico francês J. L. Proust (1799-1803). Atualmente, esta lei está formulada da seguinte forma: “Os compostos químicos moleculares, independentemente do método de preparação, têm composição e propriedades constantes. A Lei de Proust é uma das leis básicas da química. Porém, para substâncias com estrutura não molecular, por exemplo iônica, esta lei nem sempre é verdadeira.

1. Estados da matéria sólido, líquido e gasoso.

2. Sólidos: amorfos e cristalinos.

3. Redes cristalinas: atómicas, iónicas, metálicas e moleculares.

4. Lei da constância da composição.

Quais propriedades do naftaleno fundamentam seu uso para proteger os produtos de lã das traças?
Que qualidades de corpos amorfos são aplicáveis ​​para identificar os traços de caráter de pessoas individuais?

Por que o alumínio descoberto pelo cientista dinamarquês K. H. Oersted em 1825 ainda foi considerado um metal precioso por muito tempo?

Lembre-se do trabalho de A. Belyaev “The Air Seller” e caracterize as propriedades do oxigênio sólido usando sua descrição dada no livro.
Por que o ponto de fusão dos metais varia muito? Para preparar uma resposta a esta pergunta, use literatura adicional.

Por que um produto de silício se quebra com o impacto, enquanto um produto de chumbo apenas se achata? Em quais destes casos a ligação química se rompe e em quais não? Por que?

Estrutura da matéria.

Não são átomos ou moléculas individuais que entram em interações químicas, mas substâncias.
Nossa tarefa é conhecer a estrutura da matéria.

Em baixas temperaturas, as substâncias estão em estado sólido estável.

☼ A substância mais dura da natureza é o diamante. Ele é considerado o rei de todas as gemas e pedras preciosas. E seu próprio nome significa “indestrutível” em grego. Os diamantes há muito são considerados pedras milagrosas. Acreditava-se que quem usa diamantes não conhece doenças estomacais, não é afetado por venenos, mantém a memória e o bom humor até a velhice e goza do favor real.

☼ Um diamante que foi submetido ao processamento de joias - corte, polimento - é chamado de diamante.

Ao derreter como resultado de vibrações térmicas, a ordem das partículas é perturbada, elas se tornam móveis, enquanto a natureza da ligação química não é perturbada. Assim, não há diferenças fundamentais entre os estados sólido e líquido.
O líquido adquire fluidez (ou seja, a capacidade de assumir a forma de um recipiente).

Cristais líquidos.

Os cristais líquidos foram descobertos no final do século XIX, mas foram estudados nos últimos 20-25 anos. Muitos dispositivos de exibição de tecnologia moderna, por exemplo, alguns relógios eletrônicos e minicomputadores, operam com cristais líquidos.

Em geral, as palavras “cristais líquidos” não soam menos incomuns do que “gelo quente”. Porém, na realidade, o gelo também pode ser quente, porque... a uma pressão de mais de 10.000 atm. o gelo da água derrete em temperaturas acima de 2.000 C. A incomum da combinação “cristais líquidos” é que o estado líquido indica a mobilidade da estrutura, e o cristal implica uma ordem estrita.

Se uma substância consiste em moléculas poliatômicas de formato alongado ou lamelar e com estrutura assimétrica, então, ao derreter, essas moléculas são orientadas de uma certa maneira umas em relação às outras (seus longos eixos são paralelos). Neste caso, as moléculas podem mover-se livremente paralelamente a si mesmas, ou seja, o sistema adquire a propriedade de fluidez característica de um líquido. Ao mesmo tempo, o sistema mantém uma estrutura ordenada, que determina as propriedades características dos cristais.

A elevada mobilidade de tal estrutura permite controlá-la através de influências muito fracas (térmicas, elétricas, etc.), ou seja, alterar propositalmente as propriedades de uma substância, inclusive ópticas, com pouquíssimo gasto de energia, que é o que se utiliza na tecnologia moderna.

Tipos de redes cristalinas.

Qualquer substância química é formada por um grande número de partículas idênticas que estão interligadas.
Em baixas temperaturas, quando o movimento térmico é difícil, as partículas são estritamente orientadas no espaço e formam uma rede cristalina.

Célula de cristal é uma estrutura com um arranjo geometricamente correto de partículas no espaço.

Na própria rede cristalina, os nós e o espaço internodal são diferenciados.
A mesma substância, dependendo das condições (p, t,...), existe em diferentes formas cristalinas (ou seja, possuem diferentes redes cristalinas) - modificações alotrópicas que diferem em propriedades.
Por exemplo, são conhecidas quatro modificações de carbono: grafite, diamante, carbino e lonsdaleíta.

☼ A quarta variedade de carbono cristalino, “lonsdaleíta”, é pouco conhecida. Foi descoberto em meteoritos e obtido artificialmente, e sua estrutura ainda está em estudo.

☼ Fuligem, coque e carvão foram classificados como polímeros amorfos de carbono. No entanto, sabe-se agora que estas também são substâncias cristalinas.

☼ Aliás, foram encontradas partículas pretas brilhantes na fuligem, que foram chamadas de “carbono espelho”. O carbono espelhado é quimicamente inerte, resistente ao calor, impermeável a gases e líquidos, possui superfície lisa e é absolutamente compatível com tecidos vivos.

☼ O nome grafite vem do italiano “graffito” – escrevo, desenho. A grafite consiste em cristais cinza escuro com um brilho metálico fraco e uma estrutura em camadas. Camadas individuais de átomos em um cristal de grafite, conectadas umas às outras de forma relativamente fraca, são facilmente separadas umas das outras.

TIPOS DE REDES DE CRISTAL

Propriedades de substâncias com diferentes redes cristalinas (tabela)

Se a taxa de crescimento do cristal for baixa após o resfriamento, forma-se um estado vítreo (amorfo).

A relação entre a posição de um elemento na Tabela Periódica e a rede cristalina de sua substância simples.

Existe uma estreita relação entre a posição de um elemento na tabela periódica e a rede cristalina de sua substância elementar correspondente.

As substâncias simples dos demais elementos possuem uma rede cristalina metálica.

FIXAÇÃO

Estude o material da aula e responda às seguintes perguntas por escrito em seu caderno:
- O que é uma rede cristalina?
- Que tipos de redes cristalinas existem?
- Descreva cada tipo de rede cristalina de acordo com o plano:

O que há nos nós da rede cristalina, unidade estrutural → Tipo de ligação química entre as partículas do nó → Forças de interação entre as partículas do cristal → Propriedades físicas determinadas pela rede cristalina → Estado agregado da substância em condições normais → Exemplos

Conclua tarefas neste tópico:

- Que tipo de rede cristalina possuem as seguintes substâncias amplamente utilizadas na vida cotidiana: água, ácido acético (CH3 COOH), açúcar (C12 H22 O11), fertilizante potássico (KCl), areia de rio (SiO2) - ponto de fusão 1710 0C, amônia (NH3), sal? Faça uma conclusão geral: por quais propriedades de uma substância se pode determinar o tipo de sua rede cristalina?
Utilizando as fórmulas das substâncias fornecidas: SiC, CS2, NaBr, C2 H2 - determine o tipo de rede cristalina (iônica, molecular) de cada composto e, com base nisso, descreva as propriedades físicas de cada uma das quatro substâncias.
Treinador nº 1. "Redes de cristal"
Treinador nº 2. "Tarefas de teste"
Teste (autocontrole):

1) Substâncias que possuem uma rede cristalina molecular, via de regra:
a). refratário e altamente solúvel em água
b). fusível e volátil
V). Sólido e eletricamente condutivo
G). Termicamente condutivo e plástico

2) O conceito de “molécula” não é aplicável à unidade estrutural de uma substância:

b). oxigênio

V). diamante

3) A rede cristalina atômica é característica de:

a). alumínio e grafite

b). enxofre e iodo

V). óxido de silício e cloreto de sódio

G). diamante e boro

4) Se uma substância é altamente solúvel em água, tem um alto ponto de fusão e é eletricamente condutora, então sua estrutura cristalina é:

A). molecular

b). atômico

V). iônico

G). metal