Які кристалічні грати у натрію. Кристалічні грати

Тверді речовини зазвичай мають кристалічну будову. Воно характеризується правильним розташуванням частинок у певних точках простору. При уявному з'єднанні цих точок прямими лініями, що перетинаються, утворюється просторовий каркас, який називають кристалічною решіткою. Точки, в яких розміщені частинки, називаються вузлами кристалічних ґрат. У вузлах уявної решітки можуть бути іони, атоми або молекули. Вони роблять коливальні рухи. З підвищенням температури амплітуда коливань зростає, що проявляється у тепловому розширеннітел.

Залежно від виду частинок та характеру зв'язку між ними розрізняють 4 види кристалічних ґрат: іонні (NaCl, KCl), атомні, молекулярні та металеві.

Кристалічні грати, що складаються з іонів, називаються іонними. Їх утворюють речовини з іонним зв'язком. Прикладом може бути кристал хлориду натрію, в якому кожен іон натрію оточений 6 хлорид-іонами, а кожен хлорид-іон 6 іонами-натрію.

Кристалічні грати NaCl

Число найближчих сусідніх частинок, що впритул примикають до даної частки в кристалі або окремій молекулі називається координаційним числом.

У ґратах NaCl координаційні числа обох іонів дорівнюють 6. Отже, у кристалі NaCl не можна виділити окремі молекулисолі. Їх немає. Весь кристал слід розглядати як гігантську макромолекулу, що складається з рівної кількостііонів Na + та Cl - , Na n Cl n – де n велике число. Зв'язки між іонами у такому кристалі дуже міцні. Тому речовини з іонними гратами мають порівняно високу твердість. Вони тугоплавкі та малолеткі.

Плавлення іонних кристалів призводить до порушення геометрично правильної орієнтації іонів щодо один одного та зменшення міцності зв'язку між ними. Тому розплави проводять електричний струм. Іонні сполуки зазвичай легко розчиняються в рідинах, що складаються з полярних молекул, наприклад, воді.

Кристалічні грати, у вузлах яких знаходяться окремі атоми, називаються атомними. Атоми у таких ґратах з'єднані між собою міцними ковалентними зв'язками. Прикладом може бути алмаз - одне з модифікацій вуглецю. Алмаз складається з атомів вуглецю, кожен із яких пов'язані з 4 сусідніми атомами. Координаційне число вуглецю в алмазі дорівнює 4. Речовини з атомною кристалічною решіткоюмають високу температуру плавлення (у алмазу понад 3500 про С), міцні та тверді, практично не розчиняються у воді.

Кристалічні грати, що складаються з молекул (полярних та неполярних), називаються молекулярними. Молекули у таких ґратах з'єднані між собою порівняно слабкими міжмолекулярними силами. Тому речовини з молекулярними гратамимають малу твердість та низьку температуру плавлення, нерозчинні або малорозчинні у воді, їх розчини майже не проводять електричний струм. Прикладами є лід, твердий СО 2 («сухий лід»), галогени, кристали водню, кисню, азоту, шляхетних газів та інших.

Валентність

Важливою кількісною характеристикою, що показує кількість взаємодіючих між собою атомів в молекулі, що утворилася, є валентність– властивість атомів одного елемента приєднувати певна кількістьатоми інших елементів.

Кількісно валентність визначається числом атомів водню, яке даний елементможе приєднувати або замінювати. Так, наприклад, у плавикової кислоти(HF) фтор одновалентний, в аміаку (NH 3) азот тривалентний, в кремневодороді (SiH 4 - силан) кремній чотиривалентний і т.д.

Пізніше з розвитком уявлень про будову атомів валентність елементів стали пов'язувати з числом неспарених електронів (валентних), завдяки яким здійснюється зв'язок між атомами. Таким чином, валентність визначається числом неспарених електронів в атомі, що беруть участь в утворенні хімічного зв'язку (в основному або збудженому стані). У випадку валентність дорівнює числу електронних пар, що зв'язують даний атом з атомами інших елементів.

Більшість твердих речовинмають кристалічну структуру , в якій частинки, з яких вона «побудована» знаходяться в певному порядкустворюючи тим самим кристалічні ґрати. Вона будується з повторюваних однакових структурних одиниць - елементарних осередків, що зв'язується із сусідніми осередками, утворюючи додаткові вузли. В результаті існує 14 різних кристалічних ґрат.

Типи кристалічних ґрат.

Залежно від частинок, які стоять у вузлах ґрат, розрізняють:

• металеві кристалічні грати;
• іонну кристалічну решітку;
• молекулярні кристалічні грати;
• макромолекулярні (атомні) кристалічні грати.

Металевий зв'язок у кристалічних ґратах.

Іонні кристали мають підвищену крихкість, т.к. зсув у ґратах кристала (навіть незначний) призводить до того, що однойменно заряджені іони починають відштовхуватися один від одного, і зв'язки рвуться, утворюються тріщини та розколи.

Молекулярний зв'язок кристалічних ґрат.

Основна особливість міжмолекулярного зв'язку полягає в її "слабкості" (ван-дер-ваальсові, водневі).

Це структура льоду. Кожна молекула води пов'язана водневими зв'язками з 4-ма навколишніми молекулами, в результаті структура має тетраедричний характер.

Водневий зв'язок пояснює високу температуру кипіння, плавлення та малу щільність;

Макромолекулярний зв'язок кристалічних ґрат.

У вузлах кристалічних ґрат знаходяться атоми. Ці кристали поділяються на 3 види:

• каркасні;
• ланцюжкові;
• шаруваті структури.

Каркасною структуроюмає алмаз - одне з найтвердіших речовин у природі. Атом вуглецю утворює 4 однакові ковалентні зв'язки, що говорить про форму правильного тетраедра (sp 3 - Гібридизація). Кожен атом має неподілену пару електронів, які можуть зв'язуватися з сусідніми атомами. Внаслідок чого утворюється тривимірна решітка, у вузлах якої лише атоми вуглецю.

Енергії для руйнування такої структури потрібно дуже багато, температура плавлення таких сполук висока (у алмазу вона становить 3500 ° С).

Шаруваті структуриговорять про наявність ковалентних зв'язків усередині кожного шару та слабких ван-дер-ваальсових – між шарами.

Розглянемо приклад: графіт. Кожен атом вуглецю знаходиться в sp 2 - гібридизації. Четвертий неспарений електрон утворює ван-дер-ваальсовий зв'язок між шарами. Тому 4-ий шар дуже рухливий:

Зв'язки слабкі, тому їх легко розірвати, що можна спостерігати у олівця - «пишуча властивість» - 4-й шар залишається на папері.

Графіт – чудовий провідник електричного струму (електрони здатні переміщатися вздовж площини шару).

Ланцюжковими структурамимають оксиди (наприклад, SO 3 ), який кристалізується у вигляді блискучих голок, полімери, деякі аморфні речовини, силікати (азбест).

Поварена сіль - це хлорид натрію, що застосовується як добавка до їжі, консерванту продуктів харчування. Використовується також у хімічної промисловості, медицини. Служить найважливішою сировиноюдля отримання їдкого натру, соди та інших речовин. Формула солі кухонної – NaCl.

Утворення іонного зв'язку між натрієм та хлором

Хімічний склад хлориду натрію відображає умовна формула NaCl, яка дає уявлення про рівну кількість атомів натрію та хлору. Але речовина утворена не двох атомними молекуламиа складається з кристалів. При взаємодії лужного металуіз сильним неметалом кожен атом натрію віддає більш електронегативного хлору. Виникають катіони натрію Na + та аніони кислотного залишку соляної кислоти Cl -. Різноіменно заряджені частинки притягуються, утворюючи речовину з іонною кристалічною решіткою. Маленькі катіони натрію розташовані між великими аніонами хлору. Число позитивних частинок у складі хлориду натрію дорівнює кількості негативних, речовина в цілому є нейтральним.

Хімічна формула. Поварена сіль та галит

Солі - це складні речовини іонної будови, Назви яких починаються з найменування кислотного залишку. Формула солі кухонної – NaCl. Геологи мінерал такого складу називають «галіт», а осадову породу- "Кам'яна сіль". Застарілий хімічний термін, який часто вживається з виробництва, — «хлористий натрій». Ця речовина відома людям з давнину, Колись його вважали «білим золотом». Сучасні учні шкіл та студенти під час читання рівнянь реакцій за участю хлориду натрію називають хімічні знаки («натрій хлор»).

Проведемо нескладні розрахунки за формулою речовини:

1) Mr (NaCl) = Ar (Na) + Ar (Cl) = 22,99 + 35,45 = 58,44.

Відносна становить 58,44 (в а.е.м.).

2) Чисельно дорівнює молекулярній вазі молярна масаале ця величина має одиниці виміру г/моль: М (NaCl) = 58,44 г/моль.

3) Зразок солі масою 100 г містить 60,663 г атомів хлору та 39,337 г натрію.

Фізичні властивості кухонної солі

Крихкі кристали галіта - безбарвні або білі. У природі також зустрічаються родовища кам'яної солі, пофарбовані в сірий, жовтий або блакитний колір. Іноді мінеральна речовинамає червоний відтінок, що обумовлено видами та кількістю домішок. Твердість галита складає всього 2-2,5, скло залишає на його поверхні межу.

Інші фізичні параметрихлориду натрію:

• запах - відсутній;
• смак – солоний;
• щільність - 2,165 г/см3 (20 ° C);
• температура плавлення - 801 ° C;
• точка кипіння - 1413 ° C;
• розчинність у воді – 359 г/л (25 °C);

Одержання хлориду натрію у лабораторії

При взаємодії металевого натрію з газоподібним хлором у пробірці утворюється речовина білого кольору- хлорид натрію NaCl(Формула кухонної солі).

Хімія дає уявлення про різних способахотримання однієї й тієї ж сполуки. Ось деякі приклади:

NaOH (водн.) + HCl = NaCl + H2O.

Окисно-відновна реакція між металом та кислотою:

2Na + 2HCl = 2NaCl + Н 2 .

Дія кислоти на оксид металу: Na 2 O + 2HCl (водн.) = 2NaCl + H 2 O

Витіснення слабкої кислотиз розчину її солі сильнішої:

Na 2 CO 3 + 2HCl (водн.) = 2NaCl + H 2 O + CO 2 (газ).

Для застосування в промислових масштабах усі ці методи надто дорогі та складні.

Виробництво кухонної солі

Ще на зорі цивілізації люди знали, що після засолювання м'ясо та риба зберігаються довше. Прозорі, правильної формиКриштали галіта використовувалися в деяких стародавніх країнах замість грошей і були на вагу золота. Пошук та розробка родовищ галита дозволили задовольнити зростаючі потреби населення та промисловості. Найважливіші природні джерелакухонної солі:

• поклади мінералу галіту у різних країнах;
• вода морів, океанів та солоних озер;
• прошарки та кірки кам'яної солі на берегах солоних водойм;
• кристали галіту на стінках вулканічних кратерів;
• солончаки.

У промисловості використовуються чотири основні способи одержання кухонної солі:

• вилуговування галіту з підземного шару, випаровування отриманого розсолу;
• видобуток у;
• випарювання або розсолу солоних озер (77% від маси сухого залишку посідає хлорид натрію);
• використання побічного продукту опріснення солоних вод.

Хімічні властивості хлориду натрію

За своїм складом NaCl - це середня сіль, утворена лугом та розчинною кислотою. Хлорид натрію - сильний електроліт. Тяжіння між іонами настільки велике, що його можуть зруйнувати тільки сильно полярні розчинники. У воді речовини розпадається, звільняються катіони та аніони (Na + , Cl -). Їхньою присутністю зумовлена ​​електропровідність, якою володіє розчин кухонної солі. Формула в цьому випадку записується так само, як для сухої речовини NaCl. Одна з якісних реакцій на катіон натрію - фарбування в жовтий колірполум'я пальника. Для отримання результату досвіду потрібно набрати на чисту дротяну петлю трохи твердої солі і внести в середню частинуполум'я. Властивості кухонної солі також пов'язані з особливістю аніону, яка полягає в якісної реакціїна хлорид-іон. При взаємодії з нітратом срібла у розчині випадає білий осад хлориду срібла (фото). Хлороводень витісняється із солі більше сильними кислотами, Чим соляна: 2NaCl + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2HCl. При звичайних умоваххлорид натрію не піддається гідролізу.

Сфери застосування кам'яної солі

Хлорид натрію знижує температуру плавлення льоду, тому взимку на дорогах та тротуарах використовується суміш солі з піском. Вона вбирає в себе велика кількістьдомішок, при таненні забруднює річки та струмки. Дорожня сіль також прискорює процес корозії автомобільних кузовів, ушкоджує дерева, які посадили поряд з дорогами. У хімічній промисловості хлорид натрію використовується як сировина для одержання великої групихімічних речовин:

• соляної кислоти;
• металевого натрію;
• газоподібного хлору;
• каустичної соди та інших сполук.

Крім того, кухонна сіль застосовується у виробництві мила, барвників. Як харчовий антисептик використовується при консервуванні, засолюванні грибів, риби та овочів. Для боротьби з порушеннями роботи щитовидної залози у населення формула повареної солі збагачується за рахунок додавання безпечних сполук йоду, наприклад, KIO 3 , KI, NaI. Такі добавки підтримують вироблення гормону щитовидної залози, запобігають захворюванню на ендемічний зоб.

Значення хлориду натрію для організму людини

Формула солі кухонної, її склад набув життєво важливе значенняздоров'я людини. Іони натрію беруть участь у передачі нервових імпульсів. Аніони хлору необхідні вироблення соляної кислоти в шлунку. Але занадто великий змісткухонної солі в їжі може призводити до високого кров'яного тиску та підвищення ризику розвитку захворювань серця та судин. У медицині при великій крововтраті пацієнтам вводять фізіологічний сольовий розчин. Для отримання в одному літрі дистильованої води розчиняють 9 г хлориду натрію. Людський організмпотребує безперервного надходження цієї речовини з їжею. Виводиться сіль через органи виділення та шкіру. Середній вміст хлориду натрію в тілі людини становить приблизно 200 г. Європейці споживають на день близько 2-6 г кухонної солі, у спекотних країнах ця цифра вища у зв'язку з вищим потовиділенням.

Тверді речовини зазвичай мають кристалічну будову. Воно характеризується правильним розташуваннямчастинок у чітко визначених точках простору. При уявному з'єднанні цих точок прямими лініями, що перетинаються, утворюється просторовий каркас, який називають кристалічною решіткою.

Точки, в яких розміщені частинки, називаються вузлами кристалічних ґрат. У вузлах уявної решітки можуть бути іони, атоми або молекули. Вони здійснюють коливальні рухи. З підвищенням температури амплітуда коливань зростає, що проявляється у тепловому розширенні тіл.

Залежно від виду частинок і характеру зв'язку між ними розрізняють чотири типи кристалічних ґрат: іонні, атомні, молекулярні та металеві.

Кристалічні грати, що складаються з іонів, називаються іонними. Їх утворюють речовини з іонним зв'язком. Прикладом може служити кристал хлориду натрію, у якому, як зазначалося, кожен іон натрію оточений шістьма хлорид-ионами, кожен хлорид-ион — шістьма іонами натрію. Такому розташуванню відповідає найбільш щільна упаковка, якщо іони подати у вигляді куль, розміщених у кристалі. Дуже часто кристалічні грати зображують, як показано на рис, де вказується тільки взаємне розташуваннячастинок, але з їх розміри.

Число найближчих сусідніх частинок, що впритул примикають до даної частки в кристалі або в окремій молекулі, називається координаційним числом.

6. Отже, в кристалі хлориду натрію не можна виділити окремі молекули солі. Їх немає. Весь кристал слід розглядати як гігантську макромолекулу, що складається з рівного числа іонів Na + і Cl - , Na n Cl n де n - велике число. Зв'язки між іонами у такому кристалі дуже міцні. Тому речовини з іонними гратами мають порівняно високу твердість. Вони тугоплавкі та малолеткі.

Плавлення іонних кристалів призводить до порушення геометрично правильної орієнтації іонів щодо один одного та зменшення міцності зв'язку між ними. Тому розплави проводять електричний струм. Іонні сполуки, як правило, легко розчиняються у рідинах, що складаються з полярних молекул, наприклад, у воді.

Кристалічні грати, у вузлах яких є окремі атоми, називаються атомними . Атоми у таких ґратах з'єднані між собою міцними ковалентними зв'язками. Прикладом може бути алмаз — одна з модифікацій вуглецю. Алмаз складається з атомів вуглецю, кожен із яких пов'язані з чотирма сусідніми атомами. Координаційне число вуглецю в алмазі 4 . У ґратах алмазу, як і у ґратах хлориду натрію, молекули відсутні. Весь кристал слід розглядати, як гігантську молекулу. Атомні кристалічні грати характерні для твердого бору, кремнію, германію і сполук деяких елементів з вуглецем і кремнієм.

Кристалічні грати, що складаються з молекул (полярних та неполярних), називаються молекулярними .

Молекули у таких ґратах з'єднані між собою порівняно слабкими міжмолекулярними силами. Тому речовини з молекулярними гратами мають малу твердість і низькі температури плавлення, нерозчинні або малорозчинні у воді, їх розчини майже не проводять електричний струм. Число не органічних речовинз молекулярними гратами невелико.

Прикладами їх є лід, твердий оксид вуглецю (IV) ("сухий лід"), тверді галогеноводороди, тверді прості речовини, утворені одно- (шляхетні гази), двох- (F 2 , Сl 2 , Br 2 , I 2 , Н 2 , Про 2 , N 2), трьох - (Про 3), чотирьох - (Р 4), восьми - (S 8) атомними молекулами. Молекулярні кристалічні грати йоду показані на рис. . Більшість кристалічних органічних сполукмають молекулярну решітку.

Для більшості речовин характерна здатність залежно від умов перебувати в одній із трьох агрегатних станів: твердий, рідкий або газоподібний.

Наприклад, вода при нормальному тиску в інтервалі температур 0-100 o C є рідиною, при температурі вище 100 о С здатна існувати тільки в газоподібному станіа при температурі менше 0 про С являє собою тверду речовину.
Речовини у твердому стані розрізняють аморфні та кристалічні.

Характерними ознаками аморфних речовин є відсутність чіткої температури плавлення: їхня плинність плавно збільшується зі зростанням температури. До аморфних речовин належать такі сполуки, як віск, парафін, більшість пластмас, скло тощо.

Проте кристалічні речовини мають конкретної температурою плавлення, тобто. речовина з кристалічною будовоюпереходить із твердого станурідке не поступово, а різко, при досягненні конкретної температури. Як приклад кристалічних речовин можна навести кухонну сіль, цукор, лід.

Різниця в фізичні властивостіаморфних та кристалічних твердих речовин обумовлена ​​насамперед особливостями будови таких речовин. У чому полягає різниця між речовиною в аморфному та кристалічному стані, найпростіше зрозуміти з наступної ілюстрації:

Як можна помітити, в аморфній речовині, На відміну від кристалічного, відсутній будь-який порядок розташування частинок. Якщо ж у кристалічній речовині подумки з'єднати прямий два близько розташовані один до одного атоми, то можна виявити, що на цій лінії на строго певних проміжках будуть лежати одні і ті ж частинки:

Таким чином, у разі кристалічних речовин можна говорити про таке поняття, як кристалічні грати.

Кристалічні грати називають просторовий каркас, що з'єднує точки простору, де знаходяться частинки, що утворюють кристал.

Точки простору, в яких знаходяться частинки, що утворюють кристал, називають вузлами кристалічних ґрат .

Залежно від того, які частинки знаходяться у вузлах кристалічних ґрат, розрізняють: молекулярну, атомну, іонну і металеві кристалічні грати .

У вузлах молекулярних кристалічних ґрат

знаходяться молекули, всередині яких атоми пов'язані міцними ковалентними зв'язками, проте самі молекули утримуються одна біля одної слабкими міжмолекулярними силами. Внаслідок таких слабких міжмолекулярних взаємодій кристали з молекулярними гратами є неміцними. Такі речовини від речовин з іншими типами будови відрізняються значно більше низькими температурамиплавлення і кипіння, не проводять електричний струм, можуть розчинятися, так і не розчинятися в різних розчинниках. Розчини таких сполук можуть проводити, так і не проводити електричний струм залежно від класу з'єднання. До сполук з молекулярними кристалічними ґратами відносяться багато простих речовин — неметали (затверджені H 2 , O 2 , Cl 2 , ромбічна сірка S 8 , білий фосфор P 4), а також багато складних речовин – водневі сполукинеметалів, кислоти, оксиди неметалів, більшість органічних речовин. Слід зазначити, що, якщо речовина знаходиться в газоподібному або рідкому стані, Говорити про молекулярні кристалічні грати недоречно: коректніше використовувати термін - молекулярний тип будови.

У вузлах атомної кристалічної решітки

є атоми. При цьому всі вузли таких кристалічних ґрат «зшиті» між собою за допомогою міцних ковалентних зв'язківу єдиний кристал. Фактично такий кристал є однією гігантською молекулою. Внаслідок особливостей будови всі речовини з атомними кристалічними ґратами є твердими, мають високими температурамиплавлення, хімічно мало активні, не розчиняються ні у воді, ні в органічних розчинниках, які розплави не проводять електричний струм. Слід запам'ятати, що до речовин з атомним типомбудівлі з простих речовинвідносяться бір B, вуглець C (алмаз і графіт), кремній Si, складних речовиндіоксид кремнію SiO 2 (кварц), карбід кремнію SiC, нітрид бору BN.

У речовин з іонними кристалічними ґратами

у вузлах ґрат знаходяться іони, пов'язані один з одним за допомогою іонних зв'язків.
Оскільки іонні зв'язкидосить міцні, речовини з іонними гратами мають порівняно високу твердість і тугоплавкість. Найчастіше вони розчиняються у воді, які розчини, як і розплави проводять електричний струм.
До речовин з іонним типомКристалічні грати відносяться солі металів і амонію (NH 4 +), основи, оксиди металів. Вірною ознакоюіонної будови речовини є наявність у його складі одночасно атомів типового металута неметала.

спостерігається в кристалах вільних металів, наприклад натрію Na, заліза Fe, магнію Mg і т.д. У разі металевої кристалічної решітки, у її вузлах знаходяться катіони та атоми металів, між якими рухаються електрони. При цьому електрони, що рухаються, періодично приєднуються до катіонів, таким чином нейтралізуючи їх заряд, а окремі нейтральні атомиметалів замість «відпускають» частину своїх електронів, перетворюючись, своєю чергою, на катіони. Фактично, «вільні» електрони належать не окремим атомам, а всьому кристалу.

Такі особливості будови призводять до того, що метали добре проводять тепло і електричний струм, часто мають високу пластичність (ковкість).
Розкид значень температур плавлення металів дуже великий. Так, наприклад, температура плавлення ртуті становить приблизно мінус 39 про (рідка у звичайних умовах), а вольфраму - 3422 °C. Слід зазначити, що у звичайних умовах усі метали, крім ртуті, є твердими речовинами.