Пособие по химии для поступающих в высшие учебные заведения. Атомные кристаллические решетки
Ионные соединения (например, хлорид натрия NaCl) - твердые и тугоплавкие от того, что между зарядами их ионов ("+" и "-") существуют мощные силы электростатического притяжения.
Отрицательно заряженный ион хлора притягивает не только "свой" ион Na+, но и другие ионы натрия вокруг себя. Это приводит к тому, что около любого из ионов находится не один ион с противоположным знаком, а несколько (рис. 1).
Рис. 1.
ионный связь поляризация
Фактически, около каждого иона хлора располагается 6 ионов натрия, а около каждого иона натрия - 6 ионов хлора.
Такая упорядоченная упаковка ионов называется ионным кристаллом. Если в кристалле выделить отдельный атом хлора, то среди окружающих его атомов натрия уже невозможно найти тот, с которым хлор вступал в реакцию. Притянутые друг к другу электростатическими силами, ионы крайне неохотно меняют свое местоположение под влиянием внешнего усилия или повышения температуры. Но если температура очень велика (примерно 1500°C), то NaCl испаряется, образуя двухатомные молекулы. Это говорит о том, что силы ковалентного связывания никогда не выключаются полностью.
Ионные кристаллы отличаются высокими темпертурами плавления, обычно значительной шириной запрещенной зоны, обладают ионной проводимостью при высоких температурах и рядом специфических оптических свойств (например, прозрачностью в ближней области ИК спектра). Они могут быть построены как из одноатомных, так и из многоатомных ионов. Пример ионных кристаллов первого типа - кристаллы галогенидов щелочных и щелочно-земельных металлов; анионы располагаются по закону плотнейшей шаровой упаковки или плотной шаровой кладки, катионы занимают соответствующие пустоты. Наиболее характерные структуры такого типа - NaCl, CsCl, CaF2. Ионные кристаллы второго типа построены из одноатомных катионов тех же металлов и конечных или бесконечных анионных фрагментов. Конечные анионы (кислотные остатки) - NO3-, SO42-, СО32- и др. Кислотные остатки могут соединяться в бесконечные цепи, слои или образовывать трехмерный каркас, в полостях которого располагаются катионы, как, например, в кристаллических структурах силикатов. Для ионных кристаллов можно рассчитать энергию кристаллической структуры U (см. табл.), приближенно равную энтальпии сублимации; результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными. Согласно уравнению Борна-Майера, для кристалла, состоящего из формально однозарядных ионов:
U = -A/R + Ве-R/r - C/R6 - D/R8 + E0
(R - кратчайшее межионное расстояние, А - константа Маделунга, зависящая от геометрии структуры, В и r - параметры, описывающие отталкивание между частицами, C/R6 и D/R8 характеризуют соответствующие диполь-дипольное и диполь-квадрупольное взаимодействие ионов, E0 - энергия нулевых колебаний, е - заряд электрона). С укрупнением катиона возрастает вклад диполь-дипольных взаимодействий.
Твердые вещества, как правило, имеют кристаллическое строение. Оно характеризуется правильным расположением частиц в строго определенных точках пространства. При мысленном соединении этих точек пересекающимися прямыми линиями образуется пространственный каркас, который называют кристаллической решеткой .
Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки . В узлах воображаемой решетки могут находиться ионы, атомы или молекулы. Они совершают колебательные движения. С повышением температуры амплитуда колебаний возрастает, что проявляется в тепловом расширении тел.
В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные , атомные , молекулярные и металлические .
Кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются ионными . Их образуют вещества с ионной связью. Примером может служит кристалл хлорида натрия, в котором, как уже отмечалось, каждый ион натрия окружен шестью хлорид-ионами, а каждый хлорид-ион — шестью ионами натрия. Такому расположению соответствует наиболее плотная упаковка, если ионы представить в виде шаров, размещенных в кристалле. Очень часто кристаллические решетки изображают, как показано на рис , где указывается только взаимное расположение частиц, но не их размеры.
Число ближайших соседних частиц, вплотную примыкающих к данной частице в кристалле или в отдельной молекуле, называется координационным числом .
В решетке хлорида натрия координационные числа обоих ионов равны 6. Итак, в кристалле хлорида натрия нельзя выделить отдельные молекулы соли. Их нет. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую макромолекулу, состоящую из равного числа ионов Na + и Cl — , Na n Cl n , где n — большое число. Связи между ионами в таком кристалле весьма прочны. Поэтому вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью. Они тугоплавки и малолетучи.
Плавление ионных кристаллов приводит к нарушению геометрически правильной ориентации ионов относительно друг друга и уменьшению прочности связи между ними. Поэтому расплавы их проводят электрический ток. Ионные соединения, как правило, легко растворяются в жидкостях, состоящих из полярных молекул, например в воде.
Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называются атомными
. Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями. Примером может служить алмаз — одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами. Координационное число углерода в алмазе 4 
. В решетке алмаза, как и в решетке хлорида натрия, молекулы отсутствуют. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую молекулу. Атомная кристаллическая решетка характерна для твердого бора, кремния, германия и соединений некоторых элементов с углеродом и кремнием.
Кристаллические решетки, состоящие из молекул (полярных и неполярных), называются молекулярными .
Молекулы в таких решетках соединены между собой сравнительно слабыми межмолекулярными силами. Поэтому вещества с молекулярной решеткой имеют малую твердость и низкие температуры плавления, нерастворимы или малорастворимы в воде, их растворы почти не проводят электрический ток. Число неорганических веществ с молекулярной решеткой невелико.
Примерами их являются лед, твердый оксид углерода (IV) ("сухой лед"), твердые галогеноводороды, твердые простые вещества, образованные одно- (благородные газы), двух- (F 2 , Сl 2 , Br 2 , I 2 , Н 2 , О 2 , N 2), трех- (О 3), четырех- (Р 4), восьми- (S 8) атомными молекулами. Молекулярная кристаллическая решетка йода показана на рис 
. Большинство кристаллических органических соединений имеют молекулярную решетку.
Большинство твердых веществ имеют кристаллическую структуру , в которой частицы, из которых она «построена» находятся в определенном порядке, создавая тем самым кристаллическую решетку . Она строится из повторяющихся одинаковых структурных единиц - элементарных ячеек , которая связывается с соседними ячейками, образуя дополнительные узлы. В результате существует 14 различных кристаллических решеток.
Типы кристаллических решеток.
В зависимости от частиц, которые стоят в узлах решетки, различают:
- металлическую кристаллическую решетку;
- ионную кристаллическую решетку;
- молекулярную кристаллическую решетку;
- макромолекулярную (атомную) кристаллическую решетку.
Металлическая связь в кристаллических решетках.
Ионные кристаллы обладают повышенной хрупкостью, т.к. сдвиг в решетке кристалла (даже незначительный) приводит к тому, что одноименно заряженные ионы начинают отталкиваться друг от друга, и связи рвутся, образуются трещины и расколы.
Молекулярная связь кристаллических решеток.
Основная особенность межмолекулярной связи заключается в ее «слабости» (ван-дер-ваальсовые, водородные).
Это структура льда. Каждая молекула воды связана водородными связями с 4-мя окружающими ее молекулами, в результате структура имеет тетраэдрический характер.
Водородная связь объясняет высокую температуру кипения, плавления и малую плотность;
Макромолекулярная связь кристаллических решеток.
В узлах кристаллической решетки находятся атомы. Эти кристаллы разделяются на 3 вида:
- каркасные;
- цепочечные;
- слоистые структуры.
Каркасной структурой обладает алмаз - одно их самых твердых веществ в природе. Атом углерода образует 4 одинаковые ковалентные связи, что говорит о форме правильного тетраэдра (sp 3 - гибридизация). Каждый атом имеет неподеленную пару электронов, которые также могут связываться с соседними атомами. В результате чего образуется трехмерная решетка, в узлах которой только атомы углерода.
Энергии для разрушения такой структуры требуется очень много, температура плавления таких соединений высока (у алмаза она составляет 3500°С).
Слоистые структуры говорят о наличии ковалентных связях внутри каждого слоя и слабых ван-дер-ваальсовых - между слоями.
Рассмотрим пример: графит. Каждый атом углерода находится в sp 2 - гибридизации. 4-ый неспаренный электрон образует ван-дер-ваальсовую связь между слоями. Поэтому 4ый слой очень подвижен:
Связи слабые, поэтому их легко разорвать, что можно наблюдать у карандаша - «пишущее свойство» - 4ый слой остается на бумаге.
Графит - отличный проводник электрического тока (электроны способны перемещаться вдоль плоскости слоя).
Цепочечными структурами обладают оксиды (например, SO 3 ), который кристаллизуется в виде блестящих иголок, полимеры, некоторые аморфные вещества, силикаты (асбест).
Кристаллические решетки
8 КЛАСС
* По учебнику: Габриелян О.С. Химия-8. М.: Дрофа, 2003.
Цели.
Обучающие.
Дать понятие о
кристаллическом и аморфном состоянии твердых
веществ; познакомиться с типами кристаллических
решеток, их взаимосвязью с видами химической
связи и влиянием на физические свойства веществ;
дать представление о законе постоянства состава
веществ.
Развивающие
. Развивать логическое
мышление, умения наблюдать и делать выводы.
Воспитательные
. Формировать
эстетический вкус и коллективизм, расширять
кругозор.
Оборудование и реактивы.
Модели
кристаллических решеток, диафильм «Зависимость
свойств веществ от состава и строения»,
диапозитивы «Химическая связь. Строение
вещества»; пластилин, жевательная резинка, смолы,
воск, поваренная соль NaCl, графит, сахар, вода.
Форма организации работы.
Групповая.
Методы и приемы.
Самостоятельная
работа, демонстрационный опыт, лабораторная
работа.
Эпиграф.
ХОД УРОКА
УЧИТЕЛЬ.
Кристаллы встречаются нам
повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из
кристаллов, создаем приборы и изделия из
кристаллов, широко применяем кристаллы в технике
и в науке, едим кристаллы, лечимся кристаллами,
находим кристаллы в живых организмах, выходим на
просторы космических дорог с помощью приборов из
кристаллов…
Что же такое кристаллы?
Вообразите на минутку, что ваши глаза стали
видеть атомы или молекулы; рост уменьшился, и вы
смогли войти внутрь кристалла. Цель нашего урока
– понять, что такое кристаллическое и аморфное
состояние твердых веществ, познакомиться с
типами кристаллических решеток, получить
представление о законе постоянства состава
веществ.
Какие агрегатные состояния веществ известны?
Твердое, жидкое и газообразное. Они
взаимосвязаны (схема 1).
Сказка о жадном хлоре
В некотором царстве, химическом государстве,
жил-был Хлор. И хотя принадлежал он к старинному
роду Галогенов, да и наследство получил немалое
(на внешнем энергетическом уровне у него было
семь электронов), был он очень жадным и
завистливым, а от злости даже стал желто-зеленым.
Днем и ночью мучило его желание сделаться
похожим на Аргон. Думал он думал и наконец
придумал: «У Аргона на внешнем уровне восемь
электронов, а у меня только семь. Значит, мне надо
заполучить еще один электрон, тогда я тоже буду
благородным». На следующий день собрался Хлор в
дорогу за заветным электроном, но далеко идти ему
не пришлось: возле самого дома встретил он атом,
похожий на него как две капли воды.
– Слушай, брат, дай мне свой электрон, –
заговорил Хлор.
– Нет уж, лучше ты дай мне электрон, – ответил
близнец.
– Ладно, давай тогда объединим наши электроны,
чтобы никому не было обидно, – сказал жадный
Хлор, надеясь, что потом он заберет электрон себе.
Но не тут-то было: оба атома в равной степени
пользовались общими электронами, несмотря на
отчаянные усилия жадного Хлора перетянуть их на
свою сторону.
УЧИТЕЛЬ.
Посмотрите на вещества на
ваших столах и распределите их на две группы.
Пластилин, жевательная резинка, смола, воск – это
аморфные вещества. У них часто нет постоянной
температуры плавления, наблюдается текучесть,
нет упорядоченного строения (кристаллической
решетки). Напротив, соль
NaCl, графит и сахар –
кристаллические вещества. Для них характерны
четкие температуры плавления, правильные
геометрические формы, симметрия.
Применение находят и аморфные, и кристаллические
вещества. Мы познакомимся с типами
кристаллических решеток и их влиянием на
физические свойства веществ. Помогут в
повторении видов химической связи
подготовленные вами творческие задания –
сказки.
Сказка про ковалентную полярную связь
В некотором царстве, в некотором государстве с названием «Периодическая система» жил-был маленький электрончик. У него не было друзей. Но однажды к нему в село под названием «Внешний уровень» пришел другой электрончик, точь-в-точь похожий на первого. Они сразу же подружились, ходили всегда вместе и даже не заметили, как оказались спаренными. Эти электроны прозвали ковалентными.
Сказка про ионную связь
В доме периодической системы Менделеева жили
два друга – металл Na и неметалл Cl. Каждый жил в
своей квартире: Na – в квартире под № 11, а Cl – под
№ 17.
И вот решили друзья поступить в кружок, а там им
сказали: чтобы поступить в этот кружок, надо
завершить энергетический уровень. Друзья
расстроились и поплелись домой. Дома они думали,
как завершить энергетический уровень. И вдруг Сl
сказал:
– Давай, ты мне подаришь со своего третьего
уровня один электрон.
– То есть как подарю? – спросил Na.
– А так, возьмешь и подаришь. У тебя будет два
уровня и все завершенные, а у меня будет три
уровня и тоже все завершенные. Тогда нас примут в
кружок.
– Ладно, забирай, – сказал Na и отдал свой
электрон.
Когда они пришли в кружок, то директор кружка
спросил: «Как вам это удалось?» Они все ему
рассказали. Директор сказал: «Молодцы, ребята» –
и принял их в свой кружок. Натрию директор дал
карточку со знаком «+1», а хлору – со знаком «–1».
И теперь он принимает в кружок всех желающих –
металлы и неметаллы. А то, что сделали Na и Сl, он
назвал ионной связью.
УЧИТЕЛЬ.
Вы хорошо разобрались в
типах химической связи? Эти знания пригодятся
при изучении кристаллических решеток. Мир
веществ велик и разнообразен. Они обладают
самыми разными свойствами. Различают физические
и химические свойства веществ. Какие свойства мы
отнесем к физическим?
Ответы учеников:
агрегатное состояние, цвет,
плотность, температуры плавления и кипения,
растворимость в воде, электропроводность.
УЧИТЕЛЬ.
Опишите физические
свойства веществ:
O 2 , H 2 O, NaCl, графит
С.
Ученики заполняют таблицу, которая в результате
приобретает следующий вид.
Таблица
| Физические свойства |
Вещества | |||
|---|---|---|---|---|
| О 2 | Н 2 О | NaCl | C | |
| Агрегатное состояние | Газ | Жидкость | Твердое | Твердое |
| Плотность, г/см 3 | 1,429 (г/л) | 1,000 | 2,165 | 2,265 |
| Цвет | Бесцветный | Бесцветный | Белый | Черный |
| t пл, °С | –218,8 | 0,0 | +801,0 | – |
| t кип, °С | –182,97 | +100 | +1465 | +3700 |
| Растворимость в воде | Малорастворим | – | Растворим | Нерастворим |
| Электропроводность | Неэлектропроводный | Слабая | Проводник | Проводник |
УЧИТЕЛЬ. По физическим свойствам веществ можно определить их строение.
Диапозитив.
УЧИТЕЛЬ. Кристалл – твердое тело, частицы которого (атомы, молекулы, ионы) расположены в определенном, периодически повторяющемся порядке (в узлах). При мысленном соединении узлов линиями образуется пространственный каркас – кристаллическая решетка. Различают четыре типа кристаллических решеток (схема 2 , см. с. 24).
Схема 2
КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ РЕШЕТКИ
УЧИТЕЛЬ. Какие кристаллические решетки у О 2 , Н 2 О, NaCl, С?
Ответ учеников.
О 2 и Н 2 О –
молекулярные кристаллические решетки, NaCl –
ионная решетка,
С – атомная решетка.
Демонстрация моделей кристаллических
решеток:
NaCl, C (графит), Mg, CO 2 .
УЧИТЕЛЬ.
Обратите внимание на типы
кристаллических решеток простых веществ в
зависимости от их положения в периодической
системе (с. 79 учебника).
Какой тип решетки не встречается в простых
веществах?
Ответ учеников.
У простых веществ не бывает
ионных решеток.
 |
|
УЧИТЕЛЬ.
Для веществ с
молекулярной решеткой характерно явление
возгонки или сублимации.
Демонстрационный опыт.
Возгонка
бензойной кислоты или нафталина. (Возгонка – это
превращение (при нагревании) твердого вещества в
газ, минуя жидкую фазу, а затем снова
кристаллизация в виде инея.)
УЧИТЕЛЬ.
Вещества с молекулярным
строением подчиняются закону постоянства
состава вещества; вещества молекулярного
строения имеют постоянный состав независимо от
способа их получения. Закон был открыт
Ж.Л.Прустом. Он разрешил долгий спор К.Л.Бертолле
и Дж.Дальтона в пользу первого.
Например, углекислый газ или оксид углерода(IV)
CO 2
– сложное вещество молекулярного строения. Оно
состоит из двух элементов: углерода и кислорода,
причем в молекуле один атом углерода и два атома
кислорода. Относительная молекулярная масса M r (CO 2 )
= 44, молярная масса M(CO 2 ) = 44 г/моль.
Молярный объем V M (CO 2 ) = 22,4 моль (н.у.).
Число молекул в 1 моль вещества N A (CO 2 )
= 6 10 23 молекул.
Для веществ с ионным строением закон Пруста не
всегда выполняется.
Графический диктант
«Виды химических связей и типы кристаллических
решеток»
Знаками «+» и «–» отмечается, характерно ли
данное утверждение (1–20) для типа химической
связи указанного варианта.
Вариант 1.
Ионная связь.
Вариант 2.
Ковалентная неполярная
связь.
Вариант 3.
Ковалентная полярная
связь.
Утверждения.
1. Связь образуется между атомами металлов и
неметаллов.
2. Связь образуется между атомами металлов.
3. Связь образуется между атомами неметаллов.
4. В процессе взаимодействия атомов образуются
ионы.
5. Образовавшиеся молекулы поляризованы.
6. Связь устанавливается за счет спаривания
электронов без сдвига общих электронных пар.
7. Связь устанавливается путем спаривания
электронов и сдвига общей пары к одному из
атомов.
8. В процессе химической реакции происходит
полная передача валентных электронов от одного
атома реагирующих элементов к другому.
9. Степень окисления атомов в молекуле равна нулю.
10. Степени окисления атомов в молекуле равны
количеству отданных или принятых электронов.
11. Степени окисления атомов в молекуле равны
количеству смещенных общих электронных пар.
12. Соединения с данным видом связи образуют
кристаллическую решетку ионного типа.
13. Для соединений с этим видом химической связи
характерны кристаллические решетки
молекулярного типа.
14. Соединения с таким видом связи образуют
кристаллические решетки атомного типа.
15. Соединения могут быть газообразными при
обычных условиях.
16. Соединения твердые при обычных условиях.
17. Соединения с таким видом связи обычно
тугоплавкие.
18. Вещества с таким видом связи могут быть
жидкими при обычных условиях.
19. Вещества с такой химической связью имеют
запах.
20. Вещества с такой химической связью имеют
металлический блеск.
Ответы (самооценка).
Вариант 1
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| + | – | – | + | + | – | – | + | – | + |
| 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
| – | + | – | – | – | + | + | – | – | – |
Вариант 2
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| – | – | + | – | – | + | – | – | + | – |
| 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
| – | – | + | – | + | + | – | + | + | – |
Вариант 3
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| – | – | + | – | + | – | + | – | – | – |
| 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
| + | – | + | + | + | – | + | + | + | – |
Критерии оценки: 1–2 ошибки – «5», 3–4 ошибки – «4», 5–6 ошибок – «3».
Закрепление материала
Кремний имеет атомную кристаллическую
решетку. Каковы его физические свойства?
Какой тип кристаллической решетки у Na 2 SO 4 ?
Оксид СО 2 имеет низкую t
пл, а
кварц SiO 2 – очень высокую (кварц плавится
при 1725 °С). Какие кристаллические решетки они
должны иметь?
УЧИТЕЛЬ. Мы заглянули в нутро вещей, не правда ли? В заключение хочется упомянуть драгоценные камни: алмаз, сапфир, изумруд, александрит, аметист, жемчуг, опал и др. Драгоценным камням издавна приписывали целебные свойства. Считали, что кристалл аметиста предохраняет от пьянства и навевает счастливые сны. Изумруд спасает от бурь. Алмаз бережет от болезней. Топаз приносит счастье в ноябре, а гранат – в январе.
Драгоценные камни служили мерой
богатств князей и императоров. Иноземные послы,
побывавшие в XVII в. в России, писали, что ими
овладел «тихий ужас» при виде роскошных нарядов
царской семьи, сплошь унизанных драгоценными
камнями.
На голове царицы Ирины Годуновой была корона,
«как стена с зубцами», разделенная на 12 башенок,
искусно выделанных из рубинов, топазов, алмазов и
«скатных жемчугов», кругом корона была унизана
огромными аметистами и сапфирами.
 |
Известно, что шляпа князя Потемкина
Таврического так была усеяна бриллиантами и
из-за этого столь тяжела, что владелец не мог
носить ее на голове; адъютант нес шляпу в руках за
князем. На одном из платьев императрицы
Елизаветы было нашито столько драгоценных
камней, что она, не выдержав их тяжести, упала на
балу в обморок. Впрочем, еще раньше с супругой
царя Александра Михайловича случилось более
досадное происшествие: ей пришлось прервать
обряд венчания, чтобы снять с себя усыпанный
самоцветами наряд.
Самые большие в мире алмазы известны каждый под
своим названием: «Орлов», «Шах», «Конкур»,
«Регент» и др.
Кристаллы необходимы – в часах, эхолотах,
микрофонах; алмаз – «работник» (в подшипниках,
стеклорезах и др.).
«Камень сейчас в руках человека – не забава и
роскошь, а прекрасный материал, которому мы
сумели вернуть его место, материал, среди
которого прекраснее и веселее жить. Он не будет
“драгоценным камнем” – его время прошло: это
будет самоцвет, дающий красоту жизни. ...В нем
человек будет видеть воплощение непревзойденных
красок и нетленности самой природы, к которым
может прикоснуться только горящим огнем
вдохновения художник», – писал академик
А.Е.Ферсман.
Кристаллы можно вырастить даже в бытовых
условиях. Попробуйте выполнить творческое
домашнее задание по выращиванию кристаллов.
Домашнее задание
«Выращивание кристаллов»
Оборудование и реактивы. Чистые стаканы, картон, карандаш, нитки; вода, соль (NaCl, или СuSO 4 , или KNO 3 .)
Ход работы
Первый способ
.
Приготовьте
насыщенный раствор выбранной вами соли. Для
этого в горячую воду насыпьте порциями соль и
перемешивайте до растворения. Как только соль
перестанет растворяться, раствор насыщен.
Раствор профильтруйте через марлю. Этот раствор
налейте в стакан, положите карандаш с ниткой и
грузом (пуговичка, например). Через 2–3 дня груз
должен обрасти кристалликами.
Второй способ
.
Банку с насыщенным
раствором закройте картоном и подождите, пока
при медленном охлаждении на дно выпадут
кристаллы. Обсушите кристаллы на салфетке,
несколько самых привлекательных укрепите на
нитке, привяжите к карандашу и опустите в
насыщенный раствор, освобожденный от других
кристаллов. Кристаллы могут расти 2–3 недели.
Ионные соединения (например, хлорид натрия NaCl) - твердые и тугоплавкие от того, что между зарядами их ионов ("+" и "-") существуютмощные силы электростатического притяжения.
Отрицательно заряженный ион хлора притягивает не только "свой" ион Na+, но и другие ионы натрия вокруг себя. Это приводит к тому, что около любого из ионов находится не один ион с противоположным знаком, а несколько (рис. 1).
Рис. 1
Фактически, около каждого иона хлора располагается 6 ионов натрия, а около каждого иона натрия - 6 ионов хлора.
Такая упорядоченная упаковка ионов называется ионным кристаллом. Если в кристалле выделить отдельный атом хлора, то среди окружающих его атомов натрия уже невозможно найти тот, с которым хлор вступал в реакцию. Притянутые друг к другу электростатическими силами,ионы крайне неохотно меняют свое местоположение под влиянием внешнего усилия или повышения температуры. Но если температура очень велика (примерно 1500°C), то NaCl испаряется, образуя двухатомные молекулы. Это говорит о том, что силы ковалентного связывания никогда не выключаются полностью.
Ионные кристаллы отличаются высокими температурами плавления, обычно значительной шириной запрещенной зоны, обладают ионной проводимостью при высоких температурах и рядом специфических оптических свойств (например, прозрачностью в ближней области ИК спектра). Они могут быть построены как из одноатомных, так и из многоатомных ионов. Пример ионных кристаллов первого типа -кристаллы галогенидов щелочных и щелочно-земельных металлов; анионы располагаются по закону плотнейшей шаровой упаковки илиплотной шаровой кладки, катионы занимают соответствующие пустоты. Наиболее характерные структуры такого типа - NaCl, CsCl, CaF2.Ионные кристаллы второго типа построены из одноатомных катионов тех же металлов и конечных или бесконечных анионных фрагментов. Конечные анионы (кислотные остатки) - NO3-, SO42-, СО32- и др. Кислотные остатки могут соединяться в бесконечные цепи, слои или образовывать трехмерный каркас, в полостях которого располагаются катионы, как, например, в кристаллических структурах силикатов. Для ионных кристаллов можно рассчитать энергию кристаллической структуры U (см. табл.), приближенно равнуюэнтальпии сублимации; результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными. Согласно уравнению Борна-Майера, длякристалла, состоящего из формально однозарядных ионов:
U = -A/R + Ве-R/r - C/R6 - D/R8 + E0
- (R - кратчайшее межионное расстояние, А - константа Маделунга, зависящая от геометрии структуры, В и r - параметры, описывающие отталкивание между частицами, C/R6 и D/R8 характеризуют соответствующие диполь-дипольное и диполь-квадрупольное взаимодействие ионов, E
- 0 - энергия нулевых колебаний, е
- - заряд электрона). С укрупнением катиона возрастает вклад дипольных взаимодействий.