Кристаллические решётки: ионная, атомная, молекулярная, металлическая
Алмаз, поваренная соль, лёд и медная проволока внешне совсем не похожи, однако все они могут иметь кристаллическое строение. Разница в том, какие частицы располагаются в узлах кристалла и какие силы удерживают их рядом. По этому признаку выделяют четыре основных типа решёток: ионную, атомную, молекулярную и металлическую.
Тип решётки помогает объяснить свойства вещества без заучивания длинного списка исключений. Почему соль растворяется в воде и проводит ток только в растворе? Почему кварц трудно расплавить, а нафталин легко возгоняется? Почему алюминий можно прокатать в фольгу? Ответ даёт строение твёрдого вещества.
Кристаллическая решётка представляет собой упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. Частицы, которые повторяются в определённых точках пространства, называют узлами решётки.
Что находится в узлах решётки
В узлах могут находиться ионы, отдельные атомы или молекулы. Это важно: вид химической связи внутри молекулы и тип кристаллической решётки не всегда совпадают. Например, в твёрдом йоде I2 внутри каждой молекулы связь ковалентная, но между молекулами действуют слабые силы притяжения. Поэтому йод образует молекулярную, а не атомную решётку.
Чем сильнее взаимодействие между частицами, тем больше обычно требуется энергии, чтобы разрушить кристалл. Отсюда следуют высокая или низкая температура плавления, твёрдость, летучесть, растворимость и электропроводность. Слово «обычно» здесь существенно: реальные свойства зависят также от состава и особенностей строения.
Ионная решётка
Ионная кристаллическая решётка состоит из положительных и отрицательных ионов. Они чередуются так, чтобы притяжение разноимённых зарядов было максимальным, а отталкивание одинаковых зарядов уменьшалось. Классический пример: хлорид натрия NaCl. В его кристалле нельзя выделить отдельную молекулу соли, поэтому формула показывает простейшее соотношение ионов Na+ и Cl-.
Ионы соединены сильным электростатическим притяжением. По этой причине вещества с ионной решёткой чаще всего твёрдые, тугоплавкие и нелетучие. При ударе слои ионов могут сдвинуться. Тогда рядом оказываются частицы одинакового заряда, они отталкиваются, и кристалл раскалывается. Так объясняется хрупкость многих солей.
В твёрдом NaCl ионы закреплены на своих местах и не переносят электрический заряд по веществу. В расплаве или водном растворе они становятся подвижными, поэтому расплавленная соль и солёная вода проводят ток. К ионным веществам относят также MgO, CaF2, KBr и многие другие соли. О том, как возникает притяжение таких частиц, можно прочитать в статье про ионную, ковалентную и металлическую связь.
Атомная решётка
В атомной решётке в узлах находятся атомы, связанные прочными ковалентными связями в единую пространственную сеть. Это не набор отдельных молекул, а большой каркас, который продолжается во всех направлениях кристалла. Для его разрушения нужно разорвать множество ковалентных связей.
Алмаз построен именно так: каждый атом углерода связан с четырьмя соседними атомами. Отсюда исключительная твёрдость и очень высокая температура плавления. К атомной решётке относятся также кремний, кварц SiO2, карборунд SiC и красный фосфор. В школьных заданиях алмаз и кварц часто служат главными примерами этого типа.
Большинство веществ с атомной решёткой не проводят электрический ток, поскольку их электроны участвуют в ковалентных связях и не могут свободно перемещаться. Но есть важное исключение: графит. В его слоях каждый атом углерода связан только с тремя соседями, а часть электронов остаётся подвижной. Поэтому графит проводит ток и оставляет след на бумаге, хотя тоже состоит только из углерода.
Алмаз и графит имеют одинаковый состав, C, но разное строение. Такие вещества называют аллотропными модификациями. Их свойства могут сильно различаться именно из-за расположения атомов.
Молекулярная решётка
Молекулярная решётка образована отдельными молекулами. Между ними действуют сравнительно слабые силы: ван-дер-ваальсовы взаимодействия, а у некоторых веществ ещё и водородные связи. Внутри самих молекул связь может быть прочной ковалентной, однако при нагревании сначала разрушается притяжение между молекулами, а не связи внутри них.
Поэтому такие вещества обычно имеют невысокие температуры плавления и кипения, а многие из них летучи. При комнатной температуре среди них встречаются газы, жидкости и мягкие твёрдые тела. Примеры: твёрдый йод I2, сера S8, лёд H2O, сухой лёд CO2, нафталин. Лёд плавится при 0 °C, потому что разрушается сеть водородных связей между молекулами воды.
Молекулярные кристаллы плохо проводят электрический ток. В них нет свободных электронов и подвижных ионов. Однако раствор вещества с молекулярной решёткой иногда проводит ток, если в воде появляются ионы. Например, молекулы соляной кислоты HCl в воде ионизируются. Это свойство раствора, а не признак металлической или ионной решётки самого вещества.
Металлическая решётка
В металлической решётке в узлах расположены положительные ионы или атомы металла, а валентные электроны не принадлежат строго одному атому. Они движутся по всему кристаллу и образуют общее электронное облако. Притяжение положительных частиц к этим электронам удерживает металл как единое целое.
Свободное перемещение электронов обеспечивает высокую электрическую и тепловую проводимость металлов. Они же отражают свет, поэтому поверхность меди, алюминия или серебра имеет характерный блеск. При механическом воздействии слои частиц сдвигаются, но связь не исчезает, ведь электронное облако сохраняется. Благодаря этому металлы пластичны: из них делают проволоку, листы и фольгу.
Свойства разных металлов неодинаковы. Ртуть при комнатной температуре жидкая, натрий легко режется ножом, а вольфрам плавится при очень высокой температуре. Но общие признаки металлической решётки сохраняются: это проводимость в твёрдом состоянии, ковкость и металлический блеск. Сплавы, например латунь или бронза, также имеют металлический тип связи.
Как различать решётки в заданиях
Сначала определите, какие частицы образуют вещество. Соли и оксиды металлов с неметаллами часто имеют ионную решётку. Простые вещества-металлы и сплавы образуют металлическую. Если формула соответствует отдельным небольшим молекулам, например CO2, H2O или I2, вероятна молекулярная решётка. Сетчатые вещества SiO2, SiC и алмаз относят к атомным.
- Высокая твёрдость и тугоплавкость, отсутствие проводимости: чаще атомная решётка.
- Хрупкость, высокая температура плавления и проводимость расплава: ионная.
- Низкая температура плавления, летучесть и непроводимость: молекулярная.
- Проводимость в твёрдом состоянии, ковкость и блеск: металлическая.
Полезно проверять вывод несколькими признаками. Один признак может оказаться недостаточным: например, твёрдыми бывают и соли, и алмаз, и металлы. Когда известны состав, строение и свойства вещества, тип кристаллической решётки определяется уверенно.