Что представляет собой металлическая кристаллическая решетка

Обновлено: 07.01.2025

У каждого вещества есть набор физических свойств. Например, соли легко растворяются в воде и проводят электрический ток, а металлы имеют характерный блеск и ковкость. Такие характеристики зависят от строения вещества — от его кристаллической решетки. В этом материале мы расскажем о видах кристаллических решеток и о том, какие свойства придает веществу каждая из них.

О чем эта статья:

11 класс, ЕГЭ/ОГЭ

Что такое кристаллическая решетка

Как известно, все вещества состоят из частиц — атомов, которые могут располагаться хаотично или в определенном порядке. У аморфных веществ частицы расположены беспорядочно, а у кристаллических они образуют определенную структуру. Эта структура называется кристаллической решеткой. Она определяет такие характеристики вещества, как твердость, хрупкость, температура кипения и/или плавления, пластичность, растворимость, электропроводность и т. д.

Кристаллическая решетка — это внутренняя структура кристалла, порядок взаимного расположения атомов, ионов или молекул. Точки, в которых находятся эти частицы, называются узлами решетки.

Частицы удерживаются на своих местах благодаря химическим связям между ними. В зависимости от того, какой вид связи удерживает атомы или ионы данного вещества, в химии выделяют основные типы кристаллических решеток:

атомная (ковалентные связи),

молекулярная (ковалентные связи и притяжение между молекулами),

металлическая (металлические связи),

ионная (ионные связи).

Не путайте эти два понятия — кристаллическая решетка и химическая связь. Тип решетки говорит о том, как расположены атомы/ионы в молекуле вещества, а тип связи — по какому принципу они между собой взаимодействуют.

Атомная кристаллическая решетка

Согласно своему названию, атомная кристаллическая решетка — это структура, в узлах которой расположены атомы. Они взаимодействуют с помощью ковалентных связей, то есть один атом отдает другому свободный электрон или же электроны из разных атомов образуют общую пару. В кристаллах с атомной решеткой частицы прочно связаны, что обуславливает ряд физических характеристик.

Свойства веществ с атомной решеткой:

неспособность к растворению в воде,

высокая температура кипения и плавления.

К примеру, атомную кристаллическую решетку имеет алмаз — самый твердый минерал в мире.

Другие примеры: германий Ge, кремний Si, нитрид бора BN, карборунд SiC.

Если нужно рассказать о свойствах веществ с атомной кристаллической решеткой, достаточно вспомнить песок и перечислить его характеристики.

Молекулярная кристаллическая решетка

Как и в предыдущей группе, в этой находятся вещества с ковалентными связями между атомами. Но физические характеристики этих веществ совершенно иные — они легко плавятся, превращаются в жидкость, растворяются в воде. Почему так происходит? Все дело в том, что здесь кристаллы строятся не из атомов, а из молекул.

Молекулярная кристаллическая решетка — это структура, в узлах которой находятся не атомы, а молекулы.

Внутри молекул атомы имеют прочные ковалентные связи, но сами молекулы связаны между собой слабо. Поэтому кристаллы таких веществ непрочные и легко распадаются.

Молекулярная кристаллическая решетка характерна для воды. При комнатной температуре это жидкость, но стоит нагреть ее до температуры кипения (которая сравнительно низка), как она тут же начинает превращаться в пар, т. е. переходит в газообразное состояние.

Некоторые молекулярные вещества — например, сухой лед CO₂, способны преобразоваться в газ сразу из твердого состояния, минуя жидкое (данный процесс называется возгонкой).

Свойства молекулярных веществ:

у некоторых — наличие запаха.

Помимо воды к веществам с молекулярной кристаллической решеткой относятся аммиак NH₃, гелий He, радон Rn, йод I, азот N₂ и другие. Все благородные газы — молекулярные вещества. Также к этой группе принадлежит и большинство органических соединений (например, сахар).

Ионная кристаллическая решетка

Как известно, при ионной химической связи один атом отдает другому ионы и приобретает положительный заряд, в то время как принимающий атом заряжается отрицательно. В итоге появляются разноименно заряженные ионы, из которых и состоит структура кристалла.

Ионная решетка — это кристаллическая структура, в узловых точках которой находятся ионы, связанные взаимным притяжением.

Ионную кристаллическую решетку имеют практически все соли, типичным представителем можно считать поваренную соль NaCl. О ней стоит вспомнить, если нужно перечислить физические характеристики этой группы. Также ионную решетку имеют щелочи и оксиды активных металлов.

Свойства веществ с ионной структурой:

способность растворяться в воде.

Примеры веществ с ионной кристаллической решеткой: оксид кальция CaO, оксид магния MgO, хлорид аммония NH₄Cl, хлорид магния MgCl₂, оксид лития Li₂O и другие.

Металлическая кристаллическая решетка

Для начала вспомним, как проходит металлическая химическая связь. В молекуле металла свободные отрицательно заряженные электроны перемещаются от одного иона к другому и соединяются с некоторыми из них, а после отрываются и мигрируют дальше. В результате получается кристалл, в котором ионы превращаются в атомы и наоборот.

Металлическая кристаллическая решетка — это структура, которая состоит из ионов и атомов металла, а между ними свободно передвигаются электроны. Как несложно догадаться, она характерна лишь для металлов и сплавов.

Свободные электроны, мигрирующие между узлами решетки, образуют электронное облако, которое под воздействием электротока приходит в направленное движение. Это объясняет такое свойство металлов, как электрическая проводимость.

В химии типичным примером вещества, которое имеет металлическую кристаллическую решетку, считается медь. Она очень ковкая, пластичная, имеет высокую тепло- и электропроводность. Впрочем, все металлы ярко демонстрируют эти характеристики, поэтому назвать физические свойства данной группы несложно.

Свойства веществ с металлической кристаллической решеткой:

При этом температура плавления веществ может существенно различаться. Например, у ртути это −38,9°С, а у бериллия целых +1287°С.

Подведем итог: о характеристиках разных типов кристаллических решеток расскажет таблица.

15 главных свойств металлической кристаллической решетки

Что представляет собой металлическая кристаллическая решетка: промышленное подразделение металлов + их атомно-кристаллическое строение + понятие, классификация и свойства металлической кристаллической решетки + особенности решетки у сплавов + разбор термина в контексте сварочного процесса

Взглянув вокруг себя, вы наверняка заметите парочку вещиц с содержанием металлов. Из-за повсеместного использования данных элементов, знать базовую информацию по ним обязан каждый.

В сегодняшней статье я расскажу, что такое металлическая кристаллическая решетка + предоставлю исчерпывающую информацию в отношении кристаллической классификации металлических веществ вообще.

Понятие кристаллической решетки + классификация

Перед углублением в сложные темы по химии и физике школьной программы, я хотел бы выдать вам исчерпывающую информацию в отношении терминологии и классификации металлических элементов сквозь призму промышленности.

1) Промышленное подразделение металлов + их атомно-кристаллическое строение

Начало эры металлов началось в 20 веке. Медь, железо, серебро и прочие элементы стали неотъемлемой частью быта и промышленности населения большинства развитых стран. Базовые характеристики металлов, такие как упругость, пластичность и прочность, определяются их атомным + кристаллическим строением.

Знание этих свойств позволит умело оперировать свойствами и применять их для получения эталонных комбинаций элементов. В индустриальном плане металлы подразделяют на 5 больших коопераций . Детальнее по каждой из них я расскажу в отдельной таблице.

Группа	Описание	Распространение (из 5 ★)
Черные	В категории расположилось большинство распространенных металлов планеты, такие как хром и железо. Сюда же включены и сплавы из комбинаций черных металлов по типу ферросплавов. Мировое использование черных металлов составляет 88% всей мировой потребности.	★★★★★
Цветные (легкие)	Магний, титан и прочие элементы с низким показателем плотности. По добыче дороже черных + встречаются в природе по залежам реже. Применяются в точном строительстве, и для деталей, где их применение финансово обосновано.	★★★★
Цветные (тяжелые)	Отличительная черта – повышенный удельный вес + превосходная проводимость электрического тока. Применяются в качестве реакционных катализаторов при производстве плат и прочей электронике.	★★★
Благородные	Защита от коррозии и малый удельный вес. В современном обществе, приоритетно, используются как инструмент для накопления финансов странами и украшения. Яркие представители –платина и золото.	★★
Редкоземельные	Итрий, лантан и прочие химические элементы редкоземельного типа из группы металла. Имеют весомый удельный вес и очень активны химически, что обуславливает их использование в приборостроении и смежных направлениях.	★★★

Выделяют еще и щелочные металлы, но обычно их предпочитают относить в одну группу с редкоземельными, ибо по базовым характеристикам они весьма похожи между собой. Натрий, литий и прочие элементы группы при химических реакциях с водой образуют щелочи – отсюда и название группы. Используются при производстве всяческих моющих.

Обратите внимание: атомно-кристаллическое строение металлов напрямую влияет на их физические и химические свойства. Особенно важную роль в промышленности отыгрывает параметр электропроводимости.

Кристаллическое строение характерно металлическим элементам, которые пребывают в твердой фазе состояния. Атомы самостоятельно располагаются в четкой (иногда расплывчатой) геометрической фигуре объемного типа. Получаемые соединения и местоположения атомов принято называть кристаллической решеткой. С научной точки зрения термин подается практически также.

Кристаллическая решетка (КР) – сетчатый геометрический образ для исследований структуры кристаллов. Состоит из узлов, в которых могут располагаться молекулы/ионы/атомы, и соединений этих элементов.

Какие параметры используют при исследовании:

ЕКР;
константа КР;
плотность упаковки;
значение координации.

Металлическая кристаллическая решетка – это совокупность из элементарных ячеек, определяющая симметричные свойства всей структуры в целом. Признаки по структурным частям кристаллической решетки описываются за счет 3 правил Бреве.

2) Классификация кристаллических решеток

Распределение по типам кристаллических решеток производится на основании природного происхождения частиц + типам химических связей между базовыми элементами структуры. Беря в учет оговоренное, можно выделить 4 типа КР. Детальнее по 3-м из них предоставлю информацию в отдельной таблице, а что собой представляет металлическая кристаллическая решетка разберем отдельным пунктом статьи чуть ниже.

Тип КР	Особенности
Ионная	По названию понятно, что узловыми элементами структуры являются ионы. Связываются между собой ячейки за счет электростатики, что придает ИКР электронейтральность. Отсутствие насыщенности с направленностью характеризует решетку крупными числами координации. По физике - - большая твердость, тугоплавкость и нелетучесть. Также ионные соединения характеризуются повышенной ломкостью. Даже мелкие сдвиги приводят к разрушению огромной площади КР.
Атомная	Ячейки КР соединяются между собой за счет связи ковалентного типа. Здесь идет подразделение на 3 категории в зависимости от структуры – каркас (алмаз), слоистость (графит) и цепочка (асбест). К базовым физическим свойствам атомных кристаллических решеток отнесу высокий запас твердости, тугоплавкость, нерастворимость в воде и отсутствие летучести. В своем большинстве, АКР характерная для сложных веществ по типу оксида алюминия или оксида кремния.
Молекулярная	По узлам структуры располагаются молекулы, а их соединение образуется за счет все тех же сил молекулярного типа. Их часто называют водородными или вандерваальсовскими связями. Простейшими примером веществ с молекулярной кристаллической решёткой является лед и йод.

Кристаллическая структура характерна не только для чистых веществ, но и разнообразных соединений неорганики. Особенно это актуально для металлических соединений по типу сплавов. Учитывая распространение металлов в промышленности и бытовой сфере, разбору понятия металлической кристаллической решетки нужны уделить особое внимание. Чем я дальше и займусь.

Что такое металлическая кристаллическая решетка: обобщенная терминология и свойства

Если ранее описанные КР имели по узлам только один компонент, то металлическая кристаллическая решетка состоит из структур множественного повторения, в точках соединения которых имеется 2 типа ячеек.

Первые – ионы с положительным зарядом, а вторые – нейтральные атомы. Между узлами КР свободно передвигаются относительно свободные электроны. Со схемой металлической решетки можете ознакомиться на рисунке выше.

1) Особенности строения и классификация металлической кристаллической решетки

В зависимости от межатомного расстояния, кристаллические соединения в сплавах и чистых структурах металлов могут разбиваться на 2 подвида – изотропные и анизотропные. В первом случае расстояние между ионами и атомами в узлах структуры равно. Колебания могут составлять от 0.1% до 3%, не более. Если расстояние между узлами кристаллической решетки вдоль и вверх различается, получаемый кристалл относят к анизотропному. Четкое представление об параметрах таких КР можно получить только после изучения направления.

Важно: на практике практически нереально встретить металлы либо их сплавы, которые будут располагать четкой однородной структурой. В 95%+ случаев, металлический элемент из множества кристаллов имеет разнобойной кристаллической решетке. По данной причине была создана еще одна категория в кристаллическом строении, именуемая квазиизотропная.

Второй параметр в металлических кристаллических решетках, который дал толчок к вводу еще одной классификации, – это межатомное расстояние близлежащих элементов. Здесь используется обособленная единица измерения — ангстрем. Среднее значение для различных металлов в чистом виде составляет порядка 3-7 ангстрем.

Классификация КР по типу:

Куб. Решетка имеет правильную форму с объемным центрированием. Число содержащихся узлов соединения – 9. Пример металла с кубической кристаллической решеткой является железо.
Куб с центрированными гранями. Здесь уже число узлов соединения увеличено до четырнадцати. Гранецентрированная КР имеется у золота, свинца и прочих цветных + драгоценных металлах.
Гексагональ. Кристаллическая решетка содержит уже целых 17 узлов с крайне плотным размещением друг к другу. Актуальна такая геометрия цинку, магнию и так далее.

Особенно поражает железо, ведь при нагревании выше температуры в 920 градусов по Цельсию, его кристаллическая решетка преобразуется из обычной кубической в кубическую с центрированными гранями.

2) Свойства металлической кристаллической решетки

Свойства металлов напрямую зависят от кристаллической структуры, а это значит, что большинство характеристик элементов равны параметрам КР. Как и в других направлениях, свойства металлической кристаллической решетки квалифицируются на 2 категории – физические и химические.

К общим физическим свойствам металлов я отнесу:

ковкость;
пластичность;
тягучесть;
характерный металлический отблеск;
теплопроводимость;
электропроводимость.

Отмечу, что физические свойства для различных чистых элементов в металлах могут иметь большую разницу. К примеру, ряд «Ag Cu Au Al Mg Zn Fe РЬ Hg» имеет меньшее значение проводимости тепла и тока. Сюда же отнесу разделение на цветные и черные металлы, а также классификацию в зависимости от плотности (легкие и тяжелые), твердости (мягкие и твердые) и температуры плавления (легкоплавкие и тугоплавкие).

К общим химических свойствам металлов отнесу:

являются восстановителями;
взаимодействие с кислородом и образование в результате оксидов;
взаимодействие с галогенами;
активные металлы могут вступать в реакцию с водородом;
получение сульфидов при химических реакциях с серой;
часть элементов среди металлов могут сотрудничать с азотом, выделяя нитриды;
получение карбидов при контакте с углеродом;
фосфиды – результат связей с фосфором;
получение интерметаллических соединений за счет взаимодействия между металлическими компонентами.

Особенно интересным химическим взаимодействием я считаю соитие металлов при воздействии температур. В процессе нагрева элементы растворяются друг в друге, и, как результат, мы получаем металлический сплав. О них я далее также скажу пару слов.

3) Металлическая кристаллическая решетка в сплавах

Сплавом считается соединение сразу нескольких химических элементов. В большинстве случаев – это металлы, но нельзя сбрасывать со счетов и соединения, в которых имеются вкрапления неметаллов. Простейший пример сплава металла и неметалла, — это углерод.

Обратите внимание: если вкрапливаемый элемент в сплав приносит ему практическую пользу (например, улучшает коррозийную стойкость), такую присадку называют легирующей, в обратном случае получаем вредную примесь.

В металлургии имеется такое понятие как механическая смесь – это разновидность сплава, у которого кристаллические решетки компонентов не способны взаимно раствориться. Получаемое соединение мало используется в металлургии, но как явление все же существует.

Качественная взаимосвязь компонентов характерна для:

твердых растворов. Когда атомы элемента-помощника внедряются внутрь кристаллической решетки базового компонента соединения;
химические сплавы. Наиболее качественные метод соединения металлов. Результатом становится новая кристаллическая решетка, образованная из молекул обоих компонентов в более-менее равной мере.

В зависимости от долевого вкрапления легирующих добавок, физика и химия поведения сплавов может значительно отличаться друг от друга. Особенно чувствительны в этом плане компоновки из металлов и неметаллов.

Конечный этап процесса химического соединения металлических элементов называют первичной кристаллизацией. После нагрева элемента до нужной температуры (температура плавления), наступает этап смешивания и последующее остывание. На последней стадии происходит образование центральных элементов кристаллизации, вокруг которых и собирается полноценная кристаллическая решетка сплава из повторяющихся ячеек центра.

Центральными элементами могут быть:

ячейки вдоль каемки литейного оборудования, где остывание происходит быстрее всего;
неметаллические элементы, попавшие в сплав;
легирующие элементы с высоким запасом тугоплавкости.

Рост кристаллов в 90% случаев протекает вдоль температурного градиента. Наткнувшись на препятствие, структура приобретает древовидный вид. При стыке двух таких элементов, происходит образование зерен, из которых и образуется тело поликристаллического типа. Отдельные кристаллы, которые встретили препятствие на поздних стадиях своего роста, могут вырастать до 8 000 – 11 000 микрон. Их пространственное положение не имеет четкого направления, а подается вразброс. Вся совокупность мелких + крупных зерен и составляет новое образование, именуемое сплавом.

Разбор терминологии и свойств по металлической кристаллической решетке:

Металлическая кристаллическая решетка в контексте сварки

Фактически, сварочный процесс — это ручное производство сплава, цель которого соединить независимое элементы в единое целое. Задача не из простых, особенно если приходится работать с разными типами металлов, у которых слишком большой разрыв по температуре плавления.

Проблемы возникают на этапе остывания сварочного шва. Думаю, с явлением возникновение трещин знаком каждый сварщик. Основа данного явления кроется как раз в свойствах металлической решетки металла. О классификации дефектов детальнее в таблице ниже.

Дефект	Описание
Точечный	Изменения в структуре кристаллической решетки, которые по размерам соизмеримы с атомом. Типичными точечными дефектами является безатомные узлы, элементы вне узлов КР и замещаемые элементы неметаллов, которые становятся на место основного атома.
Линейный	Основная проблематика заключается в одном измерении, когда как остальные два остаются практически неизменными. Подобные дефекты принято назвать дислокационными.
Поверхностные	Здесь проблема уже состоит на 90% в двух измерениях. Третье измерение не затрагивается вовсе, либо проблематика является незначительной (менее 5 размеров атомов).
Объемные	Очевидные для сварщика проблемы – поры, трещины и прочие повреждения поверхности свариваемой области.

Полностью избавиться от дефектов нереально физически даже самому опытному мастеру. Единственное, что может сделать сварщик – это придерживаться технологии + обращать внимание на свойства свариваемых металлов.

На этом сегодня все. Надеюсь, инфа по металлической кристаллической решетке вам пригодилась. Удачи и крепкого здоровья!

Кристаллические решетки

Кристаллической решеткой называют пространственное расположение атомов или ионов в кристалле. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки подразделяют на молекулярные, атомные, ионные и металлические.

Очень важно не перепутать вид химической связи и кристаллической решетки. Помните, что кристаллические решетки отражают пространственное расположение атомов.

Молекулярная кристаллическая решетка

В узлах молекулярной решетки расположены молекулы. При обычных условиях молекулярную решетку имеют большинство газов и жидкостей. Связи чаще всего ковалентные полярные или неполярные.

Классическим примером вещества с молекулярной решеткой является вода, так что ассоциируйте свойства этих веществ с водой. Вещества с молекулярной решеткой непрочные, имеют небольшую твердость, летучие, легкоплавкие, способны к возгонке, для них характерны небольшие температуры кипения.

Примеры: NH₃, H₂O, Cl₂, CO₂, N₂, Br₂, H₂, I₂. Особо хочется отметить белый фосфор, ромбическую, пластическую и моноклинную серу, фуллерен. Эти аллотропные модификации мы подробно изучили в статье, посвященной классификации веществ.

Ионная кристаллическая решетка

В узлах ионной решетки находятся атомы, связанные ионной связью. Этот тип решетки характерен для веществ, обладающих ионной связь: соли, оксиды и гидроксиды металлов.

Ассоциируйте этот ряд веществ с поваренной солью - NaCl. Веществе с ионной решеткой имеют высокие температуры плавления и кипения, легко растворимы в воде, хрупкие, твердые, их растворы и расплавы проводят электрический ток.

Металлическая кристаллическая решетка

В узлах металлической решетки находятся атомы металла. Этот тип решетки характерен для веществ, образованных металлической связью.

Ассоциируйте свойства этих веществ с медью. Они обладают характерным металлическим блеском, ковкие и пластичные, хорошо проводят электрический ток и тепло, имеют высокие температуры плавления и кипения.

Примеры: Cu, Fe, Zn, Al, Cr, Mn.

Атомная кристаллическая решетка

В узлах атомной решетки находятся атомы, связанные ковалентной полярной или неполярной связью.

Ассоциируйте эти вещества с песком. Они очень твердые, очень тугоплавкие (высокая температура плавления), нелетучие, прочные, нерастворимы в воде.

Примеры: SiO₂, B, Ge, SiC, Al₂O₃. Особенно хочется выделить: алмаз и графит (C), красный и черный фосфор (P).

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Читайте также: