Кристаллическая решетка алмаза атомная ионная металлическая молекулярная

Обновлено: 22.01.2025

Кристаллической решеткой алмаза ученые заинтересовались давно. Благодаря ее характеристикам, камень имеет особые свойства и ценность. Существуют аллотропные модификации, используемые в промышленности, электронике, медицине, космонавтике, авиации. В настоящее время развивается отрасль по созданию искусственных алмазов, но она требует больших затрат.

Строение кристалла и способ образования

Камень алмаз – кубическая аллотропная форма углерода, шестого элемента таблицы Менделеева. Образуется после сверхбыстрого охлаждения под действием сильного давления. Добывается в кимберлитовых трубках – вертикальных образованиях, возникших при прорыве магмы сквозь кору земли.

Под фразой «кристаллическая решетка алмаза» понимают пространственное расположение и соединения атомов углерода, обусловливающие твердость минерала.

По сути алмаз – это модификация углерода.

К какому типу относится кристаллическая решетка алмаза

Минерал имеет атомную кристаллическую решетку, т. е. в узлах расположены атомы углероды.

Особенности строения кристаллической решетки алмаза обусловливают его прочность, т. к. каждый атом находится в центре тетраэдра (треугольная или трехгранная пирамида) и связан ковалентными связями. При этом каждый атом плотно связан с четырьмя соседними атомами.

Минерал плохо или практически совсем не проводит электрический ток (диэлектрик). Это связано с тем, что между атомами одинаковое расстояние и нет свободных электронов.

Для алмаза характерна кубическая сингония, т. е. элементарная ячейка представлена в форме куба.

Строение кристаллической решетки алмаза:

по одному атому углерода – на вершинах куба;
по одному атому – в каждой грани;
четыре атома – внутри куба.

Атомы, расположенные в центре граней – общие для двух ячеек. Атомы, расположенные на вершинах – общие для восьми ячеек. Между собой они соединены наиболее прочным подвидом ковалентной связи – сигма-связью.

Всего химики выделяют 4 типа связи атомов между собой:

ионная;
металлическая;
водородная;
ковалентная.

Последний тип связи, формирующий кристаллическую решетку у алмаза, считается самым прочным.

Не все алмазы состоят исключительно из углерода. Иногда в составе встречаются посторонние примеси (кальций, алюминий, бор, магний, кремний, гранит, газы). Если примеси расположены поверхностно, то их можно удалить при огранке. Если же внутри камня, то такие алмазы не представляют ювелирной ценности и используются в промышленности.

Пример кристаллической решетки камня в видео:

Физические и химические свойства

Химическая формула минерала – C. Кристалл хорошо проводит тепло, но не проводит (или слабо проводит) электрический ток. Имеет хорошие преломляющие и отражающие свойства.

Плавится при температуре свыше 3700 градусов. Горит в сочетании с кислородом при температуре более 721 градуса. Устойчив к кислотам и щелочам.

Цвет: бесцветный, прозрачный. Возможны оттенки голубого, желтого, синего, розового, красного, бурого, черного.
Форма: кристалл с разным количеством граней.
Блеск: сильный алмазный.
Плотность: 3,5 г/см3.
Твердость: абсолютная, 10 баллов. Но при этом камень очень хрупкий.
Спайность: средняя.
Электропроводность: слабая или отсутствует.
Люминесцирует при ультрафиолете.
Под действием рентгеновского излучения снижается прочность связей.

Аллотропные модификации

Некоторые другие химические элементы имеют схожую с алмазом структуру, но несколько отличную молекулярную кристаллическую решетку. Различие – в расположении атомов.

У алмаза атомы углерода располагаются близко друг другу. А у других элементов с большей атомной массой – расстояние между атомами больше, что снижает их прочность.

Из аллотропных модификаций известны:

Лонсдейлиты – недостаточно изучены, добываются из метеоритов или создаются искусственно, имеют гексагональную кристаллическую решетку. – имеет похожее строение, но отличается пи-связями и наличием свободных электронов (гексагональная кристаллическая решетка).
Уголь – используется как сырье для получения тепла.
Карбин – мелкие черные кристаллы в форме порошка, искусственно созданные.
Фуллерены – кристаллическая решетка выглядит в виде мяча, собранного из восьмиугольников, искусственно созданные.
Углеродные нанотрубки – используются как каркас к наноизделиям.

Аллотропные модификации способны к трансформации: под действием температуры 1800 градусов они преобразуются в графит.

Дополнительно смотрите видеоматериал об аллотропных формах углерода — алмазе и графите:

Способы применения вещества

Обработанные и ограненные камни высокого качества – бриллианты с идеальной кристаллической решеткой и составом (без примесей и дефектов) – используют для производства ювелирных украшений. Это наиболее прибыльная сфера применения минерала.

Дефектные камни идут на другие нужды:

производство подшипников, сверл;
использование в электронике и телекоммуникациях;
изготовление механизмов из алмазного порошка;
обрамление шлифовочных кругов;
создание оптических линз;
использование в качестве абразивов;
создание квантовых компьютеров;
применение в ядерной энергетике;
изготовление медицинского инструментария.

Получение искусственных минералов

В настоящее время разработаны методики получения алмаза из графита.

По HPHT методу, формирование искусственного камня достигается воздействием 3000-градусной температуры при давлении более 1000 Па и добавлением металлов. Это приводит к изменению ковалентных связей в кристаллической решетке и образованию пористых мутных камней.

Получить небольшие, но геометрически идеальные и прозрачные самоцветы, можно с помощью применения ударной волны (метод взрывного синтеза).

Но считается, что лучший способ получения искусственных самоцветов – это выращивание при температуре 1500 градусов. Но это затратный метод, как и создание алмазов с помощью ультразвука. Поэтому принято получать камни из паров метана. Метод основан на пленочном осаждении графита.

Технологии неуклонно развиваются, и возможно в скором будущем, ученые научатся синтезировать искусственные алмазы при минимальных затратах.

Может быть, вам известны еще какие-то особенности строения или получения алмазов? Поделитесь своими знаниями в комментариях. Делайте репост в соцсети.

Кристаллическая решетка алмаза

Кремированное тело человека массой 80 кг превращается в 2,5 кг пепла. Некий Риналдо Уилли из Швейцарии, еще учась в университете, увлекся изучением вопроса превращения углерода в искусственный алмаз. Ему пришла необычная идея – превращать пепел умерших людей в алмазы. А как происходит образование в природе?

Способ образования

Алмаз – один из самых дорогих драгоценных камней уже много столетий. Вопросы о генезисе до недавнего времени были спорными. Ещё в 50-х годах прошлого столетия утверждалось об их растительном происхождении, причем монография Гепперта об этом была удостоена высших наград и признаний со стороны голландского ученого сообщества. Продолжалось такое положение дел совсем недолго, а именно, открытие воронок в Африке и метеоритов с алмазными вкраплениями изменило устоявшее суждения о происхождении этого камня.

Основной тип месторождений – трубки, образованные взрывом, их еще называют диатремы. Эти диатремы в основном сложены кимберлитами – брекчиевидными изверженными породами. Кимберлиты в своем составе содержат также и древние глубинные породы – ксенолиты. Существует предположение, что именно они слагают верхнюю мантию Земли.

Глубинные породы с алмазами, вынесенные взрывом на поверхность, а также минеральные включения, указывают образование последних под действием высокого давления и температуры. Эти два показателя говорят об определенной фации глубинности (110-135 км) при давлениях 4-4,3 Гпа. Если перевести в привычные «атмосферы» или «бары», то получится приблизительно 40 тыс. атмосфер. На сегодня считается, что алмаз в трубках образовался на глубине 100-200 км при температурах 1300-1700oC и более высоких давлениях.

Несмотря на условия образования, алмаз на земной поверхности – неустойчивая стабильная углеродная модификация. По нашим представлениям он должен был преобразоваться в графит, но этого не произошло.

Алмаз не является на 100% чистым углеродом, как и в других относительно чистых минералах присутствуют различные примеси. Главной примесью, оказывающей влияние на свойства камня, является азот. Кристаллы, которые непрозрачны к УФ излучению, относят к 1 типу, а все остальные – 2 тип. В 1 типе камней азотная составляющая достигает 0,25%, тогда как во втором азот не превышал 0,001%. На этом примере мы видим корреляцию различных свойств камня, что позволяет делать предварительные выводы внутреннем составе без детального изучения о принадлежности к типам.

Алмаз не вступает в реакцию с растворами кислот и щелочей и только при температуре 800 ºС довольно легко реагирует с расплавленными щелочами, солями кислородных кислот и некоторыми металлами.

Сгорает на воздухе при температуре 850-1200 ºС, выделяя углекислый газ. Окисление происходит при 600 ºС, а при нагревании до 1600 ºС в вакууме частично превращается в графит.

Алмаз – самый твердый минерал на Земле. По шкале Мооса – 10. При этом очень хрупкий. Твердость на различных гранях кристалла не одинакова, самая прочная – октаэдрическая грань. Плотность 3515 кг/м3 у прозрачных образцов, у непрозрачных немного ниже. Отталкивает воду, но прилипает к жирам. На свойствах основан метод отбора камней из руды, иногда применяемых в комплексе.

Строение кристалла

Для понимания строения сравним кристаллическую решетку алмаза с графитом, так как они имеют один и тот же химический состав, но резко отличаются по твердости. Это различие обусловлено связями атомов углерода в кристалле. В алмазе один атом углерода окружают 4 таких же атома (кубическая структура), создавая правильную 4-х угольную пирамиду. Эти связи между симметричными атомами очень прочны, что и создает такую прочность.

Графит же представлен слоистой структурой. Химические связи между атомами существуют внутри слоя и образ кристаллическая решетка алмазауют гексагональную сетку (гекса – кратно шести), связи же между слоями (межмолекулярные) слабые, слои как бы скользят относительно друг друга. На этом свойстве основаны графитовые смазки.

Тип кристаллической решетки алмаза

Вспоминая курс химии за 11 класс, мы знаем, что существуют 4 типа кристаллических решеток:

атомная;
металлическая;
ионная;
молекулярная.

Не углубляясь в определения каждого, сразу отметим, что кристаллическая решетка у алмаза атомного типа, соединенные ковалентной связью. Кстати, за рентгеноструктурное исследование отец и сын Брэгги в 1915 году были удостоены Нобелевской премии.

Химическая связь в углеродных минералах

По химическому составу алмаз – углерод в чистом виде, но из углерода состоят много других минералов, веществ на Земле, и они все совсем непохожи друг на друга. Давайте разберемся в модификациях и ответим на этот вопрос.

По мнению ученых углерод изначально содержался в газовом облаке, из которого образовывались планеты. В каждой планете присутствует этот элемент, более того, это один из 4 макроэлементов, являющийся «строительным материалом» нашего тела. Имея различные химические связи и расположения атомов относительно друг друга углерод составляет разные вещества. Это свойство называется аллотропией. Если условно назвать их модификациями углерода (аллотропными модификациями), то применительно к геологии, известны следующие:

алмаз (самая дорогая форма);
графит (получил широкое применение в промышленности);
лонсдейлит (встречается в метеоритах);
фуллерены (недавно открытые формы);
графен;
уголь;
сажа.

Все эти вещества в основе своей имеют углерод, но как мы видим они отличаются друг от друга. Такое сочетание возможно благодаря химическим связям между атомами этого элемента и их расположению.

Для тех, кто заинтересовался этой темой, может быть полезен научный фильм, который легко разыскать на просторах интернета, а называется он «Углерод и его аллотропные формы – алмаз и графит» (Киевнаучфильм, 1981 год).

Применение в промышленности

Алмаз не царапается ни одним из существующих элементов на Земле. Это замечательное свойство получило широкое распространение в области народного хозяйства. Два аллотропных состояния одного химического элемента углерода – графит и алмаз, а имеют столь разное применение. Графит наименьшей твердостью используется в качестве сухой смазки в механизмах трения, тогда как алмаз с наивысшей твердостью по шкале Мооса, применяется в качестве абразивного материала. Буровые коронки с алмазным напылением, шлифовальные круги – это малая часть орудий производства по обработке материалов.

Алмаз нашел своё применение и в изучении космоса в качестве теплоотводящего материала при экстремальных температурах.

Cтанция «Пионер», запущенная к Венере в 1978 году, была покрыта материалом из алмазной крошки.

Широкое применение технических образцов (искусственно полученных) известно в радиоэлектронике, оптических приборах, при производстве медицинских инструментов. Для нужд техники производится 500 млн карат искусственных алмазов, это 100 тонн ежегодно.

Как получить драгоценный камень из графита

Для получения синтетических аналогов необходима высокая температура и давление в специальных установках. Конечно, давление, созданное геологическими преобразованиями, не сравнимо по длительности действия. Считалось, что драгоценные камни из графита получить практически невозможно из-за технических сложностей. Первые искусственные драгоценные камни были получены весом меньше одного карата (1 карат = 0,2 г) и даже были огранены, но получение более весомых экземпляров наталкивалось на определенные трудности. Дело в том, что сложные установки не в состоянии выдержать долгое время высокую температуру и давление, а для выращивания полукаратных образцов нужно время.

С развитием технического прогресса известны две распространенные технологии получения синтетических образцов: HPHT (high pressure high temperature) и CVD (chemical vapor deposition). Первый расшифровывается – «высокое давление высокая температура», а второй метод – «химическое парофазное осаждение».

Самый крупный по технологии HPHT получен в России (32,26 карата) и был огранен. Масса бриллианта составила 10,02 карата.

Позже в Китае был создан самый крупный искусственный аналог CVD в мире массой 46,2 карата (ограненный бриллиант – 12,75 карат). Оба экземпляра подтверждены сертификатом Международного Геммологического Института (IGI) в Гонконге.

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.

Кристаллическая решетка

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.

· Обновлено 3 июня 2022

Ждём вас 8 октября в 13:00. Вместе с педагогами, психологами и другими экспертами в образовании и воспитании ответим на главные вопросы мам и пап.

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.

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

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).

Пошаговый гайд от Екатерины Мурашовой о том, как перестать делать уроки за ребёнка и выстроить здоровые отношения с учёбой.

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.

Какая кристаллическая решетка у алмаза и в чем ее уникальность

По сути алмаз – это модификация углерода.

Молекулярно-кинетическая теория

Все молекулы состоят из мельчайших частиц – атомов. Все открытые на настоящий момент атомы собраны в таблице Менделеева.

Атом – это мельчайшая, химически неделимая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Атомы соединяются между собой химическими связями. Ранее мы уже рассматривали виды химических связей и их свойства. Обязательно изучите теорию по теме: Типы химических связей, перед тем, как изучать эту статью!

Теперь рассмотрим, как могут соединяться частицы в веществе.

В зависимости от расположения частиц друг относительно друга свойства образуемых ими веществ могут очень сильно различаться. Так, если частицы расположены друг от друга далеко (расстояние между частицами намного больше размеров самих частиц), между собой практически не взаимодействуют, перемещаются в пространстве хаотично и непрерывно, то мы имеем дело с газом.

Если частицы расположены близко друг к другу, но хаотично, больше взаимодействуют между собой, совершают интенсивные колебательные движения в одном положении, но могут перескакивать в другое положение, то это модель строения жидкости.

Если же частицы расположены близко к друг другу, но более упорядоченно, и больше взаимодействуют между собой, а двигаются только в пределах одного положения равновесия, практически не перемещаясь в другие положения, то мы имеем дело с твердым веществом.

Большинство известных химических веществ и смесей могут существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Самый простой пример – это вода. При нормальных условиях она жидкая, при 0 оС она замерзает – переходит из жидкого состояния в твердое, и при 100 оС закипает – переходит в газовую фазу – водяной пар. При этом многие вещества при нормальных условиях – газы, жидкости или твердые. Например, воздух – смесь азота и кислорода – это газ при нормальных условиях. Но при высоком давлении и низкой температуре азот и кислород конденсируются и переходят в жидкую фазу. Жидкий азот активно используют в промышленности. Иногда выделяют плазму, а также жидкие кристаллы, как отдельные фазы.

Очень многие свойства индивидуальных веществ и смесей объясняются взаимным расположением частиц в пространстве друг относительно друга!

Данная статья рассматривает свойства твердых тел, в зависимости от их строения. Основные физические свойства твердых веществ: температура плавления, электропроводность, теплопроводность, механическая прочность, пластичность и др.

Температура плавления – это такая температура, при которой вещество переходит из твердой фазы в жидкую, и наоборот.

Пластичность – это способность вещества деформироваться без разрушения.

Электропроводность – это способность вещества проводить ток.

Ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Таким образом, ток могут проводить только такие вещества, в которых присутствуют подвижные заряженные частицы. По способности проводить ток вещества делят на проводники и диэлектрики. Проводники – это вещества, которые могут проводить ток (т.е. содержат подвижные заряженные частицы). Диэлектрики – это вещества, которые практически не проводят ток.

В твердом веществе частицы вещества могут располагаться хаотично, либо более упорядоченно. Если частицы твердого вещества расположены в пространстве хаотично, вещество называют аморфным. Примеры аморфных веществ – уголь, слюдяное стекло.

Если частицы твердого вещества расположены в пространстве упорядоченно, т.е. образуют повторяющиеся трехмерные геометрические структуры, такое вещество называют кристаллом, а саму структуру – кристаллической решеткой. Большинство известных нам веществ – кристаллы. Сами частицы при этом расположены в узлах кристаллической решетки.

Кристаллические вещества различают, в частности, по типу химической связи между частицами в кристалле – атомные, молекулярные, металлические, ионные; по геометрической форме простейшей ячейки кристаллической решетки – кубическая, гексагональная и др.

В зависимости от типа частиц, образующих кристаллическую решетку, различают атомную, молекулярную, ионную и металлическую кристаллическую структуру.

В случае, если в узлах кристалла находятся заряженные частицы – ионы, мы можем говорить о ионной кристаллической решетке. Как правило, с ионных кристаллах чередуются положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы), поэтому частицы в кристалле удерживаются силами электростатического притяжения. В зависимости от типа кристалла и типа ионов, образующих кристалл, такие вещества могут быть довольно прочными и тугоплавкими. В твердом состоянии подвижных заряженных частиц в ионных кристаллах, как правило, нет. Зато при растворении или расплавлении кристалла ионы высвобождаются и могут двигаться под действием внешнего электрического поля. Т.е. проводят ток только растворы или расплавы ионных кристаллов. Ионная кристаллическая решетка характерна для веществ с ионной химической связью. Примеры таких веществ – поваренная соль NaCl, карбонат кальция – CaCO3 и др. Ионную кристаллическую решетку, как правило, в твердой фазе образуют соли, основания, а также оксиды металлов и бинарные соединения металлов и неметаллов.

Связь между частицами в ионных кристаллах: ионная химическая связь.

В узлах кристалла с ионной решеткой расположены ионы.

Фазовое состояние ионных кристаллов при нормальных условиях: как правило, твердые вещества.

Химические вещества с ионной кристаллической решеткой:

Соли (органические и неорганические), в том числе соли аммония (например, хлорид аммония NH4Cl);
Основания;
Оксиды металлов;
Бинарные соединения, в составе которых есть металлы и неметаллы.

Физические свойства веществ с ионной кристаллической структурой:

— высокая температура плавления (тугоплавкость);

— растворы и расплавы ионных кристаллов – проводники тока;

— большинство соединений растворимы в полярных растворителях (вода);

— твердое фазовое состояние у большинства соединений при нормальных условиях.

У алмаза атомы углерода располагаются близко друг другу. А у других элементов с большей атомной массой – расстояние между атомами больше, что снижает их прочность.

Лонсдейлиты – недостаточно изучены, добываются из метеоритов или создаются искусственно, имеют гексагональную кристаллическую решетку.
Графит – имеет похожее строение, но отличается пи-связями и наличием свободных электронов (гексагональная кристаллическая решетка).
Уголь – используется как сырье для получения тепла.
Карбин – мелкие черные кристаллы в форме порошка, искусственно созданные.
Фуллерены – кристаллическая решетка выглядит в виде мяча, собранного из восьмиугольников, искусственно созданные.
Углеродные нанотрубки – используются как каркас к наноизделиям.

И, наконец, металлы характеризуются особым видом пространственной структуры – металлической кристаллической решеткой, которая обусловлена металлической химической связью. Атомы металлов довольно слабо удерживают валентные электроны. В кристалле, образованном металлом, происходят одновременно следующие процессы: часть атомов отдает электроны и становится положительно заряженными ионами; эти электроны хаотично перемещаются в кристалле; часть электронов притягивается к ионам. Эти процессы происходят одновременно и хаотично. Таким образом, возникают ионы, как при образовании ионной связи, и образуются общие электроны, как при образовании ковалентной связи. Свободные электроны перемещаются хаотично и непрерывно по всему объему кристалла, как газ. Поэтому иногда их называют «электронным газом». Из-за наличия большого числа подвижных заряженных частиц металлы проводят ток, тепло. Температура плавления металлов сильно варьируется. Металлы также характеризуются своеобразным металлическим блеском, ковкостью, т.е. способностью изменять форму без разрушения при сильном механическом воздействии, т.к. химические связи при этом не разрушаются.

Связь между частицами: металлическая химическая связь.

В узлах кристалла с металлической решеткой расположены ионы металлов и атомы.

Фазовое состояние металлов при обычных условиях: как правило, твердые вещества (исключение — ртуть, жидкость при обычных условиях).

Химические вещества с металлической кристаллической решеткой — простые вещества-металлы.

Физические свойства веществ с металлической кристаллической решеткой:

— высокая тепло- и электропроводность;

— ковкость и пластичность;

— металлический блеск;

— металлы, как правило, нерастворимы в растворителях;

— большинство металлов – твердые вещества при нормальных условиях.

Синтетические алмазы

Открытие аллотропных модификаций дало ученым надежду на синтетическое произведение алмазов. И у них отчасти это получилось, хотя сам процесс нельзя назвать легким. С химической точки зрения, тот же графит, например, должен получить сигма-связи. Такие условия воссоздать можно только в самых мощных лабораториях под действием больших температур и давления.

HPHT — тип алмаза получается из растворения графита и оседания его в катализаторе на затравочном минерале. После этого вещество начинает выстраивать необходимые связи.
CVD тип — основывается на пленочном осаждении графита с использованием паров метана.
Метод взрывного синтеза — наиболее естественный, с использованием углерода под высоким давлением.

Пока даже эти методы осуществляются с трудом, поэтому стоимость алмазов остается высокой. Но технологии продолжают развиваться в этом направлении.

Молекулярное строение веществ

Это вещества, состоящие из молекул. Связи между молекулами в таких веществах очень слабые, намного слабее, чем между атомами внутри молекулы, и уже при сравнительно низких температурах они разрываются — вещество превращается в жидкость и далее в газ (возгонка йода). Температуры плавления и кипения веществ, состоящих из молекул, повышаются с увеличением молекулярной массы. К молекулярным веществам относятся вещества с атомной структурой (С, Si, Li, Na, К, Си, Fe, W), среди них есть металлы и неметаллы.

Читайте также: