Кристаллическая решётка: типы и их свойства

Кристаллическая решётка — это трёхмерная сетка, в узлах которой находятся частицы вещества: атомы, ионы или молекулы. Эти частицы расположены регулярно, повторяясь во всех направлениях. Она определяет физические свойства вещества, такие, как твердость, хрупкость, температура кипения/плавления, электропроводность, пластичность и другие.

Любую кристаллическую решётку можно описать, рассматривая её крошечную часть — элементарную ячейку. Это минимальный повторяющийся фрагмент, из которого складывается вся структура. В кристалле из миллиарда одинаковых элементарных ячеек строится целая решётка.

Выделяют четыре основных типа кристаллических решёток: ионную, атомную, молекулярную и металлическую.

Ионная решётка

В ионных кристаллах частицы — это положительно и отрицательно заряженные ионы, которые прочно держатся друг за друга силами электростатического притяжения. То есть один атом передаёт другому электрон, в результате чего первый становится положительно заряженным ионом, а второй — отрицательно заряженным.

Типичный пример — поваренная соль (NaCl). Каждый ион натрия окружён ионами хлора, и наоборот. Такая структура напоминает шахматную доску, где чёрные и белые клетки чередуются. Ионной решеткой обладают также щелочи и оксиды активных металлов.

Свойства ионной решётки:

• твёрдость

• хрупкость

• высокая температура плавления

• растворимость в воде 

• проводимость электрического тока, но только в расплавленном или растворённом виде

Атомная решётка

Вещества с атомной кристаллической решёткой состоят из атомов в узлах, соединённых прочными ковалентными связями. То есть либо атомы образуют общую электронную пару или один атом отдает другому свободный электрон. Здесь каждый атом связан с несколькими соседями, образуя прочную пространственную сеть.

Самый известный пример атомной решётки — алмаз. В нём каждый атом углерода связан с четырьмя другими, образуя тетраэдр. В результате получается очень прочная структура — алмаз является самым твёрдым веществом на Земле.

А вот в графите, который тоже состоит только из углерода, атомы соединены в плоские шестиугольные слои. Между слоями связи слабее, поэтому графит мягкий и оставляет след на бумаге — именно из него делают грифели карандашей. Атомную кристаллическую решетку имеют также кремний, бор, кварц (SiO2) и карбид кремния (SiC).

Свойства атомной решётки:

• твёрдость

• прочность

• высокая температура плавления и кипения

• нерастворимость в воде

• плохая проводимость электрического тока

Молекулярная решётка

В узлах молекулярной решётки находятся не отдельные атомы, а молекулы, связанные между собой слабыми межмолекулярными силами. А внутри молекул атомы соединены прочными ковалентными связями. Из-за этого подобные вещества хрупкие и легко разрушаются.

Характерными примерами для этого типа решётки выступает: лёд (H2O), углекислый газ в твёрдом виде («сухой лёд»), йод (I2), серо-жёлтые кристаллы серы (S8), аммиак (NH3), гелий (He), радон (Rn), азот (N2).

Свойства молекулярной решётки:

• мягкость

• низкая прочность

• легкое плавление и испарение

• возможность наличия запаха

• низкая плотность

Металлическая решётка

Металлическая кристаллическая решётка — это структура, состоящая из ионов и атомов металла, между которыми свободно движутся электроны.

Свободные электроны, перемещающиеся между узлами решётки, образуют так называемое электронное облако. Под воздействием электрического поля оно начинает двигаться направленно, что объясняет свойство металлов проводить электрический ток.

Примерами такого типа решётки выступают все металлы и сплавы: медь, железо, кобальт, сталь, чугун, бронза, нихром и другие.

Свойства металлической решётки:

• металлический блеск

• твердость

• хорошая ковкость

• высокая теплопроводность

• высокая электропроводность

Благодаря таким свойствам, из металлических веществ делают провода, машины, инструменты и множество других предметов.

Таблица: основные характеристики кристаллических решёток