Химическая связь и строение вещества (стр. 3 из 4)

Вследствие того, что кулоновские силы притяжения распространяются одинаково по всем направлениям, ионы в узлах кристаллической решетки связаны относительно прочно, хотя каждый из ионов не зафиксирован неподвижно, а непрерывно совершает тепловые колебания вокруг своего положения в решетке. Поступательное же движение ионов вдоль решетки отсутствует, поэтому все вещества с ионными связями при комнатной температуре – твердые (кристаллические). Амплитуда тепловых колебаний может быть увеличена нагреванием ионного кристалла, которое приводит в итоге к разрушению решетки и переходу твердого вещества в жидкое состояние (при температуре плавления). Температура плавления ионных кристаллов относительно высока, а температура кипения, при которой совершается переход жидкого вещества в самое неупорядоченное, газовое состояние, имеет очень большие значения. Пример:

NaCl	NaOH	KBr	BaF2	BaCl2
Темп.плавления, °С	801	321	734	1368	961
Темп.кипения, °С	1465	1390	1380	2260	2050

Многие соли, особенно многоэлементные комплексные, а так же соли органических кислот могут разлагаться при температуре более низких, чем температура кипения и даже температура плавления.

Типичным свойством многих соединений с ионной связью (которые не взаимодействуют с водой или не разлагаются до плавления) является их способность к диссоциации на составляющие ионы; вследствие подвижности ионов водные растворы или расплавы ионных кристаллов проводят электрический ток.

В ионных кристаллах отсутствуют связи между отдельными парами ионов; точнее следует сказать, что все содержащиеся в образце ионного соединения катионы и анионы оказываются связанными.

В ионных кристаллах, построенных из катионов и анионов, молекулы отсутствуют.

Химические формулы ионных веществ передают только соотношение катионов и анионов в кристаллической решетке; в целом образец ионного вещества электронейтрален. Например, в соответствии с формулой ионного кристалла Al2O3 соотношение катионов Al3+ и анионов О2- в решетке равно 2:3; вещество электронейтрально – шесть положительных зарядов (2 Al3+) нейтрализуется шестью отрицательными зарядами (3 О2-).

Хотя реальных молекул в ионных кристаллах не существует для единообразия с ковалентными веществами принято с помощью формул типа NaClи Al2O3 передавать состав условных молекул, следовательно, характеризовать ионные вещества определенными значениями относительной молекулярной массы. Это тем более оправдано, поскольку переход от ковалентной связи к ионной происходит постепенно и имеют лишь условную границу с Dх = 1,7.

Относительная молекулярная масса веществ с ионной связью находится сложением относительных атомных масс соответствующих элементов с учетом числа атомов каждого элемента.

Пример: Относительная молекулярная масса Al2O3 составляет:

Относительная атомная масса 2 (Al)	2 × 26,992
Относительная атомная масса 3 (О)	3 × 15,999
101,961»101,96

Строение и форма кристаллов являются предметом исследования кристаллографии, а связь свойств кристаллов и их строения изучает кристаллохимия.

Следует отметить, что соединений в которых существует только ионная связь практически нет. Всегда между соседними атомами в кристалле возникают и ковалентные связи.

1.5 Металлическая связь

Металлы и сплавы металлов кристаллизируются в форме металлических решеток. Узлы в металлической решетке заняты положительными ионами металлов. Все металлы, за редкими исключениями, кристаллизуются в одном из трех типов решеток. При кубической плотнейшей упаковке атомных остатков формируется гранецентрированноя решетка; при гексагональной плотнейшей упаковке - гексагональная решетка. Кристаллы щелочных металлов, бария и некоторых переходных металлов образует объемно центрированную кубическую решетку. Названия решеток соответствуют упаковке атомных остатков в вершинах и серединах граней элементарного куба, в виде гексагональной призмы и в вершинах и геометрическом центре элементарного куба.

Заполнение гранецентрированной кубической и гексагональной решеток атомными остовами является максимально возможным при данных геометрических размерах атомных остатков металлов, поэтому такие виды упаковок атомов называются плотнейшими. Плотнейшим упаковкам атомов соответствует и максимальное координационное число решетки, т.е. число ближайших соседей, окружающих данный атомный остов в пространстве. Для кубической и гексагональной плотнейших упаковок координационное число равно 12; в объемно центрированной кубической решетке координационное число равно 8.

Валентные электроны, отделившиеся от атомов металлов и оставившие в узлах решетки соответствующие атомные остовы (катионы), более или менее свободно перемещаются в пространстве между катионами и обуславливают металлическую электрическую проводимость металлов. По аналогии с молекулами газообразного вещества совершающими хаотическое движение, подвижные электроны рассматривают как электронный газ в металле.

Устойчивость металлической решетки обеспечивается наличием электростатического притяжения между положительно заряженными атомными остовами и отрицательно заряженными подвижными электронами, связывающие кулоновские силы действуют на все соседние атомные оставы равномерно и поэтому они менее прочные, чем силы направленного химического связывания в атомных кристаллических решетках. Вследствие этого большинство металлических простых веществ, в отличие от алмазоподобных веществ, имеют относительно низкие температуры плавления. Пример:

Cs	Na	Sn	Pb	Al	Ba	Ag	Cu	Fe
Температ.плавления	29	98	232	328	660	727	962	985	1539

(Важнейшие исключения: Мо 2620, Re 3190, W 3387° С).

Подобно атомам в атомных решетках и ионам в ионных решетках, катионы в металлических решетках, не обладающие поступательным движением, постоянно совершают колебания вокруг положения узлов решетки. Амплитуда этих колебаний при нагревании возрастает, и при достижении температуры плавления металла решетка разрушается. Температура плавления металлов, как правило, возрастает с увеличением числа валентных электронов в их атомах и с уменьшением расстояния между атомами остовами в решетке – параметра решетки а.

Пример:

	а, м	Температ. плавлен., ° С
Натрий Nа	1	4,3 10-10	98
Калий К	1	5,3 10-10	64
Кальций Са	2	5,5 10-10	842

Натрий плавится при более высокой температуре, чем калий, вследствие меньшего значения параметра, а кальций плавится при значительно более высокой температуре, чем калий, в основном по причине удвоенного числа валентных электронов.

Уж упаковки кристаллических решеток зависит пластическая деформируемость металлов. Она тем выше, чем больше в металлической решетке плотнейших шаровых слоев и чем меньше пустот, тормозящих скольжение слоев. Наименьшая ковкость у металлов с гексагональной решеткой промежуточная – с объемно-центрированной кубической решеткой и наибольшая – с гранецентрированной кубической решеткой.

Пример. При нагревании железа до 911°С низкотемпературная объемно-центрированная кубическая решетка переходит в гранецентрированную кубическую решетку; по этой причине раскаленное железо значительно легче поддается ковке.

При затвердевании металлических расплавов происходит массовая кристаллизация и возникает одновременно множество мелких кристалликов, они называются кристаллитами. Рост кристаллита протекает в окружении подобных мелких кристаллов; при этом исключается значительное увеличение размеров кристаллитов и поэтому они не видны визуально на изломе металла и образец металла кажется монолитным.

Смеси двух или более индивидуальных металлов называются сплавами. В сплавах могут присутствовать в небольших количествах и некоторые неметаллы (С, Si, S). Распространенным методом получения сплавов является совместное нагревание их составных частей до полного расплавления смеси. Однако, есть металлы, которые не сплавляются друг с другом в любых отношениях.

Металлические сплавы можно классифицировать так: твердые растворы внедрения; твердые растворы замещения; смеси индивидуальных кристаллов металлов; смеси кристаллов интерметаллических соединений.

В сплавах, предоставляющих собой твердые растворы внедрения, часть межузельных полостей металлической кристаллической решетки занята атомами другого элемента. Такие примеси часто упрочняют сплав; например, чугун, сталь-железо, содержащее примесные атомы углерода, значительно тверже, чем чистое железо.

В сплавах – твердых растворах замещения часть атомов основного вещества заменена на атомы примесного элемента. Сплавы, состоящие из смеси индивидуальных кристаллических компонентов, образуются при соблюдении строго определенного соотношения; такие сплавы называются так же эвтектическими смесями. Эвтектической смесью является широко известный оловянный припой – третник (64% Sn и 36% Pb) с температурой плавления 181° С.

Сплавляемые металлы могут образовываться между собой химические соединения – интерметаллиды. Например, в бронзе присутствует интерметаллическое соединение состава Си3 Sn, а в латуни – интерметаллид СиZn3. Важнейшей составной частью стали, является карбит железа Fe3 C (цементит), который так же относится к интерметаллическим соединениям. Состав интерметаллидов обычно не отвечает стехиометрической валентности элементов; интерметаллиды – это нестехометрические соединения, составляющие обширный класс неорганических веществ с нестехиометрическим составом. Многие элементы образуют несколько нестехиаметрических соединений: так железо с фосфором дает фосфиды состава Fe3 P, Fe2 P, FeP, FeP, FeP2. Формулы этих соединений указывают лишь на то, что для кристаллических решеток характерно определенное соотношение компонентов, например, в Fe3 С на каждые три атома Fe приходится один атом С.