Свойства кристаллических решеток

Тип кристаллической решетки	Характеристика
Ионные	Состоят из ионов. Образуют вещества с ионной связью. Обладают высокой твердостью, хрупкостью, тугоплавки и малолетучи, легко растворяются в полярных жидкостях, являются диэлектриками. Плавление ионных кристаллов приводит к нарушению геометрически правильной ориентации ионов относительно друг друга и ослаблению прочности связи между ними. Поэтому их расплавы (растворы) проводят электрический ток. Ионные кристаллические решетки образуют многие соли, оксиды, основания.
Атомные (ковалентные)	В узлах находятся атомы, которые соединены между собой ковалентными связями. Атомных кристаллов много. Все они имеют высокую температуру плавления, не растворимы в жидкостях, обладают высокой прочностью, твердостью, имеют широкий диапазон электропроводимости. Атомные кристаллические решетки образуют элементы III и IV групп главных подгрупп (Si, Ge, B, C).

 

Продолжение табл. З4

Молекулярные

Состоят из молекул (полярных и неполярных), которые соединены между собой слабыми водородными, межмолекулярными и электростатическими силами. Поэтому молекулярные кристаллы имеют малую твердость, низкие температуры плавления, малорастворимы в воде, не проводят электрический ток и обладают высокой летучестью. Молекулярную решетку образует лед, твердый углекислый газ («сухой лед»), твердые галогенводороды, твердые простые вещества, образованные одно- (благородные газы), двух- (F2, Cl2, Br2, J2, H2, N2, O2), трех- (O3), четырех- (P4), восьми- (S8) атомными молекулами, многие кристаллические органические соединения.

Металлические

Состоят из атомов или ионов металлов, соединенных металлической связью. Узлы металлических решеток заняты положительными ионами, между которыми перемещаются валентные электроны, находящиеся в свободном состоянии (электронный газ). Металлическая решетка является прочной. Этим объясняются свойственные большинству металлов твердость, малая летучесть, высокая температура плавления и кипения. Она же обусловливает такие характерные свойства металлов как электро- и теплопроводность, блеск, ковкость, пластичность, непрозрачность, фотоэффект. Металлической кристаллической решеткой обладают чистые металлы и сплавы.

 

Кристаллы по величине электропроводности делятся на три класса:

Проводники I рода – электропроводность 10⁴ - 10⁶ (Ом×см)^-1–вещества с металлической кристаллической решеткой, характеризующиеся наличием «переносчиков тока» - свободно перемещающихся электронов (металлы, сплавы).

Диэлектрики (изоляторы) – электропроводность 10^-10-10^-22 (Ом×см)^-1 – вещества с атомной, молекулярной и реже ионной решеткой, обладающие большой энергией связи между частицами (алмаз, слюда, органические полимеры и др.).

Полупроводники – электропроводность 10⁴-10^-10 (Ом×см)^-1 – вещества с атомной или ионной кристаллической решеткой, обладающие более слабой энергией связи между частицами, чем изоляторы. С ростом температуры электропроводность у полупроводников возрастает (серое олово, бор, кремний и др.)

 

5.2. Контрольные вопросы и задания

 

1. Охарактеризуйте двойственную природу электрона, уравнение де Бройля, принцип неопределенности Гейзенберга, волновое уравнение Шредингера.

2. Спектры атомов, как источник информации об их строении. Квантовые числа.

3. Основные принципы заполнения электронами орбиталей (принцип Паули, принцип наименьшей энергии, правило Гунда).

4. Электронные формулы и электронно-структурные схемы атомов.

5. Определение валентных возможностей элемента, исходя из строения электронных оболочек атома.

6. Охарактеризовать свойства элемента по его положению в ПСЭ.

7. Физическая сущность химической связи. Типы химической связи, ее характеристика: энергия, длина направленность.

8. Основные положения МВС и ММО. Связывающие и разрыхляющие МО. Кратность связи в ММО.

9. Типы ковалентной связи. Свойства ковалентной связи: насыщаемость, полярность, поляризуемость, направленность, гибридизация. Пространственное расположение атомов в молекуле. Кратность и делокализация связи.

10. Ионная связь, ее характеристики. Общая характеристика металлической связи, водородной связи, межмолекулярных взаимодействий.

11. Характеристика агрегатного состояния веществ.

 

Примеры решения задач

Пример 1. Запишите полный набор квантовых чисел для электрона, который находится последним в орбитальной диаграмме атома азота.

Решение. Этот электрон характеризуется набором квантовых чисел: n = 2 (находится на 2-м уровне), l = 1(находится на p-подуровне), m = +1 (находится на последней из трех одинаковых p-орбиталей, s = +1/2 (этот электрон заселился первым на данную p-орбиталь).

Пример 2. Последним электронную оболочку некоего элемента заселяет электрон с набором квантовых чисел: n = 3, l = 2, m = -2, s = +1/2. Какой это элемент? Какова его полная электронная формула?

Решение. Данный электрон находится на 3-м уровне (n = 3), причем на d-подуровне (l = 2). На рис. 20 изображены все пять d-орбиталей и расположены над ними значения магнитного квантового числа m от -2 до +2, нужная орбиталь (m = -2).

Расположив на ней единственный электрон (стрелка вверх, т.к. s = +1/2) и зная, что он последний, мы приходим к выводу, что остальные d-орбитали пусты. Теперь мы уже можем записать сокращенную электронную формулу элемента: …3d¹. Этот элемент легко найти в периодической таблице - это скандий ₂₁Sc. Всего на орбитальной диаграмме элемента поместится ровно 21 электрон, следовательно, в его ядре 21 протон и его порядковый номер в таблице Менделеева тоже 21 (Sc). Орбитальная диаграмма помогает записать и полную электронную формулу для скандия: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹.

Рис. 20. Графическое изображение орбиталей

 

Пример 3. Элемент имеет порядковый номер 18. Напишите полную электронную формулу, указав, на каких энергетических уровнях и подуровнях находятся электроны в атомах этого элемента.

Решение. Заполнение электронами энергетических уровней и подуровней происходит в порядке возрастания энергии 1 s <2 s <2 p <3 s <3 p <4 s ≈3 d <4 p <5 s ≈4 d <5 p <6 s ≈4 f ≈5 d <6 p <7 s ≈5 f ≈6 d <7 p. Порядковый номер 18, т.е. атом содержит 18 электронов, его электронная формула имеет вид: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶, это аргон.

Пример 4. Сокращенная электронная формула элемента изображена в виде … 3d³4s². Какой это элемент? Напишите полную электронную формулу.

Решение. Исходя из строения электронной оболочки, элемент находится в 4-м периоде, общее число валентных электронов (3d³4s²) – пять, следовательно, в V группе, d-орбиталь незавершенна, это d-элемент V группы побочной подгруппы. Это ванадий ₂₃V. Электронная формула этого элемента: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d³.

Пример 5. На основании ПСЭ охарактеризуйте химические свойства атома с порядковым номером 21 по плану.

 

План характеристики элемента по положению