Кристалічні решітки. Гексагональна тиранія Тип кристалічної решітки сухого льоду

Як ми знаємо, всі матеріальні речовини можуть перебувати в трьох базових станах: рідкому, твердому, і газоподібному. Правда є ще стан плазми, яке вчені вважають ні багато ні мало четвертим станом речовини, але наша стаття не про плазму. тверде стан речовини тому тверде, так як має особливу кристалічну структуру, частки якої знаходяться в певному і чітко заданому порядку, створюючи, таким чином, кристалічну решітку. Будова кристалічної решітки складається з повторюваних однакових елементарних осередків: атомів, молекул, іонів, інших елементарних частинок, Пов'язаних між собою різними вузлами.

Види кристалічних решіток

Залежно від частинок кристалічної решітки існує чотирнадцять типів оной, наведемо найбільш популярні з них:

Іонна кристалічна решітка.
Атомна кристалічна решітка.
Молекулярна кристалічна решітка.
кристалічна решітка.

Іонна кристалічна решітка

Головною особливістю будови кристалічної решітки іонів є протилежні електричні заряди, власне, іонів, внаслідок чого утворюється електромагнітне поле, яке визначає властивості речовин, що мають іонну кристалічну решітку. А це тугоплавкость, твердість, щільність і можливість проводити електричний струм. Характерним прикладом іонної кристалічної решітки може бути кухонна сіль.

Атомна кристалічна решітка

Речовини з атомної кристалічною решіткою, як правило, мають у своїх вузлах, що складаються власне з атомів сильні. Ковалентний зв'язок відбувається, коли два однакових атома діляться один з одним по-братськи електронами, утворюючи, таким чином, загальну пару електронів для сусідніх атомів. Через це ковалентні зв'язки сильно і рівномірно пов'язують атоми в строгому порядку - мабуть, це найхарактерніша риса будови атомної кристалічної решітки. Хімічні елементи з подібними зв'язками можуть похвалитися своєю твердістю, високою температурою. Атомну кристалічну решітку мають такі хімічні елементи як алмаз, кремній, германій, бор.

Молекулярна кристалічна решітка

Молекулярний тип кристалічної решітки характеризується наявністю стійких і щільноупакованих молекул. Вони розташовуються у вузлах кристалічної решітки. У цих вузлах вони утримуються такими собі вандервальсовимі силами, які в десять разів слабкіше сил іонного взаємодії. Яскравим прикладом молекулярної кристалічної решітки є лід - тверда речовина, що має однак властивість переходити в рідкий - зв'язку між молекулами кристалічної решітки зовсім слабенькі.

Металева кристалічна решітка

Тип зв'язку металевої кристалічної решітки гнучкіше і пластичнее іонної, хоча зовні вони дуже схожі. Відмінною особливістю її є наявність позитивно заряджених катіонів (іонів метала) в вузлах решітки. Між вузлами живуть електрони, які беруть участь у створенні електричного поля, ці електрони ще називаються електричним газом. Наявність такої структури металевої кристалічної решітки пояснює її властивості: механічну міцність, тепло і електропровідність, плавкість.

Кристалічні решітки, відео

І на завершення докладний відео пояснення про властивості кристалічних решіток.

Речовина, як вам відомо, може існувати в трьох агрегатних станах: Газоподібному, рідкому і твердому (рис. 70). Наприклад, кисень, який при звичайних умовах являє собою газ, при температурі -194 ° С перетворюється в рідину блакитного кольору, а при температурі -218,8 ° С твердне в снегообразную масу, що складається з кристалів синього кольору.

Мал. 70.
Агрегатні стани води

Тверді речовини ділять на кристалічні і аморфні.

Аморфні речовини не мають чіткої температури плавлення - при нагріванні вони поступово розм'якшуються і переходять в текучий стан. До аморфним речовин відноситься більшість пластмас (наприклад, поліетилен), віск, шоколад, пластилін, різні смоли та жувальні гумки (рис. 71).

Мал. 71.
Аморфні речовини і матеріали

Кристалічні речовини характеризуються правильним розташуванням складових їх частинок в строго певних точках простору. При з'єднанні цих точок прямими лініями утворюється просторовий каркас, званий кристалічною решіткою. Точки, в яких розміщені частинки кристала, називають вузлами решітки.

У вузлах уявної кристалічної решітки можуть перебувати одноатомні іони, атоми, молекули. Ці частинки здійснюють коливальні рухи. З підвищенням температури розмах цих коливань зростає, що призводить, як правило, до теплового розширення тіл.

Залежно від типу частинок, розташованих у вузлах кристалічної решітки, і характеру зв'язку між ними розрізняють чотири типи кристалічних решіток: іонні, атомні, молекулярні і металеві (табл. 6).

Таблиця 6
Положення елементів у Періодичній системі Д. І. Менделєєва і типи кристалічних решіток їх простих речовин

Прості речовини, утворені елементами, що не представленими в таблиці, мають металеву решітку.

Іонними називають кристалічні решітки, у вузлах яких знаходяться іони. Їх утворюють речовини з іонним зв'язком, якій можуть бути пов'язані як прості іони Na \u200b\u200b+, Cl -, так і складні, ОН -. Отже, іонні кристалічні решітки мають солі, підстави (луги), деякі оксиди. Наприклад, кристал хлориду натрію побудований з чергуються позитивних іонів Na + і негативних Сl -, що утворюють грати в формі куба (рис. 72). Зв'язки між іонами в такому кристалі дуже міцні. Тому речовини з іонним гратами мають порівняно високу твердість і міцністю, вони тугоплавкі і нелеткі.

Мал. 72.
Іонна кристалічна решітка (хлорид натрію)

Атомними називають кристалічні решітки, у вузлах яких знаходяться окремі атоми. У таких ґратах атоми з'єднані між собою дуже міцними ковалентними зв'язками.

Мал. 73.
Атомна кристалічна решітка (алмаз)

Такий тип кристалічної решітки має алмаз (рис. 73) - одне з аллотропних видозмін вуглецю. Ограновані та відшліфовані алмази називають діамантами. Їх широко застосовують в ювелірній справі (рис. 74).

Мал. 74.
Дві імператорські корони з діамантами:
а - корона Британської імперії; б - Велика імператорська корона Російської імперії

До речовин з атомної кристалічною решіткою відносяться кристалічні бор, кремній і германій, а також складні речовини, Наприклад такі, як кремнезем, кварц, пісок, гірський кришталь, до складу яких входить оксид кремнію (IV) SiO 2 (рис. 75).

Мал. 75.
Атомна кристалічна решітка (оксид кремнію (IV))

Більшість речовин з атомної кристалічною решіткою мають дуже високі температури плавлення (наприклад, у алмазу вона понад 3500 ° С, у кремнію - 1 415 ° С, у кремнезему - 1 728 ° С), вони міцні і тверді, практично нерозчинні.

Молекулярними називають кристалічні решітки, у вузлах яких розташовуються молекули. Хімічні зв'язку в цих молекулах можуть бути і ковалентними полярними (хлороводень НСl, вода Н 2 0), і ковалентними неполярними (азот N 2, озон 0 3). Незважаючи на те що атоми всередині молекул пов'язані дуже міцними ковалентними зв'язками, між самими молекулами діють слабкі сили міжмолекулярної тяжіння. Тому речовини з молекулярними кристалічними решітками мають малу твердість, низькі температури плавлення, летючі.

Прикладами речовин з молекулярними кристалічними решітками є тверда вода - лід, твердий оксид вуглецю (IV) С) 2 - «сухий лід» (рис. 76), тверді хлороводород НСl і сірководень H 2 S, тверді прості речовини, утворені одно- (благородні гази: гелій, неон, аргон, криптон), дво- (водень Н 2, кисень O 2, хлор Сl 2, азот N 2, йод 1 2), трьох- (озон O 3), чотирьох- (білий фосфор Р 4 ), восьміатомнимі (сірка S 7) молекулами. Більшість твердих органічних сполук мають молекулярні кристалічні решітки (нафталін, глюкоза, цукор).

Мал. 76.
Молекулярна кристалічна решітка (вуглекислий газ)

Речовини з металевою зв'язком мають металеві кристалічні решітки (рис. 77). У вузлах таких грат знаходяться атоми і іони (то атоми, то іони, в які легко перетворюються атоми металу, віддаючи свої зовнішні електрони в загальне користування). Таке внутрішню будову металів визначає їх характерні фізичні властивості: Гнучкість, пластичність, електро- і теплопровідність, металевий блиск.

Мал. 77.
Металева кристалічна решітка (залізо)

Лабораторний дослід № 13
Ознайомлення з колекцією речовин з різним типом кристалічної решітки. Виготовлення моделей кристалічних решіток

Зберіть модель однієї з кристалічних решіток.

Для речовин, що мають молекулярну будову, Справедливий відкритий французьким хіміком Ж. Л. Прустом (1799-1803) закон сталості складу. В даний час цей закон формулюють так:

Закон Пруста - один з основних законів хімії. Однак для речовин немолекулярного будови, наприклад іонного, цей закон не завжди справедливий.

Ключові слова і словосполучення

Тверде, рідке і газоподібне стану речовини.
Тверді речовини: аморфні і кристалічні.
Кристалічні решітки: іонні, атомні, молекулярні і металеві.
Фізичні властивості речовин з різними типами кристалічних решіток.
Закон сталості складу.

Робота з комп'ютером

Зверніться до електронного додатком. Вивчіть матеріал уроку і виконайте запропоновані завдання.
Знайдіть в Інтернеті електронні адреси, Які можуть служити додатковими джерелами, що розкривають зміст ключових слів і словосполучень параграфа. Запропонуйте вчителю свою допомогу в підготовці нового уроку - зробіть повідомлення за ключовими словами і словосполученнями наступного параграфа.

Запитання і завдання

В якому агрегатному стані буде перебувати кисень при -205 ° С?
Згадайте твір А. Бєляєва «Продавець повітря» і охарактеризуйте властивості твердого кисню, використовуючи його опис, наведене в книзі.
До якого типу речовин (кристалічні або аморфні) відносяться пластмаси? Які властивості пластмас лежать в основі їх промислового застосування?
До якого типу належить кристалічна решітка алмаза? Перерахуйте характерні для алмазу фізичні властивості.
До якого типу належить кристалічна решітка йоду? Перерахуйте характерні для йоду фізичні властивості.
Чому температура плавлення металів змінюється в дуже широких межах? Для підготовки відповіді на це питання використовуйте додаткову літературу.
Чому виріб з кремнію при ударі розколюється на шматочки, а виріб зі свинцю тільки розплющується? В якому із зазначених випадків відбувається руйнування хімічного зв'язку, а в якому - ні? Чому?

Вода - речовина звичне і незвичайне. Майже 3/4 поверхні нашої планети зайнято океанами і морями. Твердою водою - снігом і льодом - покрито 20% суші. Від води залежить клімат планети. Геофізики стверджують, що Земля давно б охолола і перетворилася в неживий шматок каменю, якби не вода. У неї дуже велика теплоємність. Нагріваючись, вона поглинає тепло; остигаючи, віддає його. Земна вода і поглинає, і повертає дуже багато тепла і тим самим "вирівнює" клімат. А від космічного холоду охороняє Землю ті молекули води, які розсіяні в атмосфері - в хмарах і у вигляді пари.

Вода - найзагадковіше речовина в природі після ДНК, володіє унікальними властивостями, які не тільки ще повністю не пояснені, але далеко не всі відомі. Чим довше її вивчають, тим більше знаходять нових аномалій і загадок в ній. Більшість з цих аномалій, що забезпечують можливість життя на Землі, пояснюються наявністю між молекулами води водневих зв'язків, які багато сильніше вандерваальсовскіх сил тяжіння між молекулами інших речовин, але на порядок величини слабкіше іонних і ковалентних зв'язків між атомами в молекулах. Такі ж водневі зв'язку також присутні і в молекулі ДНК.

Молекула води (H 2 16 O) складається з двох атомів водню (H) і одного атома кисню (16 O). Виявляється, що чи не все різноманіття властивостей води і незвичність їх прояву визначається, в кінцевому рахунку, фізичною природою цих атомів, способом їх об'єднання в молекулу і угрупованням утворилися молекул.

Мал. Будова молекули води . Геометрична схема (а), плоска модель (б) і просторова електронна структура (в) мономера H2O. Два з чотирьох електронів зовнішньої оболонки атома кисню беруть участь в створенні ковалентних зв'язків з атомами водню, а два інших утворюють сильно витягнуті електронні орбіти, площина яких перпендикулярна площині Н-О-Н.

Молекула води H 2 O побудована у вигляді трикутника: кут між двома зв'язками кисень - водень 104 градуси. Але оскільки обидва водневих атома розташовані по одну сторону від кисню, електричні заряди в ній розосереджуються. Молекула води полярна, що є причиною особливого взаємодії між різними її молекулами. Атоми водню в молекулі H 2 O, маючи частковий позитивний заряд, взаємодіють з електронами атомів кисню сусідніх молекул. Така хімічна зв'язок називається водневої. Вона об'єднує молекули H 2 O в своєрідні асоціати просторової будови; площину, в якій розташовані водневі зв'язку, перпендикулярні площині атомів тієї ж молекули H 2 O. Взаємодією між молекулами води і пояснюються в першу чергу незакономерно високі температури її плавлення і кипіння. Потрібно підвести додаткову енергію, щоб розхитати, а потім зруйнувати водневі зв'язку. І енергія ця дуже значна. Ось чому така велика теплоємність води.

У молекулі води є дві полярні ковалентні зв'язки Н-О. Вони утворені за рахунок перекривання двох одноелектронних р - хмар атома кисню і одноелектронних S - хмар двох атомів водню.

Відповідно до електронним будовою атомів водню і кисню молекула води в своєму розпорядженні чотири електронними парами. Дві з них беруть участь в утворенні ковалентних зв'язків з двома атомами водню, тобто є зв'язують. Дві інші електронні пари є вільними - не зв'язуватися. Вони утворюють електронне хмара. Хмара неоднорідне - в ньому можна розрізнити окремі згущення і розрідження.

У молекулі води є чотири полюс зарядів: два - позитивні і два - негативні. Позитивні заряди зосереджені у атомів водню, так як кисень електронегативний водню. Два негативних полюси припадають на дві які не пов'язують електронні пари кисню.

У кисневого ядра створюється надлишок електронної щільності. Внутрішня електронна пара кисню рівномірно обрамляє ядро: схематично вона представлена \u200b\u200bколом з центром -ядро O 2. Чотири зовнішніх електрона групуються в дві електронні пари, які тяжіють до ядра, але частково не компенсувати. Схематично сумарні електронні орбіталі цих пар показані у вигляді еліпсів, витягнутих від загального центру - ядра O 2. Кожен з решти двох електронів кисню утворює пару з одним електроном водню. Ці пари також тяжіють до кисневого ядра. Тому водневі ядра - протони - виявляються кілька оголеними, і тут спостерігається нестача електронної густини.

Таким чином, в молекулі води розрізняють чотири полюси зарядів:два негативних (надлишок електронної щільності в області кисневого ядра) і два позитивних (нестача електронної густини у двох водневих ядер). Для більшої наочності можна уявити, що полюса займають вершини деформованого тетраедра, в центрі якого знаходиться ядро \u200b\u200bкисню.

Мал. Будова молекули води: а - кут між зв'язками O-H; б - розташування полюсів заряду; в - зовнішній вигляд електронної хмари молекули води.

Майже куляста молекула води має помітно виражену полярність, так як електричні заряди в ній розташовані асиметрично. Кожна молекула води є мініатюрним диполем з високим дипольним моментом - 1,87 Дебая. Дебай - позасистемна одиниця електричного дипольного 3,33564 х 10 30 Кл · м. Під впливом диполів води в 80 разів слабшають міжатомних або міжмолекулярні сили на поверхні зануреної в неї речовини. Інакше кажучи, вода має високу діелектричну проникність, найвищу з усіх відомих нам сполук.

Багато в чому завдяки цьому, вода проявляє себе як універсальний розчинник. Її растворяющему дії в тій чи іншій мірі підвладні і тверді тіла, і рідини, і гази.

Питома теплоємність води найбільша серед усіх речовин. Крім того, вона в 2 рази вище, ніж у льоду, в той час як у більшості простих речовин (наприклад, металів) в процесі плавлення теплоємність практично не змінюється, а у речовин з багатоатомних молекул вона, як правило, зменшується при плавленні.

Подібне уявлення про будову молекули дозволяє пояснити багато властивостей води, зокрема структуру льоду. У кристалічній решітці льоду кожна з молекул оточена чотирма іншими. У площинному зображенні це можна уявити так:

Зв'язок між молекулами здійснюється за допомогою атома водню. Позитивно заряджений атом водню однієї молекули води притягається до негативно зарядженого атому кисню іншої молекули води. Такий зв'язок отримала назву водневої (її позначають точками). По міцності воднева зв'язок приблизно в 15 - 20 разів слабкіше ковалентної зв'язку. Тому воднева зв'язок легко розривається, що спостерігається, наприклад, при випаровуванні води.

Мал. зліва - Водневі зв'язку між молекулами води

Структура рідкої води нагадує структуру льоду. У рідкої воді молекули також пов'язані один з одним за допомогою водневих зв'язків, проте структура води менш "жорстка", ніж у льоду. Внаслідок теплового руху молекул у воді одні водневі зв'язки розриваються, інші утворюються.

Мал. Кристалічна решітка льоду. Молекули води H 2 O (чорні кульки) в її вузлах розташовані так, що кожна має чотирьох "сусідок".

Полярність молекул води, наявність в них частково компенсуються електричних зарядів породжує схильність до групування молекул в укрупнені «співтовариства» - асоціати. Виявляється, повністю відповідає формулі Н2О лише вода, яка перебуває в пароподібному стані. Це показали результати визначення молекулярної маси водяної пари. В температурному інтервалі від 0 до 100 ° С концентрація окремих (мономерних молекул) рідкої води не перевищує 1%. Всі інші молекули води об'єднані в асоціати різного ступеня складності, і їх склад описується загальною формулою (H 2 O) x.

Безпосередньою причиною утворення асоціатів є водневі зв'язки між молекулами води. Вони виникають між ядрами водню одних молекул та електронними «згущеннями» у ядер кисню інших молекул води. Правда, ці зв'язки в десятки разів слабкіше, ніж «стандартні» внутрішньо-молекулярні хімічні зв'язки, і достатньо звичайних рухів молекул, щоб зруйнувати їх. Але під впливом теплових коливань так само легко виникають і нові зв'язки цього типу. Виникнення і розпад асоціатів можна виразити схемою:

x · H 2 O↔ (H 2 O) x

Оскільки електронні орбіталі в кожній молекулі води утворюють тетраедричних структуру, водневі зв'язки можуть упорядкувати розташування молекул води у вигляді тетраедричних координованих асоціатів.

Більшість дослідників пояснюють аномально високу теплоємність рідкої води тим, Що при плавленні льоду його кристалічна структура руйнується не відразу. У рідкої воді зберігаються водневі зв'язки між молекулами. У ній залишаються як би уламки льоду - асоціати з великого чи меншого числа молекул води. Однак на відміну від льоду кожен ассоциат існує недовго. Постійно відбувається руйнування одних і утворення інших ассоциатов. При кожному значенні температури в воді встановлюється своє динамічна рівновага в цьому процесі. А при нагріванні води частина теплоти витрачається на розрив водневих зв'язків в асоціати. При цьому на розрив кожної зв'язку витрачається 0,26-0,5 еВ. Цим і пояснюється аномально висока теплоємність води в порівнянні з розплавами інших речовин, що не утворюють водневих зв'язків. При нагріванні таких розплавів енергія витрачається тільки на повідомлення теплових рухів їх атомам або молекулам. Водневі зв'язки між молекулами води повністю розриваються тільки при переході води в пару. На правильність такої точки зору вказує і та обставина, що питома теплоємність водяної пари при 100 ° С практично збігається з питомою теплоємністю льоду при 0 ° С.

Малюнок нижче:

елементарним структурним елементом асоціата є кластер: Мал. Окремий гіпотетичний кластер води. Окремі кластери утворюють асоціати молекул води (H 2 O) x: Мал. Кластери з молекул води утворюють асоціати.

Існує й інша точка зору на природу аномально високій теплоємності води. Професор Г. Н. Зацепіна помітила, що молярна теплоємність води, яка становить 18 кал / (мольград), точно дорівнює теоретичної молярної теплоємності твердого тіла з трехатомного кристалами. А відповідно до закону Дюлонга і Пті атомні теплоємності всіх хімічно простих (одноатомних) кристалічних тіл при досить високій температурі однакові і рівні 6 калДмоль o град). А для трьохатомних, в граммоле яких міститься 3 N а вузлів кристалічної решітки, - в 3 рази більше. (Тут N а - число Авогадро).

Звідси випливає, що вода є як би кристалічним тілом, Що складається з трьохатомних молекул Н 2 0. Це відповідає поширеному уявленню про воду як суміші кристалоподібні ассоциатов з невеликою домішкою вільних молекул H 2 O води між ними, число яких зростає з підвищенням температури. З цієї точки зору викликає здивування невисока теплоємність рідкої води, а низька твердого льоду. Зменшення питомої теплоємності води при замерзанні пояснюється відсутністю поперечних теплових коливань атомів в жорсткій кристалічній решітці льоду, де у кожного протона, що обумовлює водневу зв'язок, залишається тільки одна ступінь свободи для теплових коливань замість трьох.

Але за рахунок чого і як можуть відбуватися настільки великі зміни теплоємності води без відповідних змін тиску? Щоб відповісти на це питання, познайомимося з гіпотезою кандидата геолого-мінералогічних наук Ю. А. Коляснікова про структуру води.

Він вказує, що ще першовідкривачі водневих зв'язків Дж. Бернал і Р. Фаулер в 1932 р порівнювали структуру рідкої води з кристалічною структурою кварцу, а ті асоціати, про які говорилося вище, - це в основному тетрамери 4Н 2 0, в яких чотири молекули води з'єднані в компактний тетраедр з дванадцятьма внутрішніми водневими зв'язками. В результаті утворюється чотиригранна піраміда - тетраедр.

При цьому, водневі зв'язки в цих тетрамера можуть утворювати як право- так і левовінтовую послідовності, подібно до того, як кристали широко розповсюдженого кварцу (Si0 2), теж мають тетраедричних структуру, бувають право- і ліво-обертальної кристалічної форм. Оскільки кожен такий тетрамер води має ще й чотири незадіяні зовнішні водневі зв'язку (як у однієї молекули води), то тетрамери можуть з'єднуватися цими зовнішніми зв'язками в свого роду полімерні ланцюжки, на зразок молекули ДНК. А оскільки зовнішніх зв'язків всього чотири, а внутрішніх - в 3 рази більше, то це дозволяє важким і міцним тетрамера в рідкій воді згинати, повертати і навіть надломлювати ці ослаблені тепловими коливаннями зовнішні водневі зв'язку. Це і обумовлює плинність води.

Таку структуру вода, на думку Коляснікова, має тільки в рідкому стані і, можливо, частково в пароподібному. А ось в льоду, кристалічна структура, якого добре вивчена, тетрагідролі з'єднані між собою негнучкими равнопрочность прямими водневими зв'язками в ажурний каркас з великими порожнечами в ньому, що робить щільність льоду менше щільності води.

Мал. Кристалічна структура льоду: молекули води з'єднані в правильні шестикутники

Коли ж лід тане, частина водневих зв'язків в ньому слабшає і згинається, що веде до перебудови структури в вищеописані тетрамери і робить рідку воду більш щільною, ніж лід. При 4 ° С настає стан, коли все водневі зв'язку між тетрамерами максимально зігнуті, ніж і обумовлюється максимум щільності води при цій температурі. Далі зв'язків гнутися нікуди.

При температурі вище 4 ° С починається розривання окремих зв'язків між тетрамерами, і при 36-37 ° С виявляється розірвана половина зовнішніх водневих зв'язків. Це і визначає мінімум на кривій залежності питомої теплоємності води від температури. При температурі ж 70 ° С розірвані вже майже все межтетрамерние зв'язку, і поряд з вільними тетрамерами в воді залишаються тільки короткі уривки "полімерних" ланцюжків з них. Нарешті при кипінні води відбувається остаточний розрив тепер уже одиночних тетрамеров на окремі молекули Н 2 0. І та обставина, що питома теплота випаровування води рівно в 3 рази більше суми питомих теплот плавлення льоду і подальшого нагрівання води до 100 ° С, є підтвердженням припущення Коляснікова про те. що число внутрішніх зв'язків в тетрамере в 3 рази більше числа зовнішніх.

Така тетраедрально-гвинтова структура води може бути обумовлена \u200b\u200bїї давньої реологічні зв'язком з кварцом і іншими кремнекислородних мінералами, переважаючими в земній корі, з надр якої колись з'явилася вода на Землі. Як маленький кристалик солі змушує навколишній розчин кристалізуватися в подібні йому кристали, а не в інші, так кварц змусив молекули води вибудовуватися в тетраедричних структури, які, енергетично найвигідніші. А в нашу епоху в земній атмосфері водяна пара, конденсуючись в краплі, утворюють таку структуру тому, що в атмосфері завжди присутні дрібні крапельки аерозольної води, яка вже має цю структуру. Вони і є центрами конденсації водяної пари в атмосфері. Нижче наведені можливі цепочечние силікатні структури на основі тетраедра, які можуть бути складені і з тетраедрів води.

Мал. Елементарний правильний кремені-кисневий тетраедр SiO 4 4-.

Мал. Елементарні кремнекіслородние одиниці-ортогруппи SiO 4 4- в структурі Mg-пироксена енстатіт (а) і діортогруппи Si 2 O 7 6 в Са-піроксеноіде Волластона (б).

Мал. Найпростіші типи острівних кремнекислородних аніонних угруповань: а-SiO 4, б-Si 2 O 7, в-Si 3 O 9, г-Si 4 Про 12, д-Si 6 O 18.

Мал. нижче - Найважливіші типи кремнекислородних цепочечних аніонних угруповань (по Бєлову): а-метагерманатная, б - піроксенових, в - батісітовая, г-волластонітовая, д-власовітовая, е-мелілітовая, ж-Родонітовой, з-піроксмангітовая, і-метафосфатная, до -фтороберіллатная, л - барілітовая.

Мал. нижче - Конденсація піроксенових кремнекислородних аніонів в стільникові дворядні амфіболові (а), трьохрядні амфіболоподобние (б), шаруваті тальку і близькі їм аніони (в).

Мал. нижче - Найважливіші типи стрічкових кремнекислородних угруповань (по Бєлову): а - сілліманітовая, амфіболового, ксонотлітовая; б-епідідімітовая; в-ортоклазовая; г-нарсарсукітовая; д-фенакітовая призматическая; е-евклазовая інкрустована.

Мал. праворуч - Фрагмент (елементарний пакет) шаруватою кристалічною структури мусковита KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2, який ілюструє переслаивание алюмокремне-кисневих сіток з поліедріческіх шарами великих катіонів алюмінію і калію, нагадує ланцюжок ДНК.

Можливі й інші моделі водяної структури. Тетраедрично пов'язані молекули води утворюють своєрідні ланцюжки досить стабільного складу. Дослідники розкривають все більш тонкі і складні механізми «внутрішньої організації» водяної маси. Крім льодоподібної структури, рідкої води і мономерних молекул, описаний і третій елемент структури - нететраедріческой.

Певна частина молекул води асоційована не в тривимірні каркаси, а в лінійні кільцеві об'єднання. Кільця, групуючи, утворюють ще більш складні комплекси асоціатів.

Таким чином, вода теоретично може утворювати ланцюжки, на зразок молекули ДНК, про що буде сказано нижче. У цій гіпотезі цікаво ще й те, що з неї випливає рівноймовірно існування право - і левовінтовой води. Але біологами давно помічено, що в біологічних тканинах і структурах спостерігаються тільки або ліво -, або правовінтовую освіти. Приклад тому - білкові молекули, побудовані тільки з ліво-гвинтових амінокислот і закручені тільки по левовінтовой спіралі. А ось цукру в живій природі - все тільки правовінтовую. Ніхто поки не зміг пояснити, чому в живій природі виявляється таке перевагу до лівого в одних випадках і до правого - в інших. Адже в неживій природі з однаковою ймовірністю зустрічаються як право-, так і левовінтовие молекули.

Понад сто років тому знаменитий французький натураліст Луї Пастер виявив, що органічні сполуки в складі рослин і тварин оптично асиметричні - вони обертають площину поляризації падаючого на них світла. Всі амінокислоти, що входять до складу тварин і рослин, обертають площину поляризації вліво, а всі цукру - вправо. Якщо ми синтезуємо такі ж за хімічним складом з'єднання, то в кожному з них буде рівна кількість ліво- і правовращающих молекул.

Як відомо, будь-які живі організми складаються з білків, а вони, в свою чергу, - з амінокислот. З'єднуючись один з одним в різноманітної послідовності, амінокислоти утворюють довгі пептидні ланцюга, які мимоволі "закручуються" в складні білкові молекули. Подібно до багатьох інших органічних сполук, амінокислоти володіють хіральної симетрією (від грец. Хіросі - рука), тобто можуть існувати в двох дзеркально симетричних формах, які називаються "енантіомери". Такі молекули схожі одна на іншу, як ліва і права рука, тому їх називають D- і L-молекулами (від лат. Dexter, laevus - правий і лівий).

Тепер уявімо собі, що навколишнє середовище з лівими і правими молекулами перейшла в стан тільки з лівими або тільки з правими молекулами. Таку середу фахівці називають хіральні (від грецького слова "Хейра" - рука) впорядкованою. Самовідтворення живого (біопоеза - за визначенням Д. Бернал) могло виникнути і підтримуватися тільки в такому середовищі.

Мал. Дзеркальна симетрія в природі

Інша назва молекул-енантіомерів - "правообертальні" і "левовращающіе" - походить від їх здатності обертати площину поляризації світла в різних напрямках. Якщо лінійно поляризоване світло пропустити через розчин таких молекул, відбувається поворот площини його поляризації: за годинниковою стрілкою, якщо молекули в розчині праві, і проти - якщо ліві. А в суміші однакових кількостей D-і L-форм (вона називається "рацемат") світло збереже початкову лінійну поляризацію. Це оптичне властивість хіральних молекул вперше було виявлено Луї Пастером в 1848 році.

Цікаво, що майже всі природні білки складаються тільки з лівих амінокислот. Цей факт тим більше дивує, що при синтезі амінокислот в лабораторних умовах утворюється приблизно однакове число правих і лівих молекул. Виявляється, цією особливістю володіють не тільки амінокислоти, а й багато інших важливих для живих систем речовини, причому кожне має строго певний знак дзеркальної симетрії у всій біосфері. Наприклад, цукру, що входять до складу багатьох нуклеотидів, а також нуклеїнових кислот ДНК і РНК, представлені в організмі виключно правими D-молекулами. Хоча фізичні і хімічні властивості "дзеркальних антиподів" збігаються, їх фізіологічна активність в організмах різна: L-caxaра не засвоюються, L-фенілаланін на відміну від нешкідливих його D-молекул викликає психічні захворювання і т. Д.

згідно сучасними уявленнями про походження життя на Землі, вибір органічними молекулами певного типу дзеркальної симетрії послужив головною передумовою їх виживання і подальшого самовідтворення. Однак питання, як і чому стався еволюційний відбір того чи іншого дзеркального антипода, - до цих пір залишається однією з найбільших загадок науки.

Радянський вчений Л. Л. Морозов довів, що перехід до хіральної впорядкованості міг відбутися не еволюційно, а тільки при якомусь певному різкому фазовому зміну. Академік В. І. Гольданський назвав цей перехід, завдяки якому зародилося життя на Землі хіральної катастрофою.

Як же виникли умови для фазової катастрофи, що викликала хіральний перехід?

Найбільш важливим було те, що органічні сполуки плавилися при 800-1000 0С в земній корі, а верхні остигає до температури космосу, тобто абсолютного нуля. Перепад температури досягав 1000 ° С. В таких умовах органічні молекули плавилися під дією високої температури і навіть повністю руйнувалися, а верх залишався холодним, так як органічні молекули заморожувалися. Гази і пари води, які просочувалися з земної кори, міняли хімічний склад органічних сполук. Гази несли з собою тепло, через що межа плавлення органічного шару зміщувалася вгору і вниз, створюючи градієнт.

При дуже низькому тиску атмосфери вода була на земної поверхні лише у вигляді пари і льоду. Коли ж тиск досягало так званої потрійної точки води (0,006 атмосфери), вода вперше змогла перебувати у вигляді рідини.

Звичайно, лише експериментально можна довести, що саме викликало хіральний перехід: земні або космічні причини. Але так чи інакше в якийсь момент хіральні впорядковані молекули (а саме - левовращающіе амінокислоти і правообертальні цукру) виявилися більш стійкими і почався неспинним зростання їх кількості - хіральний перехід.

Літопис планети оповідає і про те, що тоді на Землі не було ні гір, ні западин. Напіврозплавленому гранітна кора представляла собою поверхню настільки ж рівну, як рівень сучасного океану. Однак в межах цієї рівнини все ж були зниження через нерівномірний розподіл мас усередині Землі. Ці зниження зіграли надзвичайно важливу роль.

Справа в тому, що плоскодонні западини поперечником в сотні і навіть тисячі кілометрів і глибиною не більше ста метрів, ймовірно, і стали колискою життя. Адже в них стікала вода, що збиралася на поверхні планети. Вода розбавляла хіральні органічні сполуки в Попільні шарі. Поступово змінювався хімічний склад з'єднання, стабілізувалася температура. Перехід від неживого до живого, що почався в безводних умовах, тривав уже в водному середовищі.

Хіба ж сюжет зародження життя? Найімовірніше, що так. В геологічному розрізі Ісуа (Західна Гренландія), вік якого 3,8 мільярда років, знайдені бензино і нефтеподобние з'єднання з ізотопним співвідношенням С12 / С13, властивим вуглецю фотосинтетичного походження.

Якщо біологічна природа вуглецевих з'єднань з розрізу Ісуа підтвердиться, то вийде, що весь період зародження життя на Землі - від виникнення хіральної органіки до появи клітини, здатної до фотосинтезу і розмноженню, - був пройдений лише за сто мільйонів років. І в цьому процесі величезну роль зіграли молекули води і ДНК.

Найдивовижніше в структурі води полягає в тому, що молекули води при низьких негативних температурах і високому тиску всередині нанотрубок можуть кристалізуватися у формі подвійної спіралі, що нагадує ДНК. Це було доведено комп'ютерними експериментами американських вчених під керівництвом Сяо Чен Цзена в Університеті штату Небраска (США).

ДНК є подвійною ланцюжок, скручену в спіраль.Кожна нитка складається з "цеглинок" - з послідовно з'єднаних нуклеотидів. Кожен нуклеотид ДНК містить одне з чотирьох азотистих основ - гуанін (G), аденін (A) (пурини), тимін (T) і цитозин (C) (піримідинів), пов'язане з дезоксирибозою, до останньої, в свою чергу, приєднана фосфатна група . Між собою сусідні нуклеотиди з'єднані в ланцюзі фосфодіефірних зв'язком, утвореної 3 "-гідроксільной (3" -ОН) і 5 "-фосфатной групами (5" -РО3). Це властивість обумовлює наявність полярності в ДНК, тобто протилежної спрямованості, а саме 5 "- і 3"-кінців: 5 "-кінців однієї нитки відповідає 3"-кінець другої нитки. Послідовність нуклеотидів дозволяє «кодувати» інформацію про різні типи РНК, найбільш важливими з яких є інформаційні, або матричні (мРНК), рибосомальні (рРНК) і транспортні (тРНК). Всі ці типи РНК синтезуються на матриці ДНК за рахунок копіювання послідовності ДНК в послідовність РНК, що синтезується в процесі транскрипції і беруть участь в найважливішому процесі життя - передачі і копіювання інформації (трансляції).

Первинна структура ДНК - це лінійна послідовність нуклеотидів ДНК в ланцюзі. Послідовність нуклеотидів у ланцюгу ДНК записують у вигляді буквеної формули ДНК: наприклад - AGTCATGCCAG, запис ведеться з 5 "- на 3"-кінець ланцюга ДНК.

Вторинна структура ДНК утворюється за рахунок взаємодій нуклеотидів (більшою мірою азотистих основ) між собою, водневих зв'язків. класичний приклад вторинної структури ДНК - подвійна спіраль ДНК. Подвійна спіраль ДНК - найпоширеніша в природі форма ДНК, що складається з двох полінуклеотидних ланцюгів ДНК. Побудова кожної нової ланцюга ДНК здійснюється за принципом комплементарності, тобто кожному азотистій підставі одного ланцюга ДНК відповідає строго певне підставу інший ланцюга: в комплемнтарной парі навпаки A варто T, а навпаки G розташовується C і т.д.

Щоб вода сформувала спіраль, на зразок, в моделируемом експерименті вона "містилася" в нанотрубки під високим тиском, що варіюються в різних дослідах від 10 до 40000 атмосфер. Після цього ставили температуру, яка мала значення -23 ° C. Запас в порівнянні з температурою замерзання води робився в зв'язку з тим, що з підвищенням тиску температура плавлення водяного льоду знижується. Діаметр нанотрубок становив від 1,35 до 1,90 нм.

Мал. Загальний вигляд структури води (зображення New Scientist)

Молекули води зв'язуються між собою за допомогою водневих зв'язків, відстань між атомами кисню і водню одно 96 пм, а між двома водню - 150 пм. У твердому стані атом кисню бере участь в утворенні двох водневих зв'язків з сусідніми молекулами води. При цьому окремі молекули H 2 O стикаються один з одним різнойменними полюсами. Таким чином, утворюються шари, в яких кожна молекула пов'язана з трьома молекулами свого шару і однією з сусіднього. В результаті, кристалічна структура льоду складається з шестигранних "трубок" з'єднаних між собою, як бджолині соти.

Мал. Внутрішня стінка структури води (зображення New Scientist)

Вчені очікували побачити, що вода у всіх випадках утворює тонку циліндричну структуру. Однак, модель показала, що при діаметрі трубки в 1,35 нм і тиску в 40000 атмосфер водневі зв'язку скривилися, привівши до утворення спіралі з подвійною стінкою. Внутрішня стінка цієї структури є скрученої в четвер спіраллю, а зовнішня складається з чотирьох подвійних спіралей, схожих на структуру молекули ДНК.

Останній факт накладає відбиток не тільки на еволюцію наших уявлень про воду, а й еволюцію раннього життя і самої молекули ДНК. Якщо припустити, що в епоху зародження життя кріолітние глинисті породи мали форму нанотрубок, виникає питання - чи не могла вода, сорбированная в них служити структурною основою (матрицею) для синтезу ДНК і зчитування інформації? Можливо, тому спіральна структура ДНК повторює спіральну структуру води в нанотрубках. Як повідомляє журнал New Scientist, тепер нашим закордонним колегам належить підтвердити існування таких макромолекул води в реальних експериментальних умовах з використанням інфрачервоної спектроскопії і спектроскопії нейтронного розсіювання.

К.х.н. О.В. Мосін

З 14 відомих на сьогоднішній день форм твердої води в природі ми зустрічаємо тільки одну лід. Решта утворюються в екстремальних умовах і для спостережень поза спеціальними лабораторій недоступні. Найбільш інтригуюче властивість льоду це дивовижне різноманіття зовнішніх проявів. При одній і тій же кристалічній структурі він може виглядати зовсім по-різному, приймаючи форму прозорих градин і бурульок, пластівців пухнастого снігу, щільною блискучою кірки фірна на сніжному полі або ж гігантських льодовикових мас.

У невеликому японському місті Кага, розташованому на західному березі острова Хонсю, є незвичайний музей. Снігу і льоду. Заснував його Укіхіро Накайя перша людина, яка навчилася вирощувати в лабораторії штучні сніжинки, такі ж гарні, як і ті, що падають з неба. У цьому музеї відвідувачів з усіх боків оточують правильні шестикутники, тому що саме така гексагональная симетрія властива кристалам звичайного льоду (до речі, грецьке слово kristallos, власне, і означає «лід»). Вона визначає багато унікальні його властивості і змушує сніжинки, при всьому нескінченному їх різноманітності, рости в формі зірочок з шістьма, рідше трьома або дванадцятьма променями, але ніколи з чотирма або п'ятьма.

Молекули в ажурі

Розгадка структури твердої води криється в будові її молекули. Н2О можна спрощено уявити собі у вигляді тетраедра (піраміди з трикутним підставою). У центрі знаходиться кисень, в двох вершинах за воднем, точніше протону, електрони яких задіяні в утворенні ковалентного зв'язку з киснем. Дві що залишилися вершини займають пари валентних електронів кисню, які не беруть участі в утворенні внутрішньомолекулярних зв'язків, чому їх називають неподіленими.

При взаємодії протона однієї молекули з парою неподіленого електронів кисню іншої молекули виникає воднева зв'язок, менш сильна, ніж зв'язок внутримолекулярная, але досить могутня, щоб утримувати поруч сусідні молекули. Кожна молекула може одночасно утворювати чотири водневі зв'язки з іншими молекулами під строго певними кутами, які не дозволяють при замерзанні створювати щільну структуру. Цей невидимий каркас з водневих зв'язків має молекули у вигляді ажурної сітки з порожніми каналами. Варто лід нагріти, як мереживо руйнується: молекули води починають провалюватися в порожнечі сітки, приводячи до більш щільній структурі рідини, ось чому вода важче льоду.

Лід, який утворюється при атмосферному тиску і плавиться при 0 ° С, саме звичне, але все ще не до кінця зрозуміле речовина. Багато що в його структурі і властивостях виглядає незвично. У вузлах кристалічної решітки льоду атоми кисню збудовані впорядковано, утворюючи правильні шестикутники, а ось атоми водню займають найрізноманітніші положення уздовж зв'язків. Така поведінка атомів взагалі-то нетипово як правило, в твердій речовині всі підкоряються одному закону: або всі атоми розташовані впорядковано, і тоді це кристал, або випадково, і тоді це аморфне речовина.

Лід важко розплавити, як би не дивно це звучало. Не будь водневих зв'язків, зчіплюються молекули води, він плавився б при 90 ° С. При цьому, замерзаючи, вода не зменшується в об'ємі, як це відбувається з більшістю відомих речовин, а збільшується за рахунок утворення ажурної структури льоду.

До «дивацтв» льоду відносять і генерацію електромагнітного випромінювання його зростаючими кристалами. Давно відомо, що більшість розчинених у воді домішок не передається льоду, коли він починає рости, простіше кажучи, виморожується. Тому навіть на самій брудній калюжі плівка льоду чиста і прозора. Домішки скупчуються на кордоні твердої і рідкої середовищ, у вигляді двох шарів електричних зарядів різного знака, які викликають значну різницю потенціалів. Заряджений шар домішок переміщається разом з нижньою межею молодого льоду і випромінює електромагнітні хвилі. Завдяки цьому процес кристалізації можна спостерігати в деталях. Так, кристал, що росте в довжину у вигляді голки, випромінює інакше, ніж покривається бічними відростками, а випромінювання зростаючих зерен відрізняється від того, що виникає, коли кристали тріскаються. За формою, послідовності, частоті і амплітуді імпульсів випромінювання можна визначити, з якою швидкістю замерзає лід і яка при цьому виходить льодова структура.

неправильний лід

У твердому стані вода налічує, за останніми даними, 14 структурних модифікацій. Є серед них кристалічні (їх більшість), є аморфні, але всі вони відрізняються один від одного взаємним розташуванням молекул води і властивостями. Правда, все, крім звичного нам льоду, утворюються в умовах екзотичних при дуже низьких температурах і високому тиску, коли кути водневих зв'язків в молекулі води змінюються і утворюються системи, відмінні від гексагональної. Наприклад, при температурі нижче 110 ° С водяні пари випадають на металевій пластині у вигляді октаедрів і кубиків розміром в декілька нанометрів це так званий кубічний лід. Якщо температура трохи вище 110 °, а концентрація пара дуже мала, на пластині формується шар виключно щільного аморфного льоду.

Дві останні модифікації льоду XIII і XIV відкрили вчені з Оксфорда зовсім недавно, в 2006 році. Передбачення 40-річної давності про те, що повинні існувати кристали льоду з моноклінної і ромбічної гратами, було важко підтвердити: в'язкість води при температурі 160 ° С дуже велика, і зібратися разом молекулам надчистої переохолодженої води в такій кількості, щоб утворився зародок кристала, важко. допоміг каталізатор соляна кислота, Яка підвищила рухливість молекул води при низьких температурах. У земній природі подібні модифікації льоду утворюватися не можуть, але їх можна пошукати на замерзлих супутниках інших планет.

Комісія вирішила так

Сніжинка це монокристал льоду, варіація на тему гексагонального кристала, але виріс швидко, в нерівноважних умовах. Над таємницею їх краси і нескінченного розмаїття не одне століття б'ються самі допитливі. Астроном Іоганн Кеплер в 1611 році написав цілий трактат «Про шестикутні сніжинки». У 1665 році Роберт Гук у величезному томі замальовок за все, що він побачив за допомогою мікроскопа, опублікував безліч малюнків сніжинок різної форми. Першу вдалу фотографію сніжинки під мікроскопом зробив в 1885 році американський фермер Уілсон Бентлі. З тих пір він вже не міг зупинитися. До кінця життя, сорок з гаком років, Бентлі фотографував їх. Понад п'ять тисяч кристалів, і жодного однакового.

Найзнаменитіші послідовники справи Бентлі це вже згаданий Укіхіро Накайя і американський фізик Кеннет Ліббрехт. Накайя вперше припустив, що величина і форма сніжинок залежать від температури повітря і вмісту в ньому вологи, і блискуче підтвердив цю гіпотезу експериментально, вирощуючи в лабораторії кристали льоду різної форми. А Ліббрехт у себе в і зовсім став вирощувати сніжинки на замовлення заздалегідь заданої форми.

Життя сніжинки починається з того, що в хмарі водяної пари при зниженні температури утворюються кристалічні зародки льоду. Центром кристалізації можуть бути пилинки, будь-які тверді частинки або навіть іони, але в будь-якому випадку ці крижинки розміром менше десятої частки міліметра вже мають гексагональну кристалічну решітку.

Водяна пара, конденсуючись на поверхні цих зародків, утворює спочатку крихітну гексагональную призму, з шести кутів якої починають зростати абсолютно однакові крижані голочки бічні відростки. Однакові просто тому, що температура і вологість навколо зародка теж однакові. На них в свою чергу виростають, як на дереві, бічні відростки гілочки. Подібні кристали так і називають дендритами, тобто схожими на дерево.

Пересуваючись вгору і вниз в хмарі, сніжинка потрапляє в умови з різною температурою і концентрацією водяної пари. Її форма змінюється, до останнього підкоряючись законам гексагональної симетрії. Так сніжинки стають різними. Хоча теоретично в одному хмарі на одній висоті вони можуть «зародитися» однаковими. Але шлях до землі у кожної свій, досить довгий в середньому сніжинка падає зі швидкістю 0,9 км на годину. А значить, у кожної своя історія і своя остаточна форма. Утворює сніжинку лід прозорий, але коли їх багато, сонячне світло, Відбиваючись і розсіюючись на численних гранях, створює у нас враження білому непрозорому маси ми називаємо її снігом.

Щоб не плутатися з різноманіттям сніжинок, Міжнародна комісія по снігу і льоду прийняла в 1951 році досить просту класифікацію кристалів льоду: пластинки, зірчасті кристали, стовпці або колони, голки, просторові дендрити, стовпці з наконечниками і неправильні форми. І ще три види зледенілих опадів: дрібна снігова крупка, крижана крупа і град.

Тим же законам підкоряється і зростання інею, паморозі та візерунків на склі. Ці явища, як і сніжинки, утворюються при конденсації, молекула за молекулою на землі, траві, деревах. Візерунки на вікні з'являються в мороз, коли на поверхні скла конденсується волога теплого повітря. А ось градини виходять при застиганні крапель води або коли в насичених водяною парою хмарах лід щільними шарами намерзає на зародки сніжинок. На градини можуть намерзати інші, вже сформувалися сніжинки, сплавляючись з ними, завдяки чому градини набувають химерних форм.

Нам на Землі досить і однієї твердої модифікації води звичайного льоду. Він буквально пронизує всі сфери існування або перебування людини. Збираючись у величезних кількостях, сніг і лід утворюють особливі структури з принципово іншими, ніж у окремих кристалів або сніжинок, властивостями. Гірські льодовики, крижані покриви акваторій, вічна мерзлота, та й просто сезонний сніговий покрив істотно впливають на клімат великих регіонів і планети в цілому: навіть ті, хто ніколи не бачив снігу, відчувають на собі подих його мас, що скупчилися на полюсах Землі, наприклад, у вигляді багаторічних коливань рівня Світового океану. А лід має настільки велике значення для вигляду нашої планети і комфортного проживання на ній живих істот, що вчені відвели для нього особливе середовище кріосферу, яка простягає свої володіння високо в атмосферу і глибоко в земну кору.

Ольга Максименко, кандидат хімічних наук

Як ми вже знаємо, речовина може існувати в трьох агрегатних станах: газоподібному, твердому і рідкому. Кисень, який при звичайних умовах знаходиться в газоподібному стані, при температурі -194 ° С перетворюється в рідину блакитного кольору, а при температурі -218,8 ° С перетворюється в снегообразную масу з кристалами синього кольору.

Температурний інтервал існування речовини в твердому стані визначається температурами кипіння і плавлення. Тверді речовини бувають кристалічними і аморфними.

У аморфних речовин немає фіксованої температури плавлення - при нагріванні вони поступово розм'якшуються і переходять в текучий стан. У такому стані, наприклад, знаходяться різні смоли, пластилін.

кристалічні речовини відрізняються закономірним розташуванням частинок, з яких вони складаються: атомів, молекул та іонів, - в суворо визначених точках простору. Коли ці точки з'єднуються прямими лініями, створюється просторовий каркас, його називають кристалічною решіткою. Точки, в яких знаходяться частинки кристала, називають вузлами решітки.

У вузлах уявної нами решітки можуть перебувати іони, атоми і молекули. Ці частинки здійснюють коливальні рухи. Коли температура збільшується, розмах цих коливань теж зростає, що призводить до теплового розширення тіл.

Залежно від різновиду частинок, що знаходяться у вузлах кристалічної решітки, і характеру зв'язку між ними розрізняють чотири типи кристалічних решіток: іонні, атомні, молекулярні і металеві.

іонними називають такі кристалічні решітки, у вузлах яких розташовані іони. Їх утворюють речовини з іонним зв'язком, якій можуть бути пов'язані як прості іони Na \u200b\u200b+, Cl-, так і складні SO24-, OH-. Таким чином, іонні кристалічні решітки мають солі, деякі оксиди і гідроксили металів, тобто ті речовини, в яких існує іонна хімічний зв'язок. Розглянемо кристал хлориду натрію, він складається з позитивно чергуються іонів Na + і негативних CL-, разом вони утворюють решітку у вигляді куба. Зв'язки між іонами в такому кристалі мають надзвичайну стійкість. Через це речовини з іонним гратами мають порівняно високу міцність і твердість, вони тугоплавкі і нелеткі.

атомними кристалічними гратами називають такі кристалічні решітки, у вузлах яких знаходяться окремі атоми. У подібних решітках атоми з'єднуються між собою дуже міцними ковалентними зв'язками. Наприклад, алмаз - одне з аллотропних видозмін вуглецю.

Речовини з атомної кристалічною решіткою не сильно поширені в природі. До них відносяться кристалічний бор, кремній і германій, а також складні речовини, наприклад такі, в складі яких є оксид кремнію (IV) - SiO 2: кремнезем, кварц, пісок, гірський кришталь.

Переважна більшість речовин з атомної кристалічною решіткою мають дуже високі температури плавлення (у алмазу вона перевищує 3500 ° С), такі речовини міцні і тверді, практично не розчинні.

молекулярними називають такі кристалічні решітки, у вузлах яких розташовані молекули. Хімічні зв'язку в цих молекулах можуть бути також, як полярними (HCl, H 2 0), так і неполярними (N 2, O 3). І хоча атоми всередині молекукл пов'язані дуже міцними ковалентними зв'язками, між самими молекулами діє слабкі сили міжмолекулярної тяжіння. Саме тому речовини з молекулярними кристалічними гратами характеризуються малою твердістю, низькою температурою плавлення, летючість.

Прикладами таких речовин можуть послужити тверда вода - лід, твердий оксид вуглецю (IV) - «сухий лід», тверді хлороводород і сірководень, тверді прості речовини, утворені одне - (благородні гази), двох - (H 2, O 2, CL 2 , N 2, I 2), трьох - (O 3), чотирьох - (P 4), восьміатомнимі (S 8) молекулами. Переважна більшість твердих органічних сполук мають молекулярними кристалічними гратами (нафталін, глюкоза, цукор).

blog.сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.