Кристаллические решетки

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).

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

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.

Коэффициент теплопроводности Лямбда. Что это такое?

Коэффициент λ (лямбда) — это, пожалуй, наиболее важный параметр всех теплоизоляционных материалов. Его значение указывает на то, сколько тепла материал может пропускать через себя. То есть его показатель теплопроводности.

Чем ниже значение коэффициента λ (лямбда), тем меньше проводимость материала и, следовательно, он лучше изолирован от тепловых потерь. Это означает, что при одинаковых условиях больше тепла будет проходить через вещество с большей теплопроводностью.

Как же высчитывается этот коэффициент? Согласно второму закону термодинамики, тепло всегда уходит в область более низкой температуры. Для тела в форме теплопроводного кубоида в стационарных условиях количество передаваемого тепла зависит от вещества, пропорционально поперечному сечению тела, разности температур и времени теплопередачи.

Таким образом формула расчет будет выглядеть так:

• λ (лямбда) — коэффициент теплопроводности;
• ΔQ — количество тепла, протекающего через тело;
• t — время;
• L — длина тела;
• S — площадь поперечного сечения корпуса;
• ΔT — разность температур в направлении теплопроводности;
• d — толщина перегородки.

За единицу измерения теплопроводности принимается система СИ — [Вт / (м · К)]. Она выражает количество теплового потока через единицу поверхности материала заданной толщины, если разница температур между двумя его сторонами составляет 1 Кельвин. Измеряют все эти показатели в специальных строительных лабораториях.

Основные типы химических элементов

Основные типы химических элементов представлены в периодической таблице, системе классификации, созданной русским химиком Дмитрием Менделеевым (1834–1907), заложившим ее основы в 1869 году. Химические элементы визуально упорядочены в зависимости от их свойств и характеристик.

С течением времени и по мере того, как химия сделала важные научные открытия, эта таблица будет последовательно расширяться, достигнув той формы, которую она имеет сегодня, с 118 известными до сих пор элементами.

В настоящее время в этой таблице мы можем найти следующие типы химических элементов:

Металлы

Металлы — это химические элементы, которые, как правило, содержат от одного до трех электронов на последней орбите своего атома, электроны, которые можно легко переносить, превращая их в проводники тепла и электричества.

Металлы обычно податливы и пластичны, с характерным блеском, интенсивность которого зависит от движения электронов, составляющих их атомы. В большинстве случаев металлы остаются твердыми при комнатной температуре, за исключением ртути.

Среди металлов мы находим золото (Au), серебро (Ag), медь (Cu) и алюминий (Al), физические характеристики которых делают их великолепными проводниками электричества, хотя их присутствие в природе очень разнообразно, что отражается в разнице между их массами.

Считается, что 75% химических элементов, существующих в природе — это металлы, а остальные 25% будут состоять из благородных газов, металлоидов и других типов.

В этой категории есть классификации, обнаруживающие актиниды, лантаноиды, переходные металлы, щелочные металлы, щелочноземельные металлы и другие металлы.

Лантаноиды

Элементы лантаноидов находятся в месторождениях, состоящих из многих минералов. Это металлы белого цвета, которые легко окисляются при контакте с воздухом. Среди них мы находим лантан (La), прометий (Pm), европий (Eu) и иттербий (Yb).

Актиниды

Все изотопы актинидов радиоактивны. Среди них мы находим актиний (Ac), уран (U), плутоний (Pu) и эйнштейний (Es).

Переходные металлы

Переходные металлы расположены в центральной части периодической системы. Их основная характеристика состоит в том, что они имеют электронную конфигурацию «d» -орбитали, частично заполненную электронами.

В этой группе есть вещества всех видов, и, согласно ее самой широкой классификации, она будет соответствовать химическим элементам от 21 до 30, от 39 до 48, от 71 до 80 и от 103 до 112, всего сорок и среди них мы найдем ванадий (V), рутений (Ru), серебро (Ag), тантал (Ta) и лоуренсий (Lr).

Щелочные металлы

Щелочные металлы — это группа из шести элементов, состоящая из лития (Li), натрия (Na), калия (K), рубидия (Rb), цезия (Cs) и франция (Fr). Это блестящие мягкие металлы, обладающие высокой реакционной способностью при нормальной температуре и давлении и легко теряющие внешний электрон, расположенный на своей «s» орбитали.

Щелочные почвы

Щелочноземельные металлы — это группа элементов, в которых мы находим бериллий (Be), магний (Mg), кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) и радий (Ra).

Щелочные почвы тверже щелочей, они блестят и являются хорошими проводниками электричества. Они менее реактивны, чем щелочные, и действуют как хорошие восстановители. Они обладают способностью образовывать ионные соединения, и все они имеют два электрона на внешней оболочке.

Другие металлы

Это металлические элементы, расположенные в периодической таблице вместе с металлоидами внутри p-блока. Они имеют тенденцию быть мягкими с низкими температурами плавления. Среди них алюминий (Al), индий (In), олово (Sn) и висмут (Bi) среди других.

Не металлы

Неметаллы обычно имеют от пяти до семи электронов на последней орбите, свойство, которое заставляет их приобретать электроны, а не отдавать их, и, таким образом, им удается иметь восемь электронов, которые таким образом стабилизируют их как атомы.

Эти элементы очень плохо проводят тепло и электричество. К тому же они не имеют характерного блеска, не очень пластичны и очень хрупки в твердом состоянии. Их нельзя катать или растягивать, в отличие от металлов.

Большинство из них необходимы для биологических систем, поскольку они присутствуют в органических соединениях, таких как сера (S), углерод (C), кислород (O), водород (H) и йод (I).

Металлоиды

Металлоиды представляют собой промежуточную классификацию между металлами и неметаллами, обладающими свойствами обеих групп. Это связано с тем, что на последней орбите у них четыре атома, что является промежуточным количеством по сравнению с металлами и неметаллами.

Эти химические элементы проводят электричество только в одном направлении, но не в обратном, как в металлах. Примером этого является кремний (Si), металлоид, используемый в производстве полупроводниковых элементов для электронной промышленности благодаря этому свойству.

Другие металлоиды: бор (B), мышьяк (As), сурьма (Sb) и полоний (Po).

Галогены

Галогены — это группа из шести элементов, которые имеют тенденцию образовывать молекулы, состоящие из двух (двухатомных) атомов, которые очень химически активны из-за своей электроотрицательности.

Эти вещества обычно появляются в виде ионов, то есть электрически заряженных молекул, которые в данном случае являются однозначными, сильно окисляющими. Это означает, что галогены являются едкими веществами.

Галогены: фтор (F), хлор (Cl), бром (Br), йод (I), астат (At) и тенезе (Ts).

Благородные газы

Благородные газы — это группа из семи газов, естественное состояние которых — газообразное. Обычно они представляют собой двухатомные молекулы с очень низкой реакционной способностью, то есть они не вступают в реакцию с другими элементами, составляющими другие вещества, и по этой же причине они известны как инертные газы. Это потому, что на его последней орбите находится максимальное количество электронов, возможное для этого уровня, всего восемь.

Эта избранная группа элементов состоит из гелия (He), неона (Ne), аргона (Ar), криптона (Kr), ксенона (Xe), радона (Rn) и оганесона (Og), ранее известного как унунокций.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Характеристика металлов IIIA группы

Представители —В, Al, Ga, In, Tl. Бор в этой подгруппе — единственный неметалл. Заряд ядер атомов возрастает от 5 у бора до 81 у таллия. Атомный радиус в том же порядке увеличивается с 0,091 до 0,171 нм. Электроотрицательность снижается с 2,04 до 1,44.

Для электронной конфигурации металлов IIIA группы характерно наличие двух спаренных s-электронов и одного р-электрона. В «реальном» атоме все электроны внешнего энергетического уровня выравниваются по форме и энергии в результате sp2-гибридизации. Характерные валентность, степень окисления и заряд ионов в этой группе — III(+), +3, 3 + соответственно. Изменения свойств представлены в схеме 1.

Схема 1. Характеристика IIIA группы

Простые вещества имеют металлический блеск, серебристо-белый цвет. Они относительно легкоплавкие и мягкие. Лист или проволока из алюминия легко сгибаются, а индий — один из самых мягких металлов. Талий не только мягкий, но и твердеет при низкой температуре около –60°С.

Эка-таллий или нихоний — относительно недавно открытый, еще недостаточно изученный элемент IIIA группы.

Свойства галлия и индия близки к химии алюминия. Причина — одинаковое строение внешнего энергетического уровня. Алюминий имеет высокие тепло- и электропроводность.

Общие свойства металлов IА–IIIА групп ПС обусловлены сходством в электронном строении внешних электронных оболочек. Радиусы атомов и свойства закономерно изменяются. Более сильные металлические элементы — последние представители в группах. Самые сильные металлы относятся к IА группе. К IIIА группе металлические свойства ослабевают.

Свойства

Строение кристаллической решётки определяет основные физические и химические свойства металлов. Металлы блестят, плавятся, проводят тепло и электричество. Промышленность и металлургия нашли применение физическим свойствам металлов в изготовлении деталей, фольги, корпусов машин, зеркал, бытовой и промышленной химии. Особенности металлов и их использование представлены в таблице физических свойств металлов.

Свойства

Особенности

Примеры

Применение

Способность отражать солнечный свет

Наиболее блестящими металлами являются Hg, Ag, Pd

Лёгкие – имеют плотность меньше 5 г/см 3

Na, K, Ba, Mg, Al. Самый лёгкий металл – литий с плотностью 0,533 г/см 3

Изготовление облицовки, деталей самолётов

Тяжёлые – имеют плотность больше 5 г/см 3

Sn, Fe, Zn, Au, Pb, Hg. Самый тяжёлый – осмий с плотностью 22,5 г/см 3

Использование в сплавах

Способность изменять форму без разрушений (можно раскатать в тонкую фольгу)

Наиболее пластичные – Au, Cu, Ag. Хрупкие – Zn, Sn, Bi, Mn

Формовка, сгибание труб, изготовление проволоки

Мягкие – режутся ножом

Изготовление мыла, стекла, удобрений

Твёрдые – сравнимы по твёрдости с алмазом

Самый твёрдый – хром, режет стекло

Изготовление несущих конструкций

Легкоплавкие – температура плавления ниже 1000°С

Производство радиотехники, жести

Тугоплавкие – температура плавления выше 1000°С

Cr (1890°С), Mo (2620°С), V (1900°С). Наиболее тугоплавкий – вольфрам (3420°С)

Изготовление ламп накаливания

Способность передавать тепло другим телам

Лучше всего проводят ток и тепло Ag, Cu, Au, Al

Приготовление пищи в металлической посуде

Способность проводить электрический ток за счёт свободных электронов

Передача электричества по проводам

Рис. 3. Примеры применения металлов.

6. Калий (63,5°C)

Близкий родственник натрия — калий. Элемент №19 (Kalium) также бурно реагирует с водой, образуя щёлочь, и также легкоплавок — 63,5°C. А вот съедобных соединений калия почти нет, и в этом он полная противоположность натрию. Хотя в ограниченно малых количествах организму всё-таки необходим (микроэлемент).

В чистом виде калий практического применения не имеет. Но его многочисленные соединения с древних времён известны как удобрения, моющие средства, важные компоненты многих химических процессов.

Теплопроводность

Теплопроводность – это способность физического вещества проводить тепло от нагретых частей к более холодным. Вода, как и другие вещества, обладает таким свойством. Передача тепла происходит либо от молекулы к молекуле H 2 O, что представляет собой молекулярный тип теплопроводности, либо при перемещении потоков жидкости – турбулентный тип.

Теплопроводность воды в несколько раз выше, чем у других жидких веществ, за исключением расплавленных металлов – у них этот показатель еще более высокий.

Способность воды проводить тепло зависит от двух факторов: давления и температуры. При увеличении давления показатель проводимости растет, при повышении температуры до 150 °C растет, затем начинает снижаться.

Почему вода в бассейне кажется нам холодной

Теплопроводность воды в несколько десятков раз превышает это значение у воздуха. Когда человек погружается в воду или же просто обливается ею, теплопотеря возрастает, поэтому ему становится гораздо холоднее, чем на воздухе такой же температуры. Это видно на примерах, приведенных в таблице: