CIAŁA KRYSTALICZNE: BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, RODZAJE, PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

Te krystaliczne substancje stałe, to takie, których mikroskopowej struktury są sortowane i wypełniają charakterystyczny wzorzec dla danej siatki; na przykład: m.in. sześcienny, sześciokątny, trójskośny, romboedryczny.

Mówi się, że te ciała stałe istnieją jako kryształy, ukazując fasetki i wzory geometryczne, które odzwierciedlają ich uporządkowanie w środku. Innymi przykładami krystalicznych ciał stałych są diament, kwarc, antracen, suchy lód, chlorek potasu lub tlenek magnezu.

Krystalicznie czysta kostka brązowego cukru. Źródło: Pixabay.

Dobrze znaną parą krystalicznych ciał stałych jest cukier i sól (NaCl). Na pierwszy rzut oka oba mają białe kryształy; ale ich właściwości ogromnie się różnią. Cukier jest molekularną krystaliczną substancją stałą, podczas gdy sól jest jonową krystaliczną substancją stałą. Pierwsza składa się z cząsteczek sacharozy; a drugi ^- jony Na ⁺ i Cl ^- .

Powyższy obrazek daje wgląd w to, jak jasne mogą być kryształy cukru. Jednak kryształy soli nie są daleko w tyle. Chociaż cukier i sól wydają się braćmi, ich budowa jest inna: cukier, którym jest sacharoza, ma strukturę jednoskośną; podczas gdy sól, struktura sześcienna.

Struktura krystaliczna chlorku sodu NaCl

Cukier puder i sól (lukier) pozostają krystalicznie czyste; jego kryształy stały się tylko o wiele mniejsze dla naszych oczu. Zatem krystaliczność ciała stałego jest definiowana bardziej przez jego wewnętrzną strukturę niż przez jego wygląd zewnętrzny lub jasność.

Struktura krystalicznych ciał stałych

Uporządkowane struktury krystalicznych ciał stałych. Źródło: Gabriel Bolívar.

Krystaliczne ciała stałe mają uporządkowaną strukturę. Ich cechy geometryczne będą zależały od rodzaju sieci krystalicznej, do której należą, która z kolei jest rzutowana na zewnątrz w postaci kryształu (układ krystaliczny). Górny obraz ilustruje dwie ważne koncepcje takich struktur: okresowość i ziarna krystaliczne.

Przestrzenne uporządkowanie cząstek krystalicznego ciała stałego jest okresowe; to znaczy, powtarza się w kółko we wszystkich kierunkach. Tworzy to własny wzór strukturalny dla każdej sieci stałej i krystalicznej; na przykład w tym miejscu sól i cukier zaczynają się różnicować, wykraczając poza ich chemiczny charakter.

Romb w A jest ułożony tak, aby tworzył większy romb. Każdy fioletowy romb reprezentuje cząsteczkę lub zestaw cząstek (atomów, jonów lub cząsteczek). Zatem można oczekiwać, że makroskopowy kryształ A będzie miał wygląd romboedryczny.

Tymczasem w B romb są ułożone w taki sposób, że tworzą krystaliczne ziarna; są to bardzo małe kryształy (krystality). B jest wtedy określane jako polikrystaliczne ciało stałe; to znaczy, że jest utworzony przez aglomerację wielu krystalitów.

Podsumowując, ciało stałe może być po prostu krystaliczne (A) lub polikrystaliczne (B); A tworzy kryształy, a B polikryształy.

Nieruchomości

Właściwości krystalicznych ciał stałych zależą od ich rodzaju kryształu. Wiadomo już, że ich struktury są uporządkowane, a także mają tendencję do prezentowania jasnych cech, w których zakochują się miłośnicy minerałów. Jednakże wspomniano, że sproszkowane ciało stałe, nawet „wyłączone”, można również sklasyfikować jako krystaliczne.

Sposób, w jaki ich cząstki są zorientowane przestrzennie, pozwala im mieć pewne ważne właściwości dla ich charakterystyki. Na przykład krystaliczne ciała stałe są zdolne do dyfrakcji promieni rentgenowskich, tworząc widma dyfrakcyjne, na podstawie których można określić mikroskopową strukturę kryształu.

Ponadto, ponieważ struktura jest okresowa, ciepło rozchodzi się w ten sam sposób przez ciało stałe; o ile nie ma zanieczyszczeń. Zatem temperatury topnienia krystalicznej substancji stałej są stałe i nie zmieniają się bez względu na sposób ich pomiaru.

Rodzaje krystalicznych ciał stałych

Typy krystalicznych ciał stałych zależą od rodzaju cząstek, z których są zbudowane i jakie są ich interakcje lub wiązania. Istnieją zasadniczo cztery typy: sieci jonowe, metaliczne, molekularne i kowalencyjne.

Nawet gdy zawierają pewien stopień zanieczyszczeń, nadal pozostają krystaliczne, mimo że wpływa to na ich właściwości i nie wykazują takich samych wartości, jakich oczekuje się dla czystej substancji stałej.

Joniki

Sól jest przykładem jonowego krystalicznego ciała stałego, ponieważ składa się z jonów Na ⁺ i Cl ^- . Dlatego w tego typu ciałach stałych rządzi wiązanie jonowe: to siły elektrostatyczne rządzą porządkiem strukturalnym.

Metaliczny

Wszystkie atomy metalu tworzą metaliczne kryształy. Oznacza to, że na przykład srebrny widelec jest konglomeratem stopionych srebrnych kryształów. Struktura wewnętrzna lub mikroskopijna jest taka sama w każdym calu przedmiotu i pozostaje niezmieniona od uchwytu widelca do czubka zębów.

Molekularny

Cukier jest przykładem molekularnej krystalicznej substancji stałej, ponieważ składa się z cząsteczek sacharozy. Dlatego tego typu ciało stałe składa się z cząsteczek, które poprzez swoje interakcje międzycząsteczkowe (a nie wiązania kowalencyjne) tworzą uporządkowaną strukturę.

Sieci kowalencyjne

Wreszcie mamy krystaliczne ciała stałe sieci kowalencyjnych. Dominują w nich wiązania kowalencyjne, które odpowiadają za ustalenie porządku i utrzymanie silnego unieruchomienia atomów w odpowiednich pozycjach przestrzennych. Nie mówimy o jonach, atomach czy cząsteczkach, ale o trójwymiarowych sieciach.

Przykłady

Na koniec przytoczę kilka przykładów dla każdego z typów krystalicznych ciał stałych.

Joniki

Wszystkie sole są jonowymi ciałami stałymi. Podobnie istnieją siarczki, wodorotlenki, tlenki, halogenki i inne związki, które również składają się z jonów lub ich interakcje są zasadniczo jonowe. Więc mamy:

-KCl

-Przypadek ₄

-Ba (OH) ₂

-Przypadek ₄

-FeCl ₃

-Na ₂ S

-MgO

-CaF ₂

-NaHCO ₃

- (NH ₄ ) ₂ CrO ₄

Oprócz tych przykładów zdecydowana większość minerałów jest uważana za jonowe krystaliczne ciała stałe.

Metaliczny

Każdy pierwiastek metaliczny występuje naturalnie w postaci metalicznych kryształów. Niektórzy z nich są:

-Miedź

-Żelazo

-Aluminium

-Chrom

-Metalowy wodór (pod niewyobrażalnym ciśnieniem)

-Wolfram

-Cyrkon

-Tytan

-Magnez

-Sód

Molekularny

Istnieje wiele różnych molekularnych krystalicznych ciał stałych. Praktycznie każdy zestalający się związek organiczny może tworzyć kryształy, jeśli jego czystość jest wysoka lub jeśli jego struktura nie jest zbyt skomplikowana. Więc mamy:

-Lód (H ₂ O)

-Suchy lód (CO ₂ )

-I ₂

-P ₄

-S ₈ (i jego polimorfy)

-Antracen

-Stały tlen

-Solidny amoniak

-Fenoloftaleina

-Kwas benzoesowy

Sieci kowalencyjne

I wreszcie wśród niektórych krystalicznych ciał stałych sieci kowalencyjnych mamy:

-Diament

-Grafit

-Nanorurki węglowe

-Fullerenos

-Kwarc

-Krzem

-German

-Azotek boru

Z tej listy nanorurki i fulereny węglowe można również uznać za molekularne krystaliczne ciała stałe. Dzieje się tak dlatego, że chociaż składają się z kowalencyjnie związanych atomów węgla, definiują jednostki, które można wizualizować jako makrocząsteczki (piłki i rurki).

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia (8th ed.). CENGAGE Learning.
2. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2020). Kryształ. Odzyskane z: en.wikipedia.org
4. Chemistry LibreTexts. (16 czerwca 2019). Krystaliczne i amorficzne ciała stałe. Odzyskane z: chem.libretexts.org
5. Rachel Bernstein i Anthony Carpi. (2020). Właściwości ciał stałych. Odzyskany z: visionlearning.com