Молекулярные кристаллы. Кристаллы с водородной связью. Энергия решетки ионного кристалла

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Молекулярные кристаллы. Кристаллы с водородной связью. Энергия решетки ионного кристалла.

Структура кристаллов (кристаллические решетки).

Элементарные кристаллические структуры. Атомные радиусы. Полимеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

	Введение……………………………………………………………...
1	Молекулярные кристаллы…………………………………….……...4
2	Кристаллы с водородной связью…………………………….……….5
3	Энергия решетки ионного кристалла……………..............................5
4	Структура кристаллов  ………………………………………….……6
5	Элементарные кристаллические структуры………………………...8
6	Атомные радиусы, упаковка……………………………………….....9
7	Полимеры…………………………………………………..…………..10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Криста́ллы — твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку 

кристаллическую решётку.

Кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений, составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Молекулярные кристаллы
• Молекулярный кристалл — кристалл, образованный из молекул. Молекулы связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, внутри же молекул между атомами действует более прочная ковалентная связь. Молекулярные кристаллы образуют также некоторые простые вещества (водород, галогены, азот, кислород), бинарные соединения типа H_{2O, CO2, N2O4, металлоорганические соединения и некоторые комплексные соединения. К молекулярным кристаллам относятся и кристаллы полимеров, а также кристаллы белков, нуклеиновых кислот. Особым случаем молекулярных кристаллов являются кристаллы отвердевших инертны газов, в которых ван-дер-ваальсовы силы связывают между собой не молекулы, а атомы.}
• Свойства кристаллов.  Для типичных молекулярных кристаллов характерны низкие температуры плавления, большие коэффициенты теплового расширения, высокая  сжимаемость, малая твёрдость. В обычных условиях большинство молекулярных кристаллов — диэлектрики. Некоторые молекулярные кристаллы, например органические красители, — полупроводники.
• Фазовые превращения молекулярных кристаллов — плавление, возгонка, полиморфные переходы — происходят, как правило, без разрушения отдельных молекул.
• Наряду с обычными ван-дер-ваальсовыми взаимод. в молекулярные кристаллы наблюдаются направленные межмолекулярные взаимод., которые могут значительно повышать абс. величину энергии кристаллич. структуры. Наиб. распространенными из таких взаимод. является водородная связь (кристаллы льда, спиртов, карбоновых кислот, аминокислот и др.). Кроме того, известны, например, взаимод. между атомами галогенов соседних молекул, атомами металла, а также атомами металла и кислорода в хелатах. Межмолекулярные взаимод. влияют на тип упаковки молекул и часто приводят к сокращению межмол. контактов по сравнению с суммой ван-дер-ваальсо-вых атомных радиусов. Для типичных молекулярные кристаллы характерны низкие температуры плавления, большие коэф. теплового расширения, большая сжимаемость, малая твердость. Большинство молекулярные кристаллы при комнатной температуре-диэлектрики. У ряда М. к. (напр., орг. красителей) наблюдаются полупроводниковые свойства.
• Кристаллы с водородными связями.
• Этот тип химической связи возникает благодаря ионам водорода (протонам). Протон – это особый вид иона: у него вообще отсутствуют электроны, а потому он имеет чрезвычайно малые размеры. «Голый» протон способен связывать друг с другом два отрицательных иона, в частности отрицательные ионы фтора, кислорода и азота. Например, ион дифторида водорода HF2-, обладающий линейной структурой F-H+F-, обязан своей устойчивостью наличию протона, связывающего два отрицательных иона фтора. Водородные связи играют важную роль в молекулярной биологии (прежде всего в генетике), поскольку они участвуют в удержании двух цепей двойной спиральной структуры молекул ДНК. Эти связи существенны также в физике сегнетоэлектриков (например, дигидрофосфата калия KH2PO4) и в значительной мере ответственны за удивительные физические свойства воды и льда.
•   Энергия решетки ионного кристалла.
• Энергия решетки ионного кристалла -  это энергия (U), затрачиваемая на разрыв кристаллической решетки на ее составляющие с переносом на расстояние отсутствия взаимодействия, взятая с обратным знаком. Если решетка ионная, то это энергия разрыва на соответствующие ионы, если атомная или молекулярная, то это энергия разрыва на атомы, молекулы и т. д. Э. к. р. для молекулярных решеток это только небольшая часть энергии связей в решетке, так как связи атомов внутри молекул в нее не входят. Э. к. р. молекулярных решеток равна силам Ван-дер-Ваальса (см. Связь химическая ван-дер-ваальсова). В настоящее время установлено, что абс. большинство природных соединений, в частности кислородные, не являются ионными, а в лучшем случае полуионными и полуковалентными. В связи с этим многие выводы, построенные на основе использования Э. к. р., рассчитывавшиеся обычно как ионные, имеют незначительную ценность. Существует ряд методов расчета Э. к. р. для бинарных соединений: по круговому процессу Борна — Габера, по формуле Борна — Ланде и упрощенным ее вариантам — формулам Капустинского и др. По круговому процессу U_{i = Q + S + D + I — Е, где Ui — энергия решетки ионной; Q — теплота образования, S — теплота сублимации, D — энергия диссоциации, I — энергия ионизации и E — 009000000энергия сродства к электрону.}
• Структура кристаллов
• Кристаллическая структура, расположение атомов кристаллического вещества в пространстве. Наиболее характерное свойство кристаллической структуры - трехмерная периодичность. Обычно, говоря о кристаллической структуре, подразумевают среднее во времени расположение атомных ядер (так называемую статическую модель); более полная информация включает сведения об амплитудах и частотах колебаний атомов (динамическую модель), а также о распределении электронной плотности в межъядерном пространстве. Изучение кристаллической структуры и их связи со свойствами веществ составляет предмет кристаллохимии.
• Геом. характеристики кристаллической структуры, данные о распределении электронной плотности, амплитуды колебаний атомов (точнее, среднеквадратичные смещения от положений равновесия) находят с помощьюдифракционных методов исследования (рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и электронографии кристаллов), частоты колебаний - методами спектроскопии (ИК, комбинац. рассеяния, неупругого рассеяния нейтронов). 
• Моделирование кристаллической структуры Идеальная кристаллическая структура характеризуется бесконечной пространств. решеткой, т.е. состоит из идентичных элементарных ячеек. Последние имеют форму параллелепипедов со сторонами а, b, с и углами a, b, g (параметры решетки) и соприкасаются целыми гранями. В реальных кристаллах кристаллическая структура всегда искажена дефектами, а также наличием поверхности кристалла. Иногда вместо термина "кристаллическая структура" употребляют термин "кристаллическая решетка"; предпочтительнее, однако, придавать последнему иное содержание.  
  
• Чтобы описать статическую модель кристаллическая структура, необходимо указать ее симметрию, выражаемую одной из пространственных (федоровских) групп, параметры решетки и координаты атомных ядер в ячейке; эти данные позволяют вычислить межатомные расстояния и валентные углы. Первичная трактовка такой модели при наличии между атомами ковалентных связей состоит в том, что атомы соединяют валентными штрихами в соответствии с классической теорией химического строения. Межатомные расстояния указывают правильный способ проведения валентных штрихов: обычно расстояние А — В, соответствующее ковалентной связи, существенно короче, чем кратчайшее расстояние между валентно не связанными атомами А и В. Если ковалентные связи отсутствуют (превалируют ионные, металлические или ван-дер-ваальсовы межатомные взаимодействия), модель кристаллическая структура представляют в виде плотной упаковки.
• Французский кристаллограф О. Браве в 1848 г. положил начало геометрической теории структуры кристаллов и показал, что в зависимости от соотношения величин и взаимной ориентации ребер элементарной кристаллической ячейки может существовать 14 типов кристаллических решеток, которые получили название решеток Браве.  
  Различают примитивные (простые), базоцентрированные, объемноцентрированные и гранецентрированные решетки Браве. Если узлы кристаллической решетки расположены только в вершинах параллелепипеда, представляющего собой элементарную ячейку, то такая решетка называется примитивной или простой. Если же, кроме того, имеются узлы в центре основания параллелепипеда, то решетка называется базоцентрированной, если есть узел в месте пересечения пространственных диагоналей — решетка называется объемноцентрированной, а если имеются узлы в центре всех боковых граней — гранецентрированной.  
  Почти половина всех элементов образует кристаллы кубической или гексагональной симметрии, которые мы рассмотрим подробно. В кристаллах кубической системы возможны три решетки: простая, объемноцентрированная и гранецентрированная. В кубической системе все углы элементарной ячейки прямые и все ребра ее равны между собой. Элементарная ячейка гексагональной системы представляет собой прямую призму, в основании которой лежит ромб с углами 60 и 120°. Два угла между осями ячейки прямые, а один равен 120°. 
• Элементарные кристаллические структуры
• При рассмотрении кристаллической решетки принимают следующие условия: 1) кристалл бесконечен; 2) кристаллы образованы атомами; 3) центры атомов будем называть узлами кристаллической решетки; Кристаллическая решетка – решетка, составленная тремя системами параллельных линий, проходящих через центр атомов. Весьма удобно распределение атомов в кристалле изображать в виде пространственных схем, так называемых элементарных кристаллических решетках(ячейках). Под элементарными кристаллическими решетками понимают наименьший комплекс атомов, которые при многократном повторении в пространстве позволяет получить пространственную кристаллическую решетку. Отрезки, при переносе через которые кристалл совмещается сам собой, называется периодом (параметром) кристаллической решетки. Для описании кристалл. В целом необходимо знать знать периоды, через которые решетка совмещается и знать углы этих направлений. В зависимости от соотношений углов и периодов образуется 7 симгоний (одинаковых углов)
• Структура  алмаза . 
  В структурном типе алмаза кристаллизуются важнейшие элементарные полупроводники — германий, кремний, серое олово.  Тип ячейки Браве — гранецентрированная кубическая (ГЦК). Атомы углерода занимают все узлы ГЦК-ячейки, а также центры половины октантов, на которые можно разѐؑ‘̠куб, причем заполненные и незаполненные октанты чередуются в шахматном порядке. Это выглядит так, как если бы в элементарную ГЦК-ячейку вдвинули вторую такую же ячейку, так, что узел одной ячейки совпадает с узлом 4144 другой ячейки. Каждый атом окружен четырьмя такими же атомами, располагающимися по вершинам тетраэдра. Расположение атомов таково, что каждый из них окружен четырьмя равноотстоящими ближайшими атомами, к.ч. = 4, к.м. — тетраэдр.
• Атомные радиусы, упаковка.
• Атомные радиусы - характеристики, позволяющие приближенно оценивать межатомные (межъядерные) расстояния в молекулах и кристаллах.
• Под эффективным радиусом атома или иона понимается радиус сферы его действия, причем атом (ион) считается несжимаемым шаром. Используя планетарную модель атома, его представляют как ядро, вокруг которого по орбиталям вращаются электроны. Последовательность элементов в Периодической системе Менделеева соответствует последовательности заполнения электронных оболочек. Эффективный радиус иона зависит от заполненности электронных оболочек, но он не равен радиусу наружной орбиты. Для определения эффективного радиуса представляют атомы (ионы) в структуре кристалла как соприкасающиеся жесткие шары, так что расстояние между их центрами равно сумме радиусов. Атомные и ионные радиусы определены экспериментально по рентгеновским измерениям межатомных расстояний и вычислены теоретически на основе квантово-механических представлений.
• Атомный радиус химического элемента зависит от координационного числа. Увеличение координационного числа всегда сопровождается увеличением межатомных расстояний. При этом относительная разность значений атомных радиусов, соответствующих двум разным координационным числам, не зависит от типа химической связи (при условии, что тип связи в структурах со сравниваемыми координационными числами одинаков). Изменение атомных радиусов с изменением координационного числа существенно сказывается на величине объемных изменений при полиморфных превращениях. Например, при охлаждении железа, его превращение из модификации с гранецентрированной кубической решеткой в модификацию с объемно-центрированной кубической решеткой имеющее место при 906 ^{оС, должно сопровождаться увеличением объема на 9%, в действительности увеличение объема составляет 0,8%. Это связано с тем, что за счет изменения координационного числа от 12 до 8 атомный радиус железа уменьшается на 3%.}
• Полимеры
• Полиме́ры (греч. πολύ- — много; μέρος — часть) — неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимер — это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико. Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются. Как правило, полимеры — вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов
• В строении полимера можно выделить мономерное звено — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (—СН_{2—CHCl—)n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами.}
• Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.