Условие задачи
Чем по строению и свойствам кристаллические решётки металлов отличаются от ионных и атомных кристаллических решёток?
Решение
Ниже приведён подробный разбор вопроса с точки зрения физики твёрдого тела и материаловедения.
1. Обычно кристаллические решётки металлов, ионные и атомные (ковалентные) кристаллические решётки рассматриваются в рамках исследований структуры вещества, где ключевую роль играют тип межатомного (или межионического) взаимодействия, электрическая проводимость, механические свойства и тип упаковки частиц.
2. Структура и характер связи:
• Металлы.
– Строение: Кристаллическая решётка металлов состоит из ионов-ядров, погружённых в «морской» или «облако» свободных валентных электронов. Такая упаковка позволяет ионам занимать компактные формы, например, кубическую гранёчатую, объёмно-центрированную кубическую, гексагональную упаковку и др.
– Свойства:
▪ Электроны могут легко перемещаться, что объясняет высокую электрическую и тепловую проводимость.
▪ Связи ненаправленные (электростатическое притяжение между положительными ядрами и «облаком» электронов не зависит от направления), поэтому кристаллическая решётка легко изменяется под внешним действием: металлы обладают высокой пластичностью и ковкостью.
▪ Низкая энергия деформации, что позволяет металлам хорошо проводить деформации без разрушения кристаллической решётки.
• Ионные кристаллы.
– Строение: В кристаллических решётках ионных соединений ионы располагаются в строго определённом порядке с чередованием зарядов (например, Na⁺ и Cl⁻ в натрий хлориде). Структура определяется правилом наименьшего отталкивания между одноименными зарядами и максимальной близостью противоположных зарядов.
– Свойства:
▪ Основная связь – ионная, обусловленная кулоновским (электростатическим) взаимодействием между ионами.
▪ Такие кристаллы характеризуются высокой температурой плавления, высокой механической прочностью при малых нагрузках, однако при приложении смещающих сил они обычно хрупкие, так как смещение ионов может привести к столкновению однородно заряженных частиц и возникновению отталкивания.
▪ В твёрдом состоянии ионные кристаллы плохие проводники электричества, так как ионы закреплены в решётке. В расплавленном состоянии или растворе возможна ионная проводимость.
• Атомные (ковалентные) кристаллы.
– Строение: Атомы связаны посредством сильных направленных ковалентных связей, образуя непрерывную трёхмерную сеть (например, алмаз – кристаллический модификатор углерода, кремний в кремниевых кристаллах).
– Свойства:
▪ Из-за строгой определённости направления ковалентных связей кристаллическая решётка атомных кристаллов имеет высокую твёрдость и высокую температуру плавления.
▪ Обычно такие соединения являются диэлектриками, поскольку электронная локализация не позволяет свободного перемещения зарядов.
▪ Эти кристаллы крайне хрупкие: при приложении сильного механического напряжения разрушается большая часть системы ковалентных связей.
3. Сравнительный вывод:
– Основное различие металлических решёток от ионных и атомных кристаллических решёток заключается в типе химической связи. В металлах преобладает металлическая связь с наличием «облачных» электронов, в ионных кристаллах – ионная (электростатическая) связь, а в атомных (ковалентных) – ковалентная связь с направленностью.
– Благодаря металлическому характеру связи металлы обладают высокой пластичностью, ковкостью и хорошей проводимостью тепла и электричества. Ионные кристаллы, несмотря на высокую температуру плавления, являются хрупкими и в твёрдом состоянии не проводят электричество. Атомные кристаллы характеризуются высокой прочностью и температурой плавления, но также хрупкостью и диэлектрическими свойствами.
Таким образом, кристаллические решётки металлов отличаются от ионных и атомных прежде всего наличием «электронного моря» в металлической связи, что приводит к высокой пластичности, ковкости и проводимости, в то время как ионные решётки демонстрируют высокую кристаллическую прочность, но склонны к хрупкости из-за направленных кулоновских сил, а атомные (ковалентные) кристаллические решётки – к высокому значению температур плавления и твёрдости, но также хрупкости и диэлектричности из-за жёсткого направления ковалентных связей.