Твердые вещества бывают аморфные или кристаллические (чаще всего имеют кристаллическое строение).
Кристаллическое строение характеризуется правильным расположением частиц в определенных точках пространства. При соединении этих точек воображаемыми прямыми линиями образуется так называемая кристаллическая решетка. Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки.
В узлах кристаллической решетки могут находиться ионы, атомы или молекулы.
В зависимости от вида частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные и металлические.
Ионная решетка
Эту решетку образуют все вещества с ионным типом связи — соли, щелочи, бинарные соединения активных металлов с активными неметаллами (оксиды, галогениды, сульфиды), алкоголяты, феноляты, соли аммония и аминов. В узлах решетки — ионы, между которыми существует электростатическое притяжение. Ионная связь очень прочная.
Примеры: КОН, СаСО, СНСООК, NHNO, [CHNH]Cl, СНОК.
Свойства ионных кристаллов:
твердые, но хрупкие;
отличаются высокими температурами плавления;
нелетучи, не имеют запаха;
расплавы ионных кристаллов обладают электропроводностью;
многие растворимы в воде; при растворении в воде диссоциируют на катионы и анионы, и образующиеся растворы проводят электрический ток.
Металлическая решетка
Характерна для веществ с металлической связью. Реализуется в простых веществах — металлах и их сплавах. В узлах решетки — атомы и катионы металла, при этом электроны металла обобществляются и образуют так называемый электронный газ, который движется между узлами решетки, обеспечивая ее устойчивость. Именно свободно перемещающимися электронами и обусловлены свойства веществ с металлической решеткой:
тепло- и электропроводность;
обладают металлическим блеском;
высокие температуры плавления.
Атомная решетка
В узлах решетки — атомы, связанные ковалентными связями. Химическая связь — ковалентная полярная или неполярная. Атомная кристаллическая решетка характерна для углерода (алмаз, графит), бора, кремния, германия, оксида кремния SiO (кремнезем, кварц, речной песок), карбида кремния SiC (карборунд), нитрида бора BN.
Свойства веществ с атомной решеткой:
высокая твердость;
высокие температуры плавления;
нерастворимость;
нелетучесть;
отсутствие запаха.
Молекулярная решетка
В узлах — молекулы веществ, которые удерживаются в решетке с слабых межмолекулярных сил.
Молекулярное строение имеют:
все органические вещества (кроме солей);
вещества — газы и жидкости;
легкоплавкие и летучие твердые вещества, в молекулах которых ковалентные связи (полярные и неполярные).
Подобные вещества часто имеют запах.
Обобщающая таблица
Кристаллические решетки, вид связи и свойства веществ
Тип решетки
Виды частиц в узлах решетки
Вид связи между частицами
Примеры веществ
Физические свойства веществ
Ионная
Ионы
Ионная связь — прочная
Соли, галогениды (IA,IIA), оксиды и гидроксиды щелочных и щел.-зем. металлов
Твердые, прочные, нелетучие, хрупкие, тугоплавкие, многие растворимы в воде, расплавы проводят электрический ток
Атомная
Атомы
1. Ковалентная неполярная --
очень прочная
2. Ковалентная полярная связь — очень прочная
Простые вещества: алмаз (C), графит (C), бор (B), кремний (Si)
Электро́нная конфигура́ция — формула расположения электронов по различным электронным оболочкам атома химического элемента или молекулы.
Электронные атомные и молекулярные орбитали
Электронная конфигурация обычно записывается для атомов в их основном состоянии. Для определения электронной конфигурации элемента существуют следующие правила:
Принцип заполнения. Согласно принципу заполнения, электроны в основном состоянии атома заполняют орбитали в последовательности повышения орбитальных энергетических уровней. Низшие по энергии орбитали всегда заполняются первыми.
Принцип запрета Паули. Согласно этому принципу, на любой орбитали может находиться не более двух электронов и то лишь в том случае, если они имеют противоположные спины (неодинаковые спиновые числа).
Правило Хунда. Согласно этому правилу, заполнение орбиталей одной подоболочки начинается одиночными электронами с параллельными (одинаковыми по знаку) спинами, и лишь после того, как одиночные электроны займут все орбитали, может происходить окончательное заполнение орбиталей парами электронов с противоположными спинами.
С точки зрения квантовой механики электронная конфигурация — это полный перечень одноэлектронных волновых функций, из которых с достаточной степенью точности можно составить полную волновую функцию атома (в приближении самосогласованного поля).
Если говорить в общем, атом, как составную систему, можно полностью описать только полной волновой функцией. Однако такое описание практически невозможно для атомов сложнее атома водорода — самого простого из всех атомов химических элементов. Удобное приближённое описание — метод самосогласованного поля. В этом методе вводится понятие о волновой функции каждого электрона. Волновая функция всей системы записывается как надлежащим образом симметризованное произведение одноэлектронных волновых функций. При вычислении волновой функции каждого электрона поле всех остальных электронов учитывается как внешний потенциал, зависящий в свою очередь от волновых функций этих остальных электронов.
В результате применения метода самосогласованного поля получается сложная система нелинейных интегродифференциальных уравнений, которая всё ещё сложна для решения. Однако уравнения самосогласованного поля имеют вращательную симметрию исходной задачи (то есть они сферически симметричны). Это позволяет полностью классифицировать одноэлектронные волновые функции, из которых составляется полная волновая функция атома.
Для начала, как в любом центрально симметричном потенциале, волновую функцию в самосогласованном поле можно охарактеризовать квантовым числом полного углового момента {\displaystyle l}l и квантовым числом проекции углового момента на какую-нибудь ось {\displaystyle m}m. Волновые функции с разными значениями {\displaystyle m}m соответствуют одному и тому же уровню энергии, т. е. вырождены. Также одному уровню энергии соответствуют состояния с разной проекцией спина электрона на какую-либо ось. Всего для данного уровня энергии {\displaystyle 2(2l+1)}2(2l+1) волновых функций. Далее, при данном значении углового момента можно перенумеровать уровни энергии. По аналогии с атомом водорода принято нумеровать уровни энергии для данного {\displaystyle l}l начиная с {\displaystyle n=l+1}n=l+1. Полный перечень квантовых чисел одноэлектронных волновых функций, из которых можно составить волновую функцию атома, и называется электронной конфигурацией. Поскольку всё вырождено по квантовому числу {\displaystyle m}m и по спину, достаточно только указывать полное количество электронов, находящихся в состоянии с данными {\displaystyle n}n, {\displaystyle l}l.
Твердые вещества бывают аморфные или кристаллические (чаще всего имеют кристаллическое строение).
Кристаллическое строение характеризуется правильным расположением частиц в определенных точках пространства. При соединении этих точек воображаемыми прямыми линиями образуется так называемая кристаллическая решетка. Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки.
В узлах кристаллической решетки могут находиться ионы, атомы или молекулы.
В зависимости от вида частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные и металлические.
Ионная решетка
Эту решетку образуют все вещества с ионным типом связи — соли, щелочи, бинарные соединения активных металлов с активными неметаллами (оксиды, галогениды, сульфиды), алкоголяты, феноляты, соли аммония и аминов. В узлах решетки — ионы, между которыми существует электростатическое притяжение. Ионная связь очень прочная.
Примеры: КОН, СаСО, СНСООК, NHNO, [CHNH]Cl, СНОК.
Свойства ионных кристаллов:
твердые, но хрупкие;
отличаются высокими температурами плавления;
нелетучи, не имеют запаха;
расплавы ионных кристаллов обладают электропроводностью;
многие растворимы в воде; при растворении в воде диссоциируют на катионы и анионы, и образующиеся растворы проводят электрический ток.
Металлическая решетка
Характерна для веществ с металлической связью. Реализуется в простых веществах — металлах и их сплавах. В узлах решетки — атомы и катионы металла, при этом электроны металла обобществляются и образуют так называемый электронный газ, который движется между узлами решетки, обеспечивая ее устойчивость. Именно свободно перемещающимися электронами и обусловлены свойства веществ с металлической решеткой:
тепло- и электропроводность;
обладают металлическим блеском;
высокие температуры плавления.
Атомная решетка
В узлах решетки — атомы, связанные ковалентными связями. Химическая связь — ковалентная полярная или неполярная. Атомная кристаллическая решетка характерна для углерода (алмаз, графит), бора, кремния, германия, оксида кремния SiO (кремнезем, кварц, речной песок), карбида кремния SiC (карборунд), нитрида бора BN.
Свойства веществ с атомной решеткой:
высокая твердость;
высокие температуры плавления;
нерастворимость;
нелетучесть;
отсутствие запаха.
Молекулярная решетка
В узлах — молекулы веществ, которые удерживаются в решетке с слабых межмолекулярных сил.
Молекулярное строение имеют:
все органические вещества (кроме солей);
вещества — газы и жидкости;
легкоплавкие и летучие твердые вещества, в молекулах которых ковалентные связи (полярные и неполярные).
Подобные вещества часто имеют запах.
Обобщающая таблица
Кристаллические решетки, вид связи и свойства веществ
Тип решетки
Виды частиц в узлах решетки
Вид связи между частицами
Примеры веществ
Физические свойства веществ
Ионная
Ионы
Ионная связь — прочная
Соли, галогениды (IA,IIA), оксиды и гидроксиды щелочных и щел.-зем. металлов
Твердые, прочные, нелетучие, хрупкие, тугоплавкие, многие растворимы в воде, расплавы проводят электрический ток
Атомная
Атомы
1. Ковалентная неполярная --
очень прочная
2. Ковалентная полярная связь — очень прочная
Простые вещества: алмаз (C), графит (C), бор (B), кремний (Si)
Сложные вещества: оксид алюминия (AlO), оксид кремния (IV) SiO
Очень твердые, очень тугоплавкие, прочные, нелетучие, нерастворимы в воде
Молекулярная
Молекулы
Между молекулами — слабые силы межмолекулярного притяжения, внутри молекул — прочная ковалентная связь
При обычных условиях — газы, жидкости или летучие твердые вещества:
(О,Н,Cl,N,Br, HO, CO, HCl); сера, белый фосфор, йод; органические вещества
Непрочные, летучие, легкоплавкие к возгонке, имеют небольшую твердость
Металлическая
Атом-ионы
Металлическая связь — разной прочности
Металлы и сплавы
Ковкие, обладают блеском, пластичностью, тепло- и электропроводны
Электро́нная конфигура́ция — формула расположения электронов по различным электронным оболочкам атома химического элемента или молекулы.
Электронные атомные и молекулярные орбитали
Электронная конфигурация обычно записывается для атомов в их основном состоянии. Для определения электронной конфигурации элемента существуют следующие правила:
Принцип заполнения. Согласно принципу заполнения, электроны в основном состоянии атома заполняют орбитали в последовательности повышения орбитальных энергетических уровней. Низшие по энергии орбитали всегда заполняются первыми.
Принцип запрета Паули. Согласно этому принципу, на любой орбитали может находиться не более двух электронов и то лишь в том случае, если они имеют противоположные спины (неодинаковые спиновые числа).
Правило Хунда. Согласно этому правилу, заполнение орбиталей одной подоболочки начинается одиночными электронами с параллельными (одинаковыми по знаку) спинами, и лишь после того, как одиночные электроны займут все орбитали, может происходить окончательное заполнение орбиталей парами электронов с противоположными спинами.
С точки зрения квантовой механики электронная конфигурация — это полный перечень одноэлектронных волновых функций, из которых с достаточной степенью точности можно составить полную волновую функцию атома (в приближении самосогласованного поля).
Если говорить в общем, атом, как составную систему, можно полностью описать только полной волновой функцией. Однако такое описание практически невозможно для атомов сложнее атома водорода — самого простого из всех атомов химических элементов. Удобное приближённое описание — метод самосогласованного поля. В этом методе вводится понятие о волновой функции каждого электрона. Волновая функция всей системы записывается как надлежащим образом симметризованное произведение одноэлектронных волновых функций. При вычислении волновой функции каждого электрона поле всех остальных электронов учитывается как внешний потенциал, зависящий в свою очередь от волновых функций этих остальных электронов.
В результате применения метода самосогласованного поля получается сложная система нелинейных интегродифференциальных уравнений, которая всё ещё сложна для решения. Однако уравнения самосогласованного поля имеют вращательную симметрию исходной задачи (то есть они сферически симметричны). Это позволяет полностью классифицировать одноэлектронные волновые функции, из которых составляется полная волновая функция атома.
Для начала, как в любом центрально симметричном потенциале, волновую функцию в самосогласованном поле можно охарактеризовать квантовым числом полного углового момента {\displaystyle l}l и квантовым числом проекции углового момента на какую-нибудь ось {\displaystyle m}m. Волновые функции с разными значениями {\displaystyle m}m соответствуют одному и тому же уровню энергии, т. е. вырождены. Также одному уровню энергии соответствуют состояния с разной проекцией спина электрона на какую-либо ось. Всего для данного уровня энергии {\displaystyle 2(2l+1)}2(2l+1) волновых функций. Далее, при данном значении углового момента можно перенумеровать уровни энергии. По аналогии с атомом водорода принято нумеровать уровни энергии для данного {\displaystyle l}l начиная с {\displaystyle n=l+1}n=l+1. Полный перечень квантовых чисел одноэлектронных волновых функций, из которых можно составить волновую функцию атома, и называется электронной конфигурацией. Поскольку всё вырождено по квантовому числу {\displaystyle m}m и по спину, достаточно только указывать полное количество электронов, находящихся в состоянии с данными {\displaystyle n}n, {\displaystyle l}l.