Виды кристаллических решеток металлов

Кубическая (1 атом на ячейку), а)

Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (2 атома на ячейку), б)

Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (4 атома на ячейку), в)

Гексагональная плотноупакованная (ГП) (6 атомов на ячейку), г)

Рис. 2. Основные типы кристаллических решеток металлов

Основу ОЦК-решетки составляет элементарная кубическая ячейка (рис. 2, б), в которой положительно заряженные ионы металла находятся в вершинах куба, и еще один атом в центре его объема, т. е. на пересечении его диагоналей. Такой тип решетки в определенных диапазонах температур имеют железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. металлы.

У ГЦК-решетки (рис. 2, в) элементарной ячейкой служит куб с центрированными гранями. Подобную решетку имеют железо, алюминий, медь, никель, свинец и др. металлы.

Третьей распространенной разновидностью плотноупакованных решеток является гексагональная плотноупакованная (ГПУ, рис. 2, г). ГПУ-ячейка состоит из отстоящих друг от друга на параметр с параллельных центрированных гексагональных оснований. Три иона (атома) находятся на средней плоскости между основаниями.

У гексагональных решеток отношение параметра с/а всегда больше единицы. Такую решетку имеют магний, цинк, кадмий, берилий, титан и др.

Компактность кристаллической решетки или степень заполненности ее объема атомами является важной характеристикой. Она определяется такими показателями как параметр решетки, число атомов в каждой элементарной ячейке, координационное число и плотность упаковки.

Параметр решетки — это расстояние между атомами по ребру элементарной ячейки. Параметры решетки измеряется в нанометрах (1 нм = 10 -9 м =10 A). Параметры кубических решеток характеризуются длиной ребра куба и обозначаются буквой а.

Для характеристики гексагональной решетки принимают два параметра — сторону шестигранника а и высоту призмы с. Когда отношение с/а =1,633, то атомы упакованы наиболее плотно, и решетка называется гексагональной плотноупакованной (рис. 1, г). Некоторые металлы имеют гексагональную решетку с менее плотной упаковкой атомов (с/а > 1,633). Например, для цинка с/а = 1,86, для кадмия с/а = 1,88.

Параметры а кубических решеток металлов находятся в пределах от 0,286 до 0,607 нм. Для металлов с гексагональной решеткой а лежит в пределах 0,228-0,398 нм, а с в пределах 0,357-0,652 нм.

Параметры кристаллических решеток металлов могут быть измерены с помощью рентгеноструктурного анализа.

При подсчете числа атомов в каждой элементарной ячейке следует иметь в виду, что каждый атом входит одновременно в несколько ячеек. Например, для ГЦК-решетки, каждый атом, находящийся в вершине куба, принадлежит 8 ячейкам, а атом, центрирующий грань, двум. И лишь атом, находящийся в центре куба, полностью принадлежит данной ячейке.

Рис. 3. Координационное число в различных кристаллических решетках для атома А: а) — объемноцентрированная кубическая (К 8); б) — гранецентрированная кубическая (К 12); в) — гексагональная плотноупакованная (Г 12)

Таким образом, ОЦК- и ГЦК-ячейки содержат соответственно 2 и 4 атома.

Под координационным числом понимается количество ближайших соседей данного атома.

В ОЦК решетке (рис. 3, а) атом А (в центре) находится на наиболее близком равном расстоянии от восьми атомов, расположенных в вершинах куба, т. е. координационное число этой решетки равно 8 (К 8).

В ГЦК решетке (рис. 3, б) атом А (на грани куба) находится на наиболее близком равном расстоянии от четырех атомов 1, 2, 3, 4, расположенных в вершинах куба, от четырех атомов 5, 6, 7, 8, расположенных на гранях куба, и, кроме того, от четырех атомов 9, 10, 11, 12, принадлежащих расположенной рядом кристаллической ячейке. Атомы 9, 10, 11, 12 симметричны атомам 5, 6, 7, 8. Таким образом, ГЦК решетки координационное число равно 12 (К 12).

В ГПУ решетке при с/а = 1,633 (рис. 3, в) атом А в центре шестигранного основания призмы находится на наиболее близком равном расстоянии от шести атомов 1, 2, 3, 4, 5, 6, размещенных в вершинах шестигранника, и от трех атомов 7, 8, 9, расположенных в средней плоскости призмы. Кроме того, атом А оказывается на таком же расстоянии еще от трех атомов 10, 11, 12, принадлежащих кристаллической ячейке, лежащей ниже основания. Атомы 10, 11, 12 симметричны атомам 7, 8, 9.

Следовательно, для ГПУ решетки координационное число равно 12 (Г 12).

Плотность упаковки представляет собой отношение суммарного объема, занимаемого собственно атомами в кристаллической решетке, к ее полному объему. Различные типы кристаллических решеток имеют разную плотность упаковки атомов. В ГЦК решетке атомы занимают 74 % всего объема кристаллической решетки, а межатомные промежутки («поры») 26 %. В ОЦК решетке атомы занимают 68 % всего объема, а «поры» 32 %. Компактность решетки зависит от особенностей электронной структуры металлов и характера связи между их атомами.

От типа кристаллической решетки сильно зависят свойства металла.

У некоторых металлов кристаллическая решетка может изменяться при изменении температуры. Это явление называется полиморфизмом или аллотропией. Полиморфизм может вызывать изменение свойств.

Кристаллические решетки металлов и их основные типы

Металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Это означает, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядоченно, находясь в определенных местах на вполне определенных расстояниях друг от друга. В пределах одного кристалла наблюдается повторяющаяся картина расположения атомов. Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная

кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, контур которой представляет какое-нибудь составленное из атомов геометрическое тело, например куб или шестигранную призму. Элементарные ячейки, примыкая друг к другу и многократно повторяясь, образуют более крупные твердые тела правильной геометрической формы — кристаллы. Кристаллы, формирующиеся в процессе роста под воздействием окружающих кристаллов и имеющие поэтому неправильную геометрическую форму, называют кристаллитами. Кристаллиты в поликристаллическом теле, отделенные от других кристаллитов большеугловыми границами (см. подпараграф 1.5.3) и обладающие определенной кристаллографической ориентировкой, называют зернами.

Ориентировка ячеек в соседних зернах различна, а в пределах каждого зерна одинакова. Поэтому в кристаллической решетке зерен существует ближний и дальний порядки. Ближний порядок означает постоянство ближних атомов-соседей у каждого атома, а дальний — удаленных.

Наиболее простой геометрической формой кристаллической решетки металлов является кубическая. Эта форма решетки имеет две разновидности: объемно-центрированную кубическую (ОЦК) и гранецентрированную кубическую (ГЦК). На рис. 1.3, а, б показаны схемы этих решеток. У обоих типов рассматриваемых решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы находятся или в центре куба (один атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (шесть атомов в решетке ГЦК).

Кристаллические ОЦК-решетки в числе прочих металлов имеют хром, ванадий, молибден. А ГЦК-рсшстки имеют алюминий, медь, никель и другие металлы. Характерными признаками кристаллической решетки являются параметр решетки, координационное число и плотность упаковки атомов. Параметром (или периодом) кристаллической решетки а считают межатомное расстояние в ячейке (см. рис. 1.3). Координационное число (к.ч.) определяет

Рис. 1.3. Основные тины кристаллических решеток

число ближайших соседей каждого атома. А под плотностью упаковки (п.у.) понимают число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Для решетки ОЦК п.у. = 2 (один атом в вершине куба, а второй в центре куба), к.ч. = 8 (например, для атома, расположенного в центре куба). Для решетки ГЦК п.у. = 4, к.ч. = 12. Параметр решетки а для ОЦК-решеток и ГЦК-решеток одинаков по всем трем направлениям в пространстве.

Таким образом, ГЦК-решетка является более плотной, чем ОЦК-решетка. От плотности упаковки кристаллической решетки зависит прочность металлов.

Однако наиболее плотной из рассматриваемых кристаллических решеток является гексагональная плотноупакованнаярешетка (ГПУ). Схема этой решетки представлена на рис. 1.3, в. Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. Характеристики решетки ГПУ: параметры решетки а и с (с > а); если с/а = 1,633, то к.ч. = 12, п.у. = 6. Решетку ГПУ имеют магний, цинк, бериллий и другие металлы.

Параметры кристаллических решеток металлов составляют от 0,2 до 0,7 нм (1 нм = 1(Г 9 м).

В ячейках кристаллических решеток атомы касаются друг друга внешними слоями электронных оболочек. Межатомные силы сцепления, обеспечивающие целостность кристаллической решетки, создаются электромагнитным взаимодействием, обусловленным наличием у атомов валентных электронов. У металлов, находящихся в твердом состоянии, валентные электроны, освобождаясь от своих атомов, движутся между атомами, которые становятся положительно заряженными ионами. Это объясняется тем, что внешние электроны металлов, в отличие от внешних электронов неметаллов, слабо связаны с ядром. Поэтому атомы металлов легко теряют внешние электроны, превращаясь в ионы. Освободившиеся электроны образуют так называемый электронный газ. Принадлежащие всему зерну свободные электроны, взаимодействуя с положительными ионами, обеспечивают целостность кристаллической решетки. Такая межатомная связь в кристаллической решетке получила название металлической. Металлическая связь может существовать как между одноименными атомами в чистых металлах, так и между разнородными — в сплавах. Металлическая межатомная связь не имеет направленного характера. Электроны электронного газа не связаны с отдельными ионами, а в одинаковой степени принадлежат всем ионам металла.

Благодаря наличию электронного газа металлы обладают высокими электро- и теплопроводностью, а также металлическим блеском. Под действием электрического поля свободные электроны

приобретают направленное движение, обеспечивающее протекание тока. Высокая теплопроводность металла обусловлена также участием свободных электронов (наряду с ионами) в передаче тепла. А характерный металлический блеск металлов обусловлен взаимодействием свободных электронов с электромагнитными световыми волнами.

Кристаллические решетки. Типы кристаллических решеток.

Большинство твердых веществ имеют кристаллическую структуру, в которой частицы, из которых она «построена» находятся в определенном порядке, создавая тем самым кристаллическую решетку. Она строится из повторяющихся одинаковых структурных единиц — элементарных ячеек, которая связывается с соседними ячейками, образуя дополнительные узлы. В результате существует 14 различных кристаллических решеток.

Типы кристаллических решеток.

В зависимости от частиц, которые стоят в узлах решетки, различают:

• металлическую кристаллическую решетку;
• ионную кристаллическую решетку;
• молекулярную кристаллическую решетку;
• макромолекулярную (атомную) кристаллическую решетку.

Металлическая связь в кристаллических решетках.

Атомы расположены максимально близко друг к другу, очень плотно. Промежутки между атомами (шарами) очень малы, поэтому имеет место быть название, плотноупакованная структура. Существует 3 основных типа таких структур: гексагональная плотная упаковка (ГПУ), гранецентрированная кубическая упаковка (ГКУ) и объемно центрированная кубическая упаковка (ОЦКУ). Последняя менее плотная.

Как «упаковывается» один слой кристаллической решетки?

Гексагональная кристаллическая решетка

Каждый шар соприкасается с 6-ю соседними шарами, центры любых соседних атомов образуют равносторонний треугольник.

Квадратная кристаллическая решетка

Центры соседних шаров образуют квадрат.

Как «упаковываются» слои кристаллической решетки?

Представим, есть слои А и В. При гексагональной упаковке слои можно укладывать несколькими способами, и при этом образуется гексагональная плотная упаковка или гранецентрированная кубическая упаковка. Соблюдается условие: каждый шар верхнего слоя касается 3х шаров нижнего. Шары 3го слоя расположены четко над шарами 1го слоя, шары 4го – над 2ыми и т.д.

Более сложное строение имеет гексагональная кубическая упаковка (ГКУ) – шары 3го слоя находятся над промежутками 2го слоя, и поэтому слои С и А имеют существенные различия.

Объемно центрированная кубическая упаковка складывается только одним способом: каждый шар находится в центре куба, вершины которого заняты другими шарами, т.е. каждый шар касается 8-ми соседних, при этом принято говорить о том, что каждый атом имеет координационное число, равное 8.

Гексагональная плотная упаковка

Гранецентрированная кубическая упаковка

Объемно центрированная кубическая упаковка

Если говорить о координационных числах гранецентрированная кубическая упаковка и гексагональная плотная упаковка, то оно равно 12.

В пространстве можно эти типы упаковок представить так:

Гексагональная плотная упаковка

Гранецентрированная кубическая упаковка

Объемно центрированная кубическая упаковка

Примеры кристаллических решеток.

Вещества с металлической структурой обладают такими свойствами, как температура плавления, кипения, ковкость, плотность, теплопроводность и электропроводность.

Ионная связь кристаллических решеток.

В узлах кристалла находятся ионы, из-за этого тут превалируют электростатические силы, вследствие чего в структуре должна быть электрическую нейтральность. У каждого типа ионной решетки должно быть свое координационное число. Например, молекула хлорида натрия: Na + , Cl — . Каждый ион Na + окружен 6-тью ионами Cl — , поэтому координационное число равно 6. И вокруг иона Cl — тоже 6 ионов натрия, поэтому тут в молекуле присутствует координация 6:6.

Рассмотрим другой пример, хлорид цезия CsCl. Ион цезия большой, по сравнению с ионом натрия, поэтому его окружает уже не 6 Cl–ионов, а 8. Поэтому координационное число равно 8.

Вещества с таким типом решетки обладают высокой твердостью, они тугоплавки и малолетучи. Электричество проводят не только растворы, но и расплавы (т.к. ионные соединения диссоциируют в полярных жидкостях (вода).

Ионные кристаллы обладают повышенной хрупкостью, т.к. сдвиг в решетке кристалла (даже незначительный) приводит к тому, что одноименно заряженные ионы начинают отталкиваться друг от друга, и связи рвутся, образуются трещины и расколы.

Молекулярная связь кристаллических решеток.

Основная особенность межмолекулярной связи заключается в ее «слабости» (ван-дер-ваальсовые, водородные).

Это структура льда. Каждая молекула воды связана водородными связями с 4-мя окружающими ее молекулами, в результате структура имеет тетраэдрический характер.

Водородная связь объясняет высокую температуру кипения, плавления и малую плотность;

Макромолекулярная связь кристаллических решеток.

В узлах кристаллической решетки находятся атомы. Эти кристаллы разделяются на 3 вида:

• каркасные;
• цепочечные;
• слоистые структуры.

Каркасной структурой обладает алмаз – одно их самых твердых веществ в природе. Атом углерода образует 4 одинаковые ковалентные связи, что говорит о форме правильного тетраэдра (sp 3 – гибридизация). Каждый атом имеет неподеленную пару электронов, которые также могут связываться с соседними атомами. В результате чего образуется трехмерная решетка, в узлах которой только атомы углерода.

Энергии для разрушения такой структуры требуется очень много, температура плавления таких соединений высока (у алмаза она составляет 3500°С).

Слоистые структуры говорят о наличии ковалентных связях внутри каждого слоя и слабых ван-дер-ваальсовых — между слоями.

Рассмотрим пример: графит. Каждый атом углерода находится в sp 2 — гибридизации. 4-ый неспаренный электрон образует ван-дер-ваальсовую связь между слоями. Поэтому 4ый слой очень подвижен:

Связи слабые, поэтому их легко разорвать, что можно наблюдать у карандаша – «пишущее свойство» — 4ый слой остается на бумаге.

Графит – отличный проводник электрического тока (электроны способны перемещаться вдоль плоскости слоя).

Цепочечными структурами обладают оксиды (например, SO₃), который кристаллизуется в виде блестящих иголок, полимеры, некоторые аморфные вещества, силикаты (асбест).

2.3. Типы кристаллических решеток

Идеальную кристаллическую решетку можно построить путем многократного повторения с последовательной трансляцией (переносом в пространстве) в трех направлениях кристаллических элементарных ячеек, которые являются первичными звеньями кристаллической решетки.

Элементарная ячейка — это наименьший объем кристалла, который еще передает характерные особенности кристаллической решетки. Элементарная кристаллическая ячейка представляет собой элементарный параллелепипед, ребра которого принимают за оси координат кристалла (х, у, z), а наименьшие расстояния между узлами кристаллической решетки (стороны элементарного параллелепипеда) вдоль осей х, у, z обозначаются соответственно а, Ь, с и называются параметрами, или периодами, решетки. Если кристаллическая решетка кубическая, то ее параметры (периоды) вдоль всех трех осей равны, т. е. а = b = с. Геометрически возможно существование 14 типов кристаллических решеток.

По расположению атомов в элементарной ячейке кристаллические решетки подразделяют на простые и сложные.

В простых (примитивных) решетках атомы располагаются только по вершинам ячейки, т. е. на долю каждой из них приходится один атом.

Сложными являются решетки, в которых на долю каждой ячейки приходится более одного атома. Среди них наиболее часто встречаются следующие тетрагональные решетки:

• • объемноцентрированные, в которых атомы располагаются в вершинах и в центре параллелепипеда;
• • гранецентрированные — решетки с атомами, расположенными в вершинах и центрах всех граней параллелепипеда;
• • базоцентрированные, имеющие атомы в вершинах и центрах противоположных граней параллелепипеда.

Существуют также решетки с гексагональной симметрией.

Для промышленных металлов наиболее распространенными являются следующие типы кристаллических решеток (рис. 2.2):

• • кубическая объемноцентрированная (ОЦК-решетка, рис. 2.2, а) (координационное число — число ближайших к данному соседних атомов — равно 8): V, Nb, Сг, Та, Mo, W, a-Fe (при t 882 °С), p-Zr (при t > 862 °С), р-Вс (при t > 1254 *С) и др.;
• • кубическая гранецентрированная (ЩК-решетка, рис. 2.2, б) (координационное число равно 12): Al, Си, Pt, Pb, Ag, Аи, Ni, р-Со (при t > 400 °С), y-Fe (при t = 911-1392 °С), Pd и др.;
• • гексагональная плотноупакованная (ГПУ-решетка, рис. 2.2, в) (координационное число равно 12): Mg, Zn, Hf, Re, a-Ti (при t

Рис. 2.2. Типы наиболее распространенных кристаллических решеток металлов и схемы упаковки атомов: а — объемноцентрированная кубическая, б — гранецентрированная кубическая, в — гексагональная плотноупакованная; показаны индексы некоторых направлений и плоскостей (индицируемые плоскости заштрихованы); а, с — параметры решетки. Пояснения к индицированию плоскостей и направлений см. в разд. 2.4 и 2.5

ГЦК- и ГПУ-решетки являются плогноупакованными, имеют наивысший коэффициент компактности (отношение объема, занимаемого атомами в элементарной ячейке, к ее полному объему), равный 0,74. У ОЦК-решетки коэффициент компактности составляет 0,68. Таким образом, оставшаяся часть объема элементарной ячейки приходится на пустоты между атомами. Различают два типа пустот — октаэдрические и тетраэдрические. Каждая октаэдрическая пустота расположена между шестью атомами решетки, занимающими места в вершинах правильного октаэдра. Каждая тетраэдрическая — между четырьмя атомами решетки, занимающими места в вершинах правильного тетраэдра. На рисунке 2.3 показано положение тетраэдрических и октаэдрических пустот в ГЦК-, ГПУ- и ОЦК-решетках.

Рис. 2.3. Октаэдрические (о) и тетраэдрические (х) пустоты в ГЦК- (а, б),

ГПУ- (в, г) и ОЦК- (д, е) решетках; • — узловые атомы решетки

В октаэдрическую пустоту и ГЦК-, и ГПУ-решетки можно вписать сферу радиусом 0,41 /?, в тетраэдрическую пустоту — 0,22/?, где R — радиус узлового атома решетки. В октаэдрическую пустоту ОЦК-решетки можно вписать сферу радиусом 0,15/?, в тетраэдрическую — 0,29/?.

Заметим, что на каждый атом как ГЦК-, так и ГПУ-решетки приходятся две тетраэдрические и одна октаэдрическая пустота, а на каждый атом ОЦК-решетки — три октаэдрические и шесть тетраэдрических пустот.

Примечательно, что примесные атомы внедрения в ОЦК-решетке (например, углерод, азот в a-железе) могут легко размещаться в меньших по размеру тетраэдрических пустотах, поскольку вокруг октаэдрической пустоты при этом смещаются лишь два узловых атома вдоль ребра куба, т. е. вдоль направления с малой плотностью упаковки атомов. А вокруг тетраэдрической пустоты при внедрении в нее атома примеси смещаются четыре узловых атома в направлениях довольно плотной упаковки. Эта ситуация будет обсуждена ниже (разд. 2.15) при рассмотрении образования атмосфер Снука вокруг дислокаций.

Важнейшие элементарные полупроводники, такие как кремний и германий, имеют кристаллическую структуру типа алмаза, а многие полупроводниковые соединения типа А 2 В 6 или А 3 В 5 (например, CdS, CdTe, GaAs, GaP, InSb, InP, A1P, AlSb, a-ZnS и др.) — структуру типа сфалерита. В этих решетках каждый атом окружен четырьмя соседними, расположенными в вершинах правильного тетраэдра (координационное число равно 4).

На рисунке 2.4 показаны кристаллические решетки алмаза и сфалерита.

Рис. 2.4. Кристаллические решетки алмаза (а) и сфалерита (б)

В решетке алмаза атомы занимают все узлы ГЦК-ячейки, а также центры четырех из восьми октантов, на которые можно мысленно разбить куб (один из октантов на рис. 2.4, а выделен штриховыми линиями). Причем заполненные и незаполненные октанты чередуются в шахматном порядке: рядом с заполненным октантом — незаполненный, под незаполненным — заполненный и т. д.

Решетку алмаза можно представить как две ГЦК-решегки, вставленные одна в другую со смещением на четверть телесной диагонали кубической ячейки. Решетка алмаза не относится к числу плотноупакованных решеток, ее коэффициент компактности равен 0,34.

Отличие элементарных ячеек решеток сфалерита и алмаза состоит в том, что в алмазе все атомы одинаковы, а в сфалерите атомы одного сорта (например, галлия) занимают узлы ГЦК-ячейки, а атомы другого сорта (например, фосфора) — центры четырех октантов.

Весьма распространены в природе также химические соединения со структурой каменной соли NaCl (рис. 2.5). Структуру типа NaCl можно описать как две ГЦК-решетки, вставленные в друг друга так, что вершины ячеек структуры А расположены в центрах ребер ячеек структуры В. При этом кристаллическая решетка состоит из равных количеств разноименно заряженных атомов-ионов (например, Na H и С1

Рис. 2.5. Кристаллическая структура каменной соли: а — схема, б — модель упаковки атомов

Структуру типа NaCl имеют все галогениды щелочных металлов (за исключением CsCl, CsBr и Csl), многие сульфиды, селениды и теллуриды магния, кальция, стронция, бария, свинца, марганца, оксиды переходных элементов TiO, MnO, FeO, MgO, карбиды и нитриды некоторых переходных металлов, например TiC, TiN, ТаС, ZrC, ZrN, UN, UC, галоиды серебра AgCI, AgBr, AgF.

Для некоторых кристаллических веществ характерно явление изоморфизма. Это означает, что разные, но близкие по химической природе вещества с близкими значениями атомных радиусов, т. е. расположенные недалеко друг от друга в Периодической таблице, обладают одинаковым типом кристаллической решетки (например, Ag и Au, Ge и Si). Химические соединения также бывают изоморфными, например Сг₂0₃ и А1₂0₃.

Одно и то же вещество при разных температурах может иметь разные кристаллические решетки. Такое явление называется полиморфизмом и характерно как для элементарных веществ, таких как Fe, Ti, Zr и др., так и для химических соединений, например для А1₂0₃.

Металлы, обладающие полиморфизмом, кристаллизируются в нескольких решетках, например, a-Fe — ОЦК, y-Fe — ГЦК, a-Ti — ГПУ, p-Ti — ОЦК.

Типы кристаллических решеток

Класс: 8

Презентация к уроку

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Тип урока: Комбинированный.

Цель урока: Создать условия для формирования умения учащихся устанавливать причинно-следственную зависимость физических свойств веществ от вида химической связи и типа кристаллической решетки, предсказывать тип кристаллической решетки на основе физических свойств вещества.

Задачи урока:

• Сформировать понятия о кристаллическом и аморфном состоянии твердых тел, ознакомить учащихся с различными типами кристаллических решеток, установить зависимость физических свойств кристалла от характера химической связи в кристалле и типа кристаллической решетки, дать учащимся основные представления о влиянии природы химической связи и типов кристаллических решеток на свойства вещества.
• Продолжить формирование мировоззрения учащихся, рассмотреть взаимное влияние компонентов целого-структурных частиц веществ, в результате которого появляются новые свойства, воспитывать умения организовать свой учебный труд, соблюдать правила работы в коллективе.
• Развивать познавательный интерес школьников, используя проблемные ситуации;

Оборудование: Периодическая система Д.И. Менделеева, коллекция «Металлы», неметаллы: сера, графит, красный фосфор, кристаллический кремний, йод; Презентация «Типы кристаллических решёток», модели кристаллических решеток разных типов (поваренной соли, алмаза и графита, углекислого газа и йода, металлов), образцы пластмасс и изделий из них, стекло, пластилин, компьютер, проектор.

Ход урока

1. Организационный момент.

Учитель приветствует учеников, фиксирует отсутствующих.

2. Проверка знаний по темам” Химическая связь. Степень окисления”.

Самостоятельная работа (15 минут)

3. Изучение нового материала.

Учитель озвучивает тему урока и цель урока. (Слайд 1,2)

Учащиеся записывают в тетради дату, тему урок.

Актуализация знаний.

Учитель задаёт вопросы классу:

1. Какие виды частиц вы знаете? Имеют ли заряды ионы, атомы и молекулы?
2. Какие виды химических связей вы знаете?
3. Какие вам известны агрегатные состояния веществ?

Учитель: «Любое вещество может быть газом, жидкостью и твёрдым веществом. Например, вода. При обычных условиях – это жидкость, но она может быть паром и льдом. Или кислород при обычных условиях представляет собой газ, при температуре -1940 C он превращается в жидкость голубого цвета, а при температуре -218,8°C затвердевает в снегообразную массу, состоящую из кристаллов синего цвета. На этом уроке мы рассмотрим твёрдое состояние веществ: аморфное и кристаллическое». (Слайд 3)

Учитель: аморфные вещества не имеют чёткой температуры плавления – при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в текучее состояние. К аморфным веществам относят, например шоколад, который тает и в руках и во рту; жевательную резинку, пластилин, воск, пластмассы (показываются примеры таких веществ). (Слайд 7)

Кристаллические вещества имеют чёткую температуру плавления и, главное, характеризуются правильным расположением частиц в строго определенных точках пространства. (Слайды 5,6) При соединении этих точек прямыми линиями образуется пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой. Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки.

Учащиеся записывают в тетрадь определение: «Кристаллической решёткой называют совокупность точек пространства, в которых располагаются частицы, образующие кристалл. Точки, в которых размещаются частицы кристалла, называют узлами решётки».

В зависимости от того, какие виды частиц находятся в узлах этой решётки, различают 4 типа решёток. (Слайд 8) Если в узлах кристаллической решётки находятся ионы, то такая решётка называется ионной.

Учитель задаёт учащимся вопросы:

– Как будут называться кристаллические решётки, в узлах которых находятся атомы, молекулы?

Но есть кристаллические решётки, в узлах которых находятся и атомы, и ионы. Такие решётки называются металлическими.

Сейчас мы будем заполнять таблицу: «Кристаллические решётки, вид связи и свойства веществ». В ходе заполнения таблицы мы будем устанавливать взаимосвязь между типом решётки, видом связи между частицами и физическими свойствами твёрдых веществ.

Далее на экране появляется таблица. (Слайд 9). Её заполнение идёт в ходе диалога учителя с учащимися.

Рассмотрим 1-й тип кристаллической решётки, которая называется ионной. (Слайд 9)

– Какие частицы располагаются в узлах этой решётки?

– Какая химическая связь в этих веществах?

Посмотрите на ионную кристаллическую решётку (показывается модель такой решётки). В её узлах находятся положительно и отрицательно заряженные ионы. Например, кристалл хлорида натрия построен из положительных ионов натрия и отрицательных хлорид-ионов, образующих решётку в форме куба. К веществам с ионной кристаллической решёткой относятся соли, оксиды и гидроксиды типичных металлов. Вещества с ионной кристаллической решёткой обладают высокой твёрдостью и прочностью, они тугоплавкие и нелетучие.

Учитель: Физические свойства веществ с атомной кристаллической решёткой те же, что и у веществ с ионной кристаллической решёткой, но часто в превосходной степени – очень твёрдые, очень прочные. Алмаз, у которого атомная кристаллическая решётка – самое твёрдое вещество из всех природных веществ. Он служит эталоном твёрдости, которая по 10-бальной системе оценивается высшим баллом 10.(Слайд 10). По этому типу кристаллической решётки вы сами внесёте необходимые сведения в таблицу, самостоятельно поработав с учебником.

Учитель: Рассмотрим 3-й тип кристаллической решётки, которая называется металлической. (Слайды 11,12) В узлах такой решётки находятся атомы и ионы, между которыми свободно перемещаются электроны, связывая их в единое целое.

Далее учащиеся по учебнику рассматривают модель металлической кристаллической решётки.

Такое внутреннее строение металлов и определяет их характерные физические свойства.

Учитель: Какие физические свойства металлов вы знаете? (ковкость, пластичность, электро- и теплопроводность, металлический блеск).

Учитель: На какие группы делятся все вещества по строению? (Слайд 12)

Рассмотрим тип кристаллической решётки, которой обладают такие хорошо известные нам вещества как вода, углекислый газ, кислород, азот и другие. Она называется молекулярной. (Слайд14)

– Какие частицы располагаются в узлах этой решётки?

Далее учащиеся по учебнику рассматривают модель молекулярной кристаллической решётки.

Химическая связь в молекулах, которые находятся в узлах решётки, может быть и ковалентная полярная, и ковалентная неполярная. Несмотря на то, что атомы внутри молекулы связаны очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому вещества с молекулярной кристаллической решёткой имеют малую твердость, низкие температуры плавления и летучие. Когда газообразные или жидкие вещества при особых условиях превращаются в твёрдые, тогда у них появляется молекулярная кристаллическая решётка. Примерами таких веществ может быть твёрдая вода – лёд, твёрдый углекислый газ – сухой лёд. Такую решётку имеет нафталин, который применяют для защиты шерстяных изделий от моли.

– Какими свойствами молекулярной кристаллической решётки обусловлено применение нафталина? (летучестью). Как видим, молекулярную кристаллическую решетку могут иметь не только твердые простые вещества: благородные газы, H₂,O₂, N₂, I₂, O₃, белый фосфор Р₄, но и сложные: твердая вода, твердые хлороводород и сероводород. Большинство твердых органических соединений имеют молекулярные кристаллические решетки (нафталин, глюкоза,сахар).

В узлах решеток находятся неполярные или полярные молекулы. Несмотря на то, что атомы внутри молекул связаны прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного взаимодействия.

Вывод: Вещества непрочные, имеют малую твердость, низкую температуру плавления, летучи.

Вопрос: Какой процесс называется возгонкой или сублимацией?

Ответ: Переход вещества из твердого агрегатного состояния сразу в газообразное, минуя жидкое, называется возгонкой или сублимацией.

Демонстрация опыта: возгонка йода

Потом учащиеся по очереди называют сведения, которые они записали в таблицу.

Кристаллические решетки, вид связи и свойства веществ.

Учитель: Какой мы можем сделать вывод из проделанной работы по таблице?

Вывод 1: От типа кристаллической решётки зависят физические свойства веществ. Состав вещества → Вид химической связи → Тип кристаллической решетки → Свойства веществ. (Слайд 18).

Вопрос: Какой тип кристаллической решетки из рассмотренных выше не встречается в простых веществах?

Ответ: Ионные кристаллические решетки.

Вопрос: Какие кристаллические решетки характерны для простых веществ?

Ответ: Для простых веществ – металлов – металлическая кристаллическая решетка; для неметаллов – атомная или молекулярная.

Работа с Периодической системой Д.И. Менделеева.

Вопрос: Где в Периодической системе находятся элементы-металлы и почему? Элементы-неметаллы и почему?

Ответ: Если провести диагональ от бора до астата, то в нижнем левом углу от этой диагонали будут находиться элементы-металлы, т.к. на последнем энергетическом уровне они содержат от одного до трех электронов. Это элементы I A, II A, III A (кроме бора), а также олово и свинец, сурьма и все элементы побочных подгрупп.

Элементы-неметаллы находятся в верхнем правом углу от этой диагонали, т.к. на последнем энергетическом уровне содержат от четырех до восьми электронов. Это элементы IV A,V A, VI A, VII A, VIII A и бор.

Учитель: Давайте найдем элементы неметаллы, у которых простые вещества имеют атомную кристаллическую решетку (Ответ: С, В, Si) и молекулярную (Ответ: N, S, O, галогены и благородные газы)

Учитель: Сформулируйте вывод, как можно определить тип кристаллической решетки простого вещества в зависимости от положения элементов в Периодической системе Д.И.Менделеева.

Ответ: Для элементов-металлов, которые находятся в I A, II A, IIIA(кроме бора), а также олова и свинца, и всех элементов побочных подгрупп в простом веществе тип решетки-металлическая.

Для элементов-неметаллов IV A и бора в простом веществе кристаллическая решетка атомная; а у элементов V A, VI A, VII A, VIII A в простых веществах кристаллическая решетка молекулярная.

Продолжаем работать с заполненной таблицей.

Учитель: Посмотрите внимательно на таблицу. Какая закономерность прослеживается?

Внимательно слушаем ответы учеников, после чего вместе с классом делаем вывод. Вывод 2 (слайд 17)

4. Закрепление материала.

Вещества, имеющие молекулярную кристаллическую решётку, как правило:
a)Тугоплавки и хорошо растворимы в воде
б) Легкоплавки и летучи
в) Тверды и электропроводны
г) Теплопроводны и пластичны

Понятия «молекула» не применимо по отношению к структурной единице вещества:
a) Вода
б) Кислород
в) Алмаз
г) Озон

Атомная кристаллическая решётка характерна для:
a) Алюминия и графита
б) Серы и йода
в) Оксида кремния и хлорида натрия
г) Алмаза и бора

Если вещество хорошо растворимо в воде, имеет высокую температуру плавления, электропроводно, то его кристаллическая решётка:
а) Молекулярная
б) Атомная
в) Ионная
г) Металлическая

5. Рефлексия.

6. Домашнее задание.

Охарактеризуйте каждый вид кристаллической решётки по плану: Что в узлах кристаллической решётки, структурная единица → Тип химической связи между частицами узла → Силы взаимодействия между частицами кристалла → Физические свойства, обусловленные кристаллической решёткой → Агрегатное состояние вещества при обычных условиях → Примеры .

По формулам приведённых веществ: SiC, CS₂, NaBr, C₂H₂ – определите тип кристаллической решётки(ионная, молекулярная) каждого соединения и на основе этого опишите предполагаемые физические свойства каждого из четырёх веществ.

Оценка статьи:

(пока оценок нет)

Загрузка...

Сохранить себе в:

Виды кристаллических решеток металлов Ссылка на основную публикацию

Читайте также:

1. Кристаллическая структура меди
2. К какой группе металлов сплавов относится магний
3. Установка решеток на окна своими руками

Adblock
detector