Struktur der Materie. Arten von Kristallgittern

5. Ionische und metallische Bindung. Wasserstoffverbindung. Wertigkeit

5.4. Arten von Kristallgittern

Stoffe im festen Zustand können eine amorphe und kristalline Struktur haben. Bei amorphen Stoffen (Glas, Polymere) ist die Anordnung der Teilchen ungeordnet, bei kristallinen Stoffen hingegen sind die Struktureinheiten (Atome, Moleküle oder Ionen) in einer strengen Reihenfolge angeordnet.

Unter Kristallgitter bezeichnet das Gerüst, das entsteht, wenn die Struktureinheiten eines Kristalls durch imaginäre Geraden verbunden werden. Die Schnittpunkte dieser Geraden heißen Kristallgitterknoten. Abhängig von der Art der Partikel, die sich an den Knoten des Kristallgitters befinden, sowie von der Art der chemischen Bindung zwischen ihnen werden vier Haupttypen (Typen) von Kristallgittern unterschieden: atomare, molekulare, ionische und metallische.

Stoffe mit Atom-, Ionen- und Metallkristallgittern haben eine nichtmolekulare Struktur

In Knoten atomares Kristallgitter es gibt Atome gleicher oder verschiedener chemischer Elemente (meist Nichtmetalle), die durch starke kovalente Bindungen miteinander verbunden sind (siehe Abb. 16.1 auf S. 347). Stoffe mit einem Atomgitter werden atomare oder kovalente Kristalle genannt.

Erinnern wir uns an Stoffe mit einem atomaren Kristallgitter: Bor, Silizium, Diamant, Graphit, schwarzer und roter Phosphor, Karborund SiC, Siliziumoxid (IV) SiO 2.

Aufgrund der hohen Energie kovalenter Bindungen haben Stoffe mit atomarer Struktur einen sehr hohen Schmelzpunkt, eine hohe Härte und Festigkeit sowie eine geringe Löslichkeit; in der Regel handelt es sich um Dielektrika oder Halbleiter (Silizium, Germanium). Der härteste Naturstoff ist Diamant (Schmelzpunkt 3500 °C), der feuerfestste ist Graphit (3700 °C); Karborund SiC (2700 °C) und Siliziumdioxid SiO 2 (1610 °C) haben einen hohen Schmelzpunkt.

In Knoten molekulare Kristalle(Stoffe mit molekularem Kristallgitter, molekularer Struktur) Es gibt Moleküle (Abb. 5.7, a). Moleküle sind durch schwache intermolekulare Kräfte miteinander verbunden (nicht verwechseln: In Molekülen ist die Bindung kovalent, also stark), deren Aufbrechen relativ wenig Energie erfordert. Deshalb molekulare Substanzen geringe Festigkeit, geringe Härte, erhebliche Kompressibilität aufweisen, niedrige Temperaturen schmelzen und kochen. Sie zeichnen sich durch Flüchtigkeit aus, viele haben einen Geruch und einige sublimieren. Molekülkristalle leiten keinen Strom und können in polaren und unpolaren Lösungsmitteln löslich sein.

Die meisten Stoffe mit kovalenter polarer oder unpolarer Bindung haben ein molekulares Kristallgitter, mit Ausnahme der oben aufgeführten Stoffe mit atomarer Struktur. Die molekulare Struktur ist typischer für organische Substanz. Beispiele für Substanzen mit molekularer Struktur: Edelgase (für sie sind die Konzepte von Atom und Molekül identisch, wir können sagen, dass Edelgase aus einatomigen Molekülen bestehen), Halogene (im festen Zustand), weißer Phosphor P4, orthorhombischer und monokliner Schwefel S8 , fester Sauerstoff, Ozon, Stickstoff, Wasser, Halogenwasserstoffe, Alkane, Benzol.

Reis. 5.7. Die Struktur des Kristallgitters von Kohlendioxid (CO 2) im festen Zustand (a) und Natriumchlorid (b)

Es bilden sich alle Stoffe mit ionischen Bindungen Ionenkristallgitter, haben eine ionische Struktur. Dies sind Salze, basische und amphotere Oxide, Basen, binäre Verbindungen von Metallen mit Nichtmetallen (Hydride, Nitride usw.). An den Knoten von Ionenkristallen befinden sich entgegengesetzt geladene einfache oder komplexe Kationen und Anionen, die durch eine starke Ionenbindung miteinander verbunden sind (Abb. 5.7, b). Ionenkristalle haben eine große Härte und sind nichtflüchtig und geruchlos und zeichnen sich durch hohe Siedepunkte und Schmelzpunkte aus. Bei Raumtemperatur leiten ionische Substanzen den elektrischen Strom schlecht; viele sind in polaren Lösungsmitteln gut löslich und ihre Schmelzen leiten elektrischen Strom (Elektrolyte). Ionische Stoffe zeichnen sich durch eine schwache Verformbarkeit und Zerbrechlichkeit aus, da bei der Verschiebung von Ionen gegeneinander Abstoßungskräfte zwischen gleich geladenen Ionen entstehen.

Es bilden sich Stoffe mit einer Metallbindung Metallkristallgitter(Metallkristalle), in denen (siehe Abb. 5.1) die Kommunikation durch freie Elektronen (Elektronengas) erfolgt.

Aus diesem Grund haben einfache Metalle (und ihre Legierungen) einen charakteristischen metallischen Glanz, eine sehr hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, sie sind undurchsichtig, formbar und duktil. Metalle haben ein breites Spektrum an Schmelzpunkten (unter normalen Bedingungen liegt Quecksilber beispielsweise in einem flüssigen Aggregatzustand) und Härten (weiches Blei und sehr hartes Chrom) vor, was auf einige Unterschiede in der Art der Metallbindung verschiedener Metalle zurückzuführen ist Metalle. Wie bereits erwähnt, kann die Schmelztemperatur von Metallen als Maß für die Stärke einer metallischen Bindung dienen: Je höher die Schmelztemperatur, desto höher ist die Energie der metallischen Bindung. Der Schmelzpunkt von Metallen steigt in der Reihe:

Quecksilber → Alkalimetalle → Erdalkalimetalle →

→ Metalle der D-Familie → Wolfram.

Beispiel 5.4. Unter Chlorverbindungen mit Elementen der 3. Periode liegt der niedrigste Schmelzpunkt bei:

Lösung. Der benötigte Stoff ist SCl 2, da er über ein molekulares Kristallgitter verfügt (alle anderen Stoffe sind ionisch).

„Jod im menschlichen Körper“ – Nicht nur Ärzte, sondern auch Oberbefehlshaber haben auf Erkrankungen der Schilddrüse geachtet. Schwaches Oxidations- und Reduktionsmittel. Jod wirkt im Körper folgende Funktionen. Von den in der Natur vorkommenden Halogenen sind sie die schwersten. EXPERIMENT 1. Gewinnung von Jod. Der menschliche Körper besteht zu 60 % aus Wasser, zu 34 % aus organischer Substanz und zu 6 % aus anorganischer Substanz.

„Kristalline und amorphe Stoffe“ – Amorphe und kristalline Stoffe. Es gibt keinen streng definierten Schmelzpunkt und Siedepunkt. Weißer Phosphor P4. Die chemische Bindung ist kovalent unpolar. Arten von Kristallgittern. Graphit. Auf Gitterplätzen befinden sich Atomionen. Merkmale kristalliner Substanzen. Die chemische Bindung ist ionisch. Beispiele: Metalle. Diamant. Beispiele: einfache Stoffe (H2, N2, O2, F2, P4, S8, Ne, He), komplexe Stoffe (CO2, H2O, Zucker C12H22O11 usw.).

„Kristallgitterchemie“ – Arten von Kristallgittern. Diamant ist am härtesten natürliches Material. Molekular sind Kristallgitter, in deren Knotenpunkten sich Moleküle befinden. Substanz ist das, woraus der physische Körper besteht. Metallische Gitter sind solche, deren Knoten Metallatome und -ionen enthalten. Struktur der Materie.

„Jod im menschlichen Körper“ – Ergebnisse der Aufklärungsarbeit. Die Ergebnisse des Experiments von Schülern der 3. Klasse „A“. Jodmangel in Russland. Sie können Präparate aus Seetangalgen einnehmen. Achten Sie auf jodierte Eier, Milch, Zucker. Verhütung. Lebensmittel, die den Körper daran hindern, Jod aufzunehmen:

„CO2-Kohlendioxid“ – In der Erdatmosphäre wird Strahlung von Molekülen aus H2O, CO2, O3 usw. absorbiert. Kohlendioxid... Wechselwirkung mit Wasser. Was ist daran sauer? Kohlendioxid. Gewächshäuser werden beispielsweise mit Gasen versorgt, die aus dem Heizraum austreten. С6н12о6 + 6о2. Was ist Kohlendioxid? Treibhauseffekt. 6co2 + 6n2o. Reaktion mit Alkali.

„Verwendung von Jod“ – Meeresprodukte sind besonders reich an Jod: Fisch, Muscheln, Tintenfische, Garnelen. Jod wurde 1811 vom französischen Chemiker B. Courtois entdeckt. Gute Jodquellen sind Milchprodukte, einige Getreideprodukte, Gemüse und Obst. Geschichte der Entdeckung. Der Name des Elements stammt vom griechischen Wort „iodes“. Anwendung in der Industrie.

Themen des Einheitlichen Staatsexamen-Kodifikators: Stoffe molekularer und nichtmolekularer Struktur. Art des Kristallgitters. Abhängigkeit der Eigenschaften von Stoffen von ihrer Zusammensetzung und Struktur.

Molekularkinetische Theorie

Alle Moleküle bestehen aus winzigen Teilchen, die Atome genannt werden. Alles offen am momentan Atome sind im Periodensystem zusammengefasst.

Atom- ist das kleinste, chemisch unteilbare Teilchen eines Stoffes, das ihn konserviert Chemische Eigenschaften. Atome verbinden sich miteinander chemische Bindungen. Wir haben uns bereits einen angeschaut. Studieren Sie unbedingt die Theorie zum Thema: Arten chemischer Bindungen, bevor Sie diesen Artikel lesen!

Schauen wir uns nun an, wie sich Teilchen in der Materie verbinden können.

Abhängig von der Lage der Partikel zueinander können die Eigenschaften der von ihnen gebildeten Stoffe stark variieren. Also, wenn die Teilchen voneinander entfernt sind weit(Der Abstand zwischen den Teilchen ist groß weitere Größen Teilchen selbst), interagieren praktisch nicht miteinander, bewegen sich chaotisch und kontinuierlich im Raum, dann haben wir es zu tun Gas .

Wenn die Partikel lokalisiert sind schließen zueinander, aber chaotisch, mehr miteinander interagieren, intensiv durchführen oszillierende Bewegungen in einer Position, kann aber zu einer anderen Position springen, dann ist dies ein Modell der Struktur Flüssigkeiten .

Wenn die Partikel lokalisiert sind schließen zueinander, aber mehr in geordneter Weise, Und mehr interagieren untereinander, bewegen sich aber nur innerhalb einer Gleichgewichtslage, praktisch ohne sich in andere zu bewegen Situation, dann haben wir es zu tun solide .

Die meisten bekannten chemischen Stoffe und Gemische können in festem, flüssigem und gasförmigem Zustand vorliegen. Das einfachste Beispiel ist Wasser. Bei normale Bedingungen sie flüssig, bei 0 o C gefriert es – geht von einem flüssigen Zustand in über hart, und bei 100 o C kocht es - verwandelt sich in Gasphase- Wasserdampf. Darüber hinaus sind viele Stoffe unter normalen Bedingungen Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe. Beispielsweise ist Luft – ein Gemisch aus Stickstoff und Sauerstoff – unter normalen Bedingungen ein Gas. Doch bei hohem Druck und niedriger Temperatur kondensieren Stickstoff und Sauerstoff und gehen in die flüssige Phase über. Flüssiger Stickstoff wird in der Industrie aktiv eingesetzt. Manchmal isoliert Plasma, und auch Flüssigkristalle, als separate Phasen.

Viele Eigenschaften einzelner Stoffe und Gemische werden erläutert relative Position Teilchen im Raum relativ zueinander!

Dieser Artikel untersucht Eigenschaften Feststoffe , abhängig von ihrer Struktur. Basic physikalische Eigenschaften Feststoffe: Schmelzpunkt, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, mechanische Festigkeit, Duktilität usw.

Schmelztemperatur - Dies ist die Temperatur, bei der ein Stoff von der festen Phase in die flüssige Phase übergeht und umgekehrt.

ist die Fähigkeit eines Stoffes, sich zerstörungsfrei zu verformen.

Elektrische Leitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Stoffes, Strom zu leiten.

Strom ist die geordnete Bewegung geladener Teilchen. Somit kann Strom nur von Stoffen durchgeführt werden, die enthalten bewegliche geladene Teilchen. Aufgrund ihrer Fähigkeit, Strom zu leiten, werden Stoffe in Leiter und Dielektrika unterteilt. Leiter sind Stoffe, die Strom leiten können (d. h. bewegliche geladene Teilchen enthalten). Dielektrika sind Stoffe, die praktisch keinen Strom leiten.

In einem festen Stoff können sich Partikel eines Stoffes befinden chaotisch, oder geordneterÖ. Wenn sich die Teilchen eines festen Stoffes im Raum befinden chaotisch, heißt der Stoff amorph. Beispiele für amorphe Stoffe – Kohle, Glimmerglas.

Sind die Teilchen eines festen Stoffes geordnet im Raum angeordnet, d.h. Sich wiederholende dreidimensionale geometrische Strukturen bilden, nennt man einen solchen Stoff Kristall, und die Struktur selbst – Kristallgitter . Die meisten Substanzen, die wir kennen, sind Kristalle. Die Partikel selbst befinden sich darin Knoten Kristallgitter.

Kristalline Stoffe zeichnen sich insbesondere aus durch Art der chemischen Bindung zwischen Partikeln in einem Kristall – atomar, molekular, metallisch, ionisch; entsprechend der geometrischen Form der einfachsten Zelle eines Kristallgitters - kubisch, sechseckig usw.

Abhängig von Art von Teilchen, die ein Kristallgitter bilden , unterscheiden Atom-, Molekül-, Ionen- und Metallkristallstruktur .

Atomares Kristallgitter

Ein atomares Kristallgitter entsteht, wenn die Knoten des Kristalls lokalisiert werden Atome. Die Atome sind durch starke Verbindungen miteinander verbunden kovalente chemische Bindungen. Dementsprechend wird ein solches Kristallgitter sehr sein dauerhaft, es ist nicht leicht, es zu zerstören. Ein atomares Kristallgitter kann durch Atome mit hoher Wertigkeit gebildet werden, d. h. Mit eine große Anzahl Bindungen mit benachbarten Atomen (4 oder mehr). In der Regel handelt es sich dabei um Nichtmetalle: einfache Stoffe - Silizium, Bor, Kohlenstoff (allotrope Modifikationen Diamant, Graphit) und deren Verbindungen (Borkohlenstoff, Siliziumoxid (IV) usw..). Da zwischen Nichtmetallen überwiegend kovalente chemische Bindungen auftreten, freie Elektronen(wie andere geladene Teilchen) in Stoffen mit einem atomaren Kristallgitter in den meisten Fällen nein. Daher sind solche Substanzen in der Regel leiten den Strom sehr schlecht, d.h. sind Dielektrika. Dabei handelt es sich um allgemeine Muster, von denen es eine Reihe von Ausnahmen gibt.

Kommunikation zwischen Teilchen in Atomkristallen: .

An den Knoten des Kristalls mit einer atomaren Kristallstruktur lokalisiert Atome.

Phasenzustand Atomkristalle unter Normalbedingungen: in der Regel Feststoffe.

Substanzen, Bildung von Atomkristallen im festen Zustand:

Einfache Substanzen hohe Wertigkeit (in der Mitte des Periodensystems): Bor, Kohlenstoff, Silizium usw.
Komplexe Stoffe, die aus diesen Nichtmetallen bestehen: Kieselsäure (Siliziumoxid, Quarzsand) SiO 2; Siliziumkarbid (Korund) SiC; Borcarbid, Bornitrid usw.

Physikalische Eigenschaften von Stoffen mit einem atomaren Kristallgitter:

— Stärke;

— Feuerfestigkeit (hoher Schmelzpunkt);

— geringe elektrische Leitfähigkeit;

— geringe Wärmeleitfähigkeit;

— chemische Inertheit (inaktive Substanzen);

- Unlöslichkeit in Lösungsmitteln.

Molekulares Kristallgitter- Dies ist ein Gitter, an dessen Knoten sich befinden Moleküle. Hält Moleküle im Kristall schwache Kräfte der intermolekularen Anziehung (Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen oder elektrostatische Anziehung). Dementsprechend ist ein solches Kristallgitter in der Regel ziemlich leicht zu zerstören. Stoffe mit molekularem Kristallgitter – schmelzbar, zerbrechlich. Je größer die Anziehungskraft zwischen Molekülen ist, desto höher ist der Schmelzpunkt der Substanz. In der Regel liegen die Schmelztemperaturen von Stoffen mit molekularem Kristallgitter nicht über 200-300K. Daher liegen unter normalen Bedingungen die meisten Substanzen mit einem molekularen Kristallgitter in der Form vor Gase oder Flüssigkeiten. Ein molekulares Kristallgitter wird in der Regel in fester Form durch Säuren, Nichtmetalloxide, andere binäre Verbindungen von Nichtmetallen, einfache Stoffe, die stabile Moleküle bilden (Sauerstoff O 2, Stickstoff N 2, Wasser H 2 O, usw.), organische Stoffe. In der Regel handelt es sich dabei um Stoffe mit einer kovalenten polaren (seltener unpolaren) Bindung. Weil Elektronen sind an chemischen Bindungen beteiligt, Stoffe mit einem molekularen Kristallgitter - Dielektrika leiten die Wärme nicht gut.

Kommunikation zwischen Teilchen in Molekülkristallen: m intermolekulare, elektrostatische oder intermolekulare Anziehungskräfte.

An den Knoten des Kristalls mit einer molekularen Kristallstruktur lokalisiert Moleküle.

Phasenzustand Molekülkristalle unter normalen Bedingungen: Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe.

Substanzen, bildet sich im festen Zustand molekulare Kristalle:

Einfache nichtmetallische Substanzen, die kleine, starke Moleküle bilden (O 2, N 2, H 2, S 8 usw.);
Komplexe Stoffe (Nichtmetallverbindungen) mit polaren kovalenten Bindungen (außer Silizium- und Boroxide, Silizium- und Kohlenstoffverbindungen) - Wasser H 2 O, Schwefeloxid SO 3 usw.
Einatomige Edelgase (Helium, Neon, Argon, Krypton usw.);
Die meisten organischen Substanzen besitzen keine ionischen Bindungen — Methan CH 4, Benzol C 6 H 6 usw.

Physikalische Eigenschaften Stoffe mit molekularem Kristallgitter:

— Schmelzbarkeit (niedriger Schmelzpunkt):

— hohe Kompressibilität;

— Molekülkristalle in fester Form sowie in Lösungen und Schmelzen leiten keinen Strom;

- Phasenzustand unter Normalbedingungen – Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe;

— hohe Volatilität;

- geringe Härte.

Ionenkristallgitter

Wenn sich an den Kristallknoten geladene Teilchen befinden – Ionen, darüber können wir reden Ionenkristallgitter . Typischerweise wechseln sich Ionenkristalle ab positive Ionen(Kationen) und negative Ionen(Anionen), sodass die Partikel im Kristall festgehalten werden Kräfte der elektrostatischen Anziehung . Abhängig von der Art des Kristalls und der Art der Ionen, die den Kristall bilden, können solche Substanzen sein ziemlich langlebig und feuerfest. Im festen Zustand gibt es in Ionenkristallen normalerweise keine beweglichen geladenen Teilchen. Wenn sich der Kristall jedoch auflöst oder schmilzt, werden Ionen freigesetzt und können sich unter dem Einfluss von außen bewegen elektrisches Feld. Diese. Nur Lösungen oder Schmelzen leiten Strom Ionenkristalle. Das ionische Kristallgitter ist charakteristisch für Stoffe mit ionische chemische Bindung. Beispiele solche Substanzen - Salz NaCl, Kalziumkarbonat– CaCO 3 usw. In der festen Phase bildet sich in der Regel ein ionisches Kristallgitter Salze, Basen sowie Metalloxide und binäre Verbindungen von Metallen und Nichtmetallen.

Kommunikation zwischen Teilchen in Ionenkristallen: .

An den Knoten des Kristalls mit einem ionischen Gitter lokalisiert Ionen.

Phasenzustand Ionenkristalle unter normalen Bedingungen: in der Regel Feststoffe.

Chemikalien mit Ionenkristallgitter:

Salze (organisch und anorganisch), einschließlich Ammoniumsalze (Zum Beispiel, Ammoniumchlorid NH 4 Cl);
Gründe;
Metalloxide;
Binäre Verbindungen, die Metalle und Nichtmetalle enthalten.

Physikalische Eigenschaften von Stoffen mit ionischer Kristallstruktur:

— hoher Schmelzpunkt (Feuerfestigkeit);

— Lösungen und Schmelzen von Ionenkristallen sind Stromleiter;

— Die meisten Verbindungen sind in polaren Lösungsmitteln (Wasser) löslich.

– Festphasenzustand für die meisten Verbindungen unter normalen Bedingungen.

Und schließlich werden Metalle charakterisiert besondere Art räumliche Struktur – Metallkristallgitter, was fällig ist Chemische Metallbindung . Metallatome halten Valenzelektronen eher schwach. In einem aus einem Metall gebildeten Kristall laufen folgende Prozesse gleichzeitig ab: Manche Atome geben Elektronen ab und werden zu positiv geladenen Ionen; diese Elektronen bewegen sich zufällig im Kristall; Einige Elektronen werden von Ionen angezogen. Diese Prozesse laufen gleichzeitig und chaotisch ab. Auf diese Weise, Es entstehen Ionen , wie bei der Bildung einer Ionenbindung, und Es entstehen gemeinsame Elektronen , wie bei der Bildung einer kovalenten Bindung. Freie Elektronen bewegen sich wie ein Gas zufällig und kontinuierlich durch das gesamte Volumen des Kristalls. Deshalb werden sie manchmal auch „ Elektronengas " Aufgrund der Verfügbarkeit große Zahl bewegliche geladene Metallteilchen leiten Strom und Wärme. Der Schmelzpunkt von Metallen variiert stark. Auch Metalle werden charakterisiert ein eigenartiger metallischer Glanz, Formbarkeit, d.h. die Fähigkeit, unter starker mechanischer Belastung zerstörungsfrei ihre Form zu verändern, weil chemische Bindungen Sie werden jedoch nicht zerstört.

Kommunikation zwischen Teilchen : .

An den Knoten des Kristalls mit Metallgitter angebracht Metallionen und Atome.

Phasenzustand Metalle unter normalen Bedingungen: normalerweise Feststoffe(Ausnahme ist Quecksilber, das unter normalen Bedingungen flüssig ist).

Chemikalien mit einem Metallkristallgitter - einfache Stoffe - Metalle.

Physikalische Eigenschaften von Stoffen mit einem Metallkristallgitter:

— hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit;

— Formbarkeit und Plastizität;

- metallischer Schimmer;

- Metalle sind normalerweise in Lösungsmitteln unlöslich;

- Die meisten Metalle sind unter normalen Bedingungen Feststoffe.

Vergleich der Eigenschaften von Stoffen mit unterschiedlichen Kristallgittern

Die Art des Kristallgitters (oder das Fehlen eines Kristallgitters) ermöglicht die Beurteilung der grundlegenden physikalischen Eigenschaften einer Substanz. Für einen ungefähren Vergleich der typischen physikalischen Eigenschaften von Verbindungen mit unterschiedlichen Kristallgittern ist es sehr praktisch Chemikalien Mit charakteristische Eigenschaften. Für ein Molekülgitter ist dies beispielsweise Kohlendioxid, für ein atomares Kristallgitter - Diamant, für Metall - Kupfer und für das Ionenkristallgitter - Salz, Natriumchlorid NaCl.

Übersichtstabelle der gebildeten Strukturen einfacher Substanzen chemische Elemente aus den Hauptnebengruppen des Periodensystems (Elemente der Nebennebengruppen sind Metalle, haben daher ein metallisches Kristallgitter).

Die letzte Tabelle zum Zusammenhang zwischen den Eigenschaften von Stoffen und ihrer Struktur:

Fortsetzung der Tabelle. Z4

Sie bestehen aus Molekülen (polaren und unpolaren), die durch schwache Wasserstoff-, intermolekulare und elektrostatische Kräfte miteinander verbunden sind. Daher haben Molekülkristalle eine geringe Härte, niedrige Schmelzpunkte, sind in Wasser schlecht löslich, leiten keinen Strom und sind sehr flüchtig. Das Molekülgitter besteht aus Eis, festem Kohlendioxid („Trockeneis“), festen Halogenwasserstoffen und festen einfachen Substanzen, die aus Ein- (Edelgasen), Zwei- (F 2, Cl 2, Br 2, J 2, H) bestehen 2, N 2 , O 2), drei- (O 3), vier- (P 4), acht- (S 8) atomare Moleküle, viele kristalline organische Verbindungen. Bestehen aus Metallatomen oder -ionen, die durch Metallbindungen verbunden sind. Die Knoten von Metallgittern sind mit positiven Ionen besetzt, zwischen denen sich Valenzelektronen bewegen, die sich in einem freien Zustand (Elektronengas) befinden. Der Metallgrill ist langlebig. Dies erklärt die Härte, geringe Flüchtigkeit und die hohen Schmelz- und Siedepunkte, die für die meisten Metalle charakteristisch sind. Es bestimmt auch charakteristische Eigenschaften von Metallen wie elektrische und thermische Leitfähigkeit, Glanz, Formbarkeit, Plastizität, Opazität und photoelektrischen Effekt. Reine Metalle und Legierungen haben ein metallisches Kristallgitter.

Kristalle werden anhand ihrer elektrischen Leitfähigkeit in drei Klassen eingeteilt:

Dirigenten der ersten Art– elektrische Leitfähigkeit 10 4 - 10 6 (Ohm×cm) -1 – Stoffe mit einem Metallkristallgitter, gekennzeichnet durch das Vorhandensein von „Stromträgern“ – frei beweglichen Elektronen (Metalle, Legierungen).

Dielektrika (Isolatoren)– elektrische Leitfähigkeit 10 -10 -10 -22 (Ohm×cm) -1 – Stoffe mit einem atomaren, molekularen und seltener ionischen Gitter, die eine hohe Bindungsenergie zwischen Partikeln haben (Diamant, Glimmer, organische Polymere usw.).

Halbleiter– elektrische Leitfähigkeit 10 4 -10 -10 (Ohm×cm) -1 – Stoffe mit einem atomaren oder ionischen Kristallgitter, die eine schwächere Bindungsenergie zwischen Teilchen haben als Isolatoren. Mit steigender Temperatur steigt die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern (Grauzinn, Bor, Silizium etc.)

Kontrollfragen und Aufgaben

1. Beschreiben Sie die duale Natur des Elektrons, die Gleichung von de Broglie, die Unschärferelation von Heisenberg, Wellengleichung Schrödinger.

2. Spektren von Atomen als Informationsquelle über ihre Struktur. Quantenzahlen.

3. Grundprinzipien der Besetzung von Orbitalen mit Elektronen (Pauli-Prinzip, Prinzip der geringsten Energie, Hundsche Regel).

4. Elektronische Formeln und elektronische Strukturdiagramme von Atomen.

5. Bestimmung der Valenzfähigkeiten eines Elements anhand der Struktur der elektronischen Hüllen des Atoms.

6. Charakterisieren Sie die Eigenschaften eines Elements anhand seiner Position im PSE.

7. Das physikalische Wesen einer chemischen Bindung. Arten chemischer Bindungen, ihre Eigenschaften: Energie, Länge, Richtung.

8. Grundlegende Bestimmungen des MMS und MMO. MO binden und lösen. Vielfalt der Kommunikation in MMOs.

9. Arten kovalenter Bindungen. Eigenschaften kovalenter Bindungen: Sättigung, Polarität, Polarisierbarkeit, Direktionalität, Hybridisierung. Räumliche Anordnung der Atome in einem Molekül. Vielfalt und Delokalisierung der Kommunikation.

10. Ionenverbindung, seine Eigenschaften. allgemeine Charakteristiken Metallbindung, Wasserstoffbindung, intermolekulare Wechselwirkungen.

11. Merkmale des Aggregatzustands von Stoffen.

Eines der erstaunlichsten Elemente, das eine Vielzahl organischer und anorganischer Verbindungen bilden kann, ist Kohlenstoff. Dies ist ein Element mit solch ungewöhnlichen Eigenschaften, dass Mendelejew ihm eine große Zukunft vorhersagte und über Merkmale sprach, die noch nicht enthüllt worden waren.

Später wurde dies praktisch bestätigt. Es wurde bekannt, dass es das wichtigste biogene Element unseres Planeten ist, Teil absolut aller Lebewesen. Darüber hinaus ist es in der Lage, in Formen zu existieren, die sich in jeder Hinsicht radikal unterscheiden, gleichzeitig aber nur aus Kohlenstoffatomen bestehen.

Im Allgemeinen weist diese Struktur viele Merkmale auf, die wir im Laufe des Artikels versuchen werden, zu verstehen.

Kohlenstoff: Formel und Stellung im System der Elemente

Im Periodensystem befindet sich das Element Kohlenstoff in der Gruppe IV (nach dem neuen Modell in 14), der Hauptuntergruppe. Seine Ordnungszahl beträgt 6 und sein Atomgewicht beträgt 12,011. Die Bezeichnung eines Elements mit dem Zeichen C gibt seinen lateinischen Namen an – Carboneum. Es gibt verschiedene Formen, in denen Kohlenstoff vorliegt. Seine Formel variiert daher und hängt von der jeweiligen Modifikation ab.

Allerdings gibt es natürlich eine spezielle Notation zum Schreiben von Reaktionsgleichungen. Im Allgemeinen, wenn es um eine Substanz in geht reiner Form, die Summenformel von Kohlenstoff ist C, ohne Indexierung.

Geschichte der Elemententdeckung

Dieses Element selbst ist seit der Antike bekannt. Schließlich ist es eines der wichtigsten Mineralien der Natur Kohle. Daher war es für die alten Griechen, Römer und andere Nationen kein Geheimnis.

Neben dieser Sorte wurden auch Diamanten und Graphit verwendet. Mit dem letzten lange Zeit Es gab viele verwirrende Situationen, da oft ohne Analyse der Zusammensetzung die folgenden Verbindungen mit Graphit verwechselt wurden:

Silberblei;
Eisenkarbid;
Molybdänsulfid.

Alle waren schwarz lackiert und galten daher als Graphit. Dieses Missverständnis wurde später geklärt und diese Form Kohlenstoff wurde zu sich selbst.

Seit 1725 haben Diamanten eine große kommerzielle Bedeutung erlangt und 1970 wurde die Technologie zu ihrer künstlichen Herstellung beherrscht. Dank der Arbeit von Karl Scheele werden seit 1779 die chemischen Eigenschaften von Kohlenstoff untersucht. Dies war der Beginn einer Reihe wichtiger Entdeckungen auf dem Gebiet dieses Elements und bildete die Grundlage für die Aufklärung aller seiner einzigartigen Eigenschaften.

Kohlenstoffisotope und Verteilung in der Natur

Trotz der Tatsache, dass das betreffende Element eines der wichtigsten biogenen Elemente ist, ist sein Gesamtgehalt in der Masse gering Erdkruste beträgt 0,15 %. Dies geschieht, weil es einer ständigen Zirkulation unterliegt, dem natürlichen Kreislauf der Natur.

Im Allgemeinen können wir mehrere Mineralverbindungen nennen, die Kohlenstoff enthalten. Dies sind natürliche Rassen wie:

Dolomite und Kalksteine;
Anthrazit;
Ölschiefer;
Erdgas;
Kohle;
Öl;
Braunkohle;
Torf;
Bitumen.

Darüber hinaus sollten wir die Lebewesen nicht vergessen, die lediglich ein Speicher für Kohlenstoffverbindungen sind. Schließlich bildet es Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren und damit die wichtigsten Strukturmoleküle. Im Allgemeinen entfallen von 70 kg trockener Körpermasse 15 auf das reine Element. Und so ist es bei jedem Menschen, ganz zu schweigen von Tieren, Pflanzen und anderen Lebewesen.

Betrachtet man Wasser, also die Hydrosphäre als Ganzes und die Atmosphäre, dann liegt ein Gemisch aus Kohlenstoff und Sauerstoff vor, ausgedrückt durch die Formel CO 2. Kohlendioxid oder Kohlendioxid ist eines der Hauptgase, aus denen Luft besteht. In dieser Form beträgt der Massenanteil von Kohlenstoff 0,046 %. Noch mehr Kohlendioxid ist in den Gewässern der Weltmeere gelöst.

Die Atommasse des Elements Kohlenstoff beträgt 12,011. Es ist bekannt, dass dieser Wert als arithmetisches Mittel zwischen den Atomgewichten aller in der Natur vorkommenden Isotopenarten unter Berücksichtigung ihrer Häufigkeit (in) berechnet wird Prozentsatz). Dies geschieht mit der betreffenden Substanz. Es gibt drei Hauptisotope, in denen Kohlenstoff vorkommt. Das:

12 C – sein Massenanteil beträgt überwiegend 98,93 %;
13 °C – 1,07 %;
14 C – radioaktiv, Halbwertszeit 5700 Jahre, stabiler Betastrahler.

In der Praxis zur Bestimmung des geochronologischen Alters von Proben wird häufig das radioaktive Isotop 14 C verwendet, das aufgrund seiner langen Zerfallszeit ein Indikator ist.

Allotrope Modifikationen des Elements

Kohlenstoff ist ein Element, das als einfache Substanz in mehreren Formen existiert. Das heißt, es ist in der Lage, die größte Anzahl heute bekannter allotroper Modifikationen zu bilden.

1. Kristalline Variationen – liegen in Form starker Strukturen mit regelmäßigen Atomgittern vor. Zu dieser Gruppe gehören Sorten wie:

Diamanten;
Fullerene;
Graphite;
Karabiner;
Lonsdaleiten;
und Röhren.

Sie alle unterscheiden sich in der Struktur des Kristallgitters, in dessen Knoten sich ein Kohlenstoffatom befindet. Daher die völlig einzigartigen, unterschiedlichen Eigenschaften, sowohl physikalisch als auch chemisch.

2. Amorphe Formen – sie werden von einem Kohlenstoffatom gebildet, das Teil einiger natürlicher Verbindungen ist. Das heißt, es handelt sich nicht um reine Sorten, sondern um Beimischungen anderer Elemente eine kleine Menge. Zu dieser Gruppe gehören:

Aktivkohle;
Stein und Holz;
Ruß;
Kohlenstoff-Nanoschaum;
Anthrazit;
glasiger Kohlenstoff;
technische Vielfalt eines Stoffes.

Sie eint auch die Strukturmerkmale des Kristallgitters, die Eigenschaften erklären und darstellen.

3. Kohlenstoffverbindungen in Form von Clustern. Hierbei handelt es sich um eine Struktur, in der die Atome in einer speziellen Konformation eingeschlossen sind, die von innen hohl ist und mit Wasser oder den Kernen anderer Elemente gefüllt ist. Beispiele:

Kohlenstoff-Nanokegel;
Astralen;
Dikohlenstoff.

Physikalische Eigenschaften von amorphem Kohlenstoff

Aufgrund der großen Vielfalt allotroper Modifikationen ist es schwierig, allgemeine physikalische Eigenschaften für Kohlenstoff zu ermitteln. Es ist einfacher, über eine bestimmte Form zu sprechen. Amorpher Kohlenstoff weist beispielsweise die folgenden Eigenschaften auf.

Alle Formen basieren auf feinkristallinen Graphitsorten.
Hohe Wärmekapazität.
Gute Leiteigenschaften.
Die Kohlenstoffdichte beträgt etwa 2 g/cm3.
Beim Erhitzen über 1600 0 C kommt es zu einem Übergang zu Graphitformen.

Für technische Zwecke werden häufig Ruß- und Steinsorten verwendet. Sie sind keine Manifestation der Kohlenstoffmodifikation in reiner Form, enthalten sie jedoch in sehr großen Mengen.

Kristalliner Kohlenstoff

Es gibt mehrere Möglichkeiten, bei denen Kohlenstoff die Substanz ist, die regelmäßige Kristalle bildet verschiedene Arten, wobei die Atome in Reihe geschaltet sind. Als Ergebnis werden die folgenden Modifikationen gebildet.

- kubisch, in dem vier Tetraeder verbunden sind. Dadurch sind alle kovalenten chemischen Bindungen jedes Atoms möglichst gesättigt und stark. Dies erklärt die physikalischen Eigenschaften: Kohlenstoffdichte 3300 kg/m3. Hohe Härte, geringe Wärmekapazität, mangelnde elektrische Leitfähigkeit – all das ist auf die Struktur des Kristallgitters zurückzuführen. Es gibt technisch hergestellte Diamanten. Sie entstehen beim Übergang von Graphit zur nächsten Modifikation unter dem Einfluss hoher Temperatur und eines bestimmten Drucks. Im Allgemeinen ist sie so hoch wie die Festigkeit – etwa 3500 0 C.
Graphit. Die Anordnung der Atome ähnelt der Struktur der vorherigen Substanz, allerdings sind nur drei Bindungen gesättigt und die vierte wird länger und weniger stark; sie verbindet die „Schichten“ der hexagonalen Gitterringe. Als Ergebnis stellt sich heraus, dass Graphit eine weiche, fettige schwarze Substanz ist, die sich anfühlt. Hat gute elektrische Leitfähigkeit und hat einen hohen Schmelzpunkt - 3525 0 C. Sublimationsfähig - Sublimation von einem festen in einen gasförmigen Zustand unter Umgehung der Flüssigkeit (bei einer Temperatur von 3700 0 C). Die Dichte von Kohlenstoff beträgt 2,26 g/cm3 und ist damit viel niedriger als die von Diamant. Dies erklärt ihre unterschiedlichen Eigenschaften. Aufgrund der geschichteten Struktur des Kristallgitters kann Graphit zur Herstellung von Bleistiftminen verwendet werden. Beim Überstreichen von Papier lösen sich die Schuppen und hinterlassen einen schwarzen Fleck auf dem Papier.
Fullerene. Sie wurden erst in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts entdeckt. Dabei handelt es sich um Modifikationen, bei denen Kohlenstoffe zu einer speziellen konvexen geschlossenen Struktur mit einem Hohlraum in der Mitte miteinander verbunden sind. Darüber hinaus ist die Kristallform polyedrisch, richtige Organisation. Die Anzahl der Atome ist gerade. Die bekannteste Form von Fulleren C 60. Bei der Recherche wurden Proben einer ähnlichen Substanz gefunden:

Meteoriten;
Bodensedimente;
Folguriten;
Schungite;
Weltraum, wo sie in Form von Gasen enthalten waren.

Alle Arten von kristallinem Kohlenstoff haben eine wichtige Bedeutung praktische Bedeutung, weil sie eine Reihe nützlicher Eigenschaften in der Technik haben.

Chemische Aktivität

Molekularer Kohlenstoff weist aufgrund seiner stabilen Konfiguration eine geringe chemische Reaktivität auf. Es kann nur zu einer Reaktion gezwungen werden, indem man dem Atom zusätzliche Energie zuführt und die Elektronen der äußeren Ebene zum Verdampfen zwingt. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Wertigkeit 4. Daher hat es in Verbindungen eine Oxidationsstufe von + 2, + 4, - 4.

Fast alle Reaktionen mit einfachen Stoffen, sowohl Metallen als auch Nichtmetallen, laufen unter dem Einfluss hoher Temperaturen ab. Das betreffende Element kann entweder ein Oxidationsmittel oder ein Reduktionsmittel sein. Die letztgenannten Eigenschaften sind jedoch bei ihm besonders ausgeprägt, und darauf beruht seine Verwendung in der Metallurgie und anderen Industrien.

Im Allgemeinen hängt die Fähigkeit, chemische Wechselwirkungen einzugehen, von drei Faktoren ab:

Kohlenstoffdispersion;
allotrope Modifikation;
Reaktionstemperatur.

So kommt es in manchen Fällen zu Wechselwirkungen mit folgenden Stoffen:

Nichtmetalle (Wasserstoff, Sauerstoff);
Metalle (Aluminium, Eisen, Kalzium und andere);
Metalloxide und ihre Salze.

Reagiert nicht mit Säuren und Laugen, sehr selten mit Halogenen. Die wichtigste Eigenschaft von Kohlenstoff ist die Fähigkeit, untereinander lange Ketten zu bilden. Sie können sich in einem Kreislauf schließen und Verzweigungen bilden. Auf diese Weise entstehen organische Verbindungen, deren Zahl heute in Millionenhöhe liegt. Die Basis dieser Verbindungen sind zwei Elemente – Kohlenstoff und Wasserstoff. Die Zusammensetzung kann auch andere Atome enthalten: Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Halogene, Phosphor, Metalle und andere.

Grundlegende Zusammenhänge und ihre Eigenschaften

Es gibt viele verschiedene Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten. Die Formel der bekanntesten von ihnen lautet CO 2 – Kohlendioxid. Neben diesem Oxid gibt es jedoch auch CO-Monoxid oder Kohlenmonoxid sowie das Suboxid C 3 O 2.

Unter den Salzen, die dieses Element enthalten, sind Calcium- und Magnesiumcarbonate am häufigsten. So hat Calciumcarbonat mehrere Synonyme im Namen, da es in der Natur in der Form vorkommt:

Kreide;
Marmor;
Kalkstein;
Dolomit

Die Bedeutung von Erdalkalicarbonaten zeigt sich darin, dass sie aktiv an der Bildung von Stalaktiten und Stalagmiten sowie dem Grundwasser beteiligt sind.

Kohlensäure ist eine weitere Verbindung, die Kohlenstoff bildet. Seine Formel lautet H 2 CO 3. In seiner üblichen Form ist es jedoch äußerst instabil und zerfällt in Lösung sofort in Kohlendioxid und Wasser. Daher sind nur seine Salze bekannt und nicht sich selbst als Lösung.

Kohlenstoffhalogenide werden hauptsächlich indirekt gewonnen, da direkte Synthesen nur mit sehr wenigen Verbindungen erfolgen hohe Temperaturen und mit geringer Produktausbeute. Eines der häufigsten ist CCL 4 – Tetrachlorkohlenstoff. Eine giftige Verbindung, die beim Einatmen zu Vergiftungen führen kann. Erhalten durch radikale photochemische Substitutionsreaktionen in Methan.

Metallcarbide sind Kohlenstoffverbindungen, in denen es die Oxidationsstufe 4 aufweist. Es sind auch Kombinationen mit Bor und Silizium möglich. Die Haupteigenschaft von Karbiden einiger Metalle (Aluminium, Wolfram, Titan, Niob, Tantal, Hafnium) ist hohe Festigkeit und ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit. Borcarbid B 4 C ist nach Diamant einer der härtesten Stoffe (9,5 nach Mohs). Diese Verbindungen werden sowohl in der Technik als auch in der chemischen Industrie als Kohlenwasserstoffquellen eingesetzt (Calciumcarbid mit Wasser führt zur Bildung von Acetylen und Calciumhydroxid).

Viele Metalllegierungen werden aus Kohlenstoff hergestellt, wodurch ihre Qualität deutlich erhöht wird technische Eigenschaften(Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff).

Besondere Aufmerksamkeit verdienen zahlreiche organische Kohlenstoffverbindungen, in denen es sich um ein Grundelement handelt, das sich mit denselben Atomen zu langen Ketten unterschiedlicher Struktur verbinden kann. Diese beinhalten:

Alkane;
Alkene;
Arenen;
Proteine;
Kohlenhydrate;
Nukleinsäuren;
Alkohole;
Carbonsäuren und viele andere Stoffklassen.

Anwendung von Kohlenstoff

Die Bedeutung von Kohlenstoffverbindungen und ihren allotropen Modifikationen im menschlichen Leben ist sehr groß. Um zu verdeutlichen, dass dies tatsächlich der Fall ist, können Sie einige der globalsten Branchen nennen.

Dieses Element bildet alle Arten organischer Brennstoffe, aus denen der Mensch Energie gewinnt.
Die metallurgische Industrie nutzt Kohlenstoff als starkes Reduktionsmittel, um aus ihren Verbindungen Metalle zu gewinnen. Auch Carbonate werden hier häufig eingesetzt.
Bau und chemische Industrie verbrauchen große Mengen an Kohlenstoffverbindungen, um neue Stoffe zu synthetisieren und die notwendigen Produkte zu erhalten.

Sie können auch solche Wirtschaftszweige nennen wie:

Nuklearindustrie;
Schmuckherstellung;
technische Ausrüstung (Schmiermittel, hitzebeständige Tiegel, Bleistifte usw.);
Bestimmung des geologischen Alters von Gesteinen - radioaktiver Indikator 14 C;
Kohlenstoff ist ein ausgezeichnetes Adsorptionsmittel und kann daher zur Herstellung von Filtern verwendet werden.

Radfahren in der Natur

Die in der Natur vorkommende Kohlenstoffmasse ist in einen konstanten Kreislauf eingebunden, der zyklisch jede Sekunde abläuft zum Globus. Also, atmosphärische Quelle Kohlenstoff – CO 2 – wird von Pflanzen aufgenommen und von allen Lebewesen bei der Atmung abgegeben. Sobald es in die Atmosphäre gelangt, wird es wieder absorbiert und so geht der Kreislauf weiter. In diesem Fall führt das Absterben organischer Überreste zur Freisetzung von Kohlenstoff und dessen Anreicherung im Boden, von wo aus er dann wieder von lebenden Organismen aufgenommen und in Form von Gas in die Atmosphäre abgegeben wird.