Uwzględniając rodzaj wiązań, który decyduje o właściwościach fizycznych kryształów wyróżniamy:

bg‑azure

Kryształy molekularne

Kryształy molekularnekryształ molekularny, kryształ cząsteczkowyKryształy molekularne są zbudowane z odrębnych cząsteczek, które weszły w interakcję dzięki oddziaływaniom międzycząsteczkowym (van der Waalsa). Takie struktury tworzą związki organiczne lub zestalone gazy. Wspomniane oddziaływania między cząsteczkami są słabe, co skutkuje m.in. stosunkowo małą twardością kryształów molekularnych i niską temperaturą topnienia. Przykładowymi związkami chemicznymi, które tworzą analizowane kryształy są jod oraz naftalen (popularnie nazywany naftaliną). Dodatkowo warto wspomnieć, że kryształy molekularne:

  • nie przewodzą prądu elektrycznego,

  • nie ulegają dysocjacji jonowej,

  • słabo rozpuszczają się w wodzie i innych rozpuszczalnikach polarnych,

  • dobrze rozpuszczają się w niepolarnych rozpuszczalnikach (np. benzen, benzyna),

  • mają niskie temperatury topnienia,

  • są bardzo reaktywne.

Ciekawostka

W kryształach molekularnych niektórych niepolarnych substancji, oddziaływania między drobinami są na tyle słabe, że pojedyncze cząsteczki mogą odrywać się od kryształu (ciała stałego), zmieniając tym samym stan skupienia na gazowy. Opisana przemiana to sublimacja. Przykładem substancji, która stosunkowo łatwo ulega sublimacji jest jod. Proces odwrotny do sublimacji to resublimacja.

bg‑azure

Kryształy kowalencyjne

kryształach kowalencyjnychkryształy kowalencyjne, atomowekryształach kowalencyjnych (atomowych) atomy są ze sobą związane za pomocą wiązań kowalencyjnych. Podobnie jak w kryształach jonowych, także w kryształach atomowych traci sens pojęcie cząsteczki. W analizowanych układach nie można bowiem wyróżnić pojedynczych cząsteczek – cały kryształ kowalencyjny (atomowy) trzeba traktować jako jedną olbrzymią cząsteczkę. Sztandarowym przykładem kryształu kowalencyjnego jest diament. W sieci krystalicznej diamentu, każdy atom węgla łączy się z czterema innymi atomami węgla za pomocą wiązań kowalencyjnych. Regularna sieć przestrzenna diamentu sprawia, że jest on najtwardszą znaną substancją – przypisuje mu się twardość 10 w skali Mohsa. Wykorzystanie wszystkich elektronów walencyjnych atomów węgla do utworzenia wiązań kowalencyjnych powoduje, że diament jest izolatorem elektrycznym. Podobny układ występuje w krzemie i germanie.

Dodatkowo, kryształy kowalencyjne:

  • nie ulegają dysocjacji jonowej,

  • mają wysoką temperaturę topnienia,

  • są niereaktywne.

RsFdnISQo0l49
Struktura krystaliczna diamentu
Źródło: GroMar sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1XVNiIki6s3j
Ametyst – odmiana kwarcu o zabarwieniu fioletowym lub purpurowym. Barwa tego minerału jest wynikiem obecności jonów żelaza.
Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.
bg‑azure

Kryształy jonowe

Kryształy jonowe są tworzone tylko przez związki chemiczne o budowie jonowej, m.in. tlenki i sole metali 1.2. grupy układu okresowego. W stanie stałym związki te tworzą jonowe sieci krystaliczne, w których na przemian rozmieszczone są jony dodatnie i ujemne.

Przykładowymi związkami chemicznymi, które tworzą kryształy jonowekryształy jonowekryształy jonowe są:

  • tlenki metali alkalicznych, np.: tlenek sodu, tlenek potasu,

  • wodorotlenki metali alkalicznych, np. wodorotlenek litu,

  • sole metali alkalicznych, np.: chlorek sodu, jodek potasu.

Analizowane kryształy zbudowane są z jonów rozmieszczonych równomiernie w sieci krystalicznej. Jony te działają na siebie siłami przyciągania elektrostatycznego, których wartości są dość znaczne. Dlatego też kryształy związków o wiązaniu jonowym wykazują specyficzne właściwości fizyczne tj.:

  • posiadają wysokie temperatury wrzenia, np. chlorek sodu wrze w temperaturze 1413°C,

  • posiadają wysokie temperatury topnienia, np. chlorek sodu topi się w temperaturze 801°C (proces topienia związku jonowego wymaga użycia dużych ilości energii w celu zerwania wszystkich wiązań jonowych w krysztale),

  • odznaczają się stosunkowo dużą twardością,

  • w stanie stopionym i w roztworze wodnym przewodzą prąd,

  • najczęściej dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach polarnych.

RuMmjPutQQ8X3
Kryształy halitu. Halit lub sól kamienna jest mineralną postacią chlorku sodu. Tworzy sześcienne kryształy. Występuje w minerałach odparowujących, które powstają w wyniku wysychania zamkniętych jezior i mórz.
Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.

Związki jonowe są na ogół twarde, ale kruche. Dlaczego? Potrzeba dużej siły mechanicznej, takiej jak np. uderzenie kryształu młotkiem, aby doprowadzić do przesunięcia jednej warstwy jonów budującej kryształ, względem drugiej warstwy. W takiej sytuacji, zbliżają się do siebie jony o tym samym ładunku (patrz rysunek poniżej). Jony te odpychają się, powodując tym samym rozbicie (rozkruszenie) kryształu.

R16QTijZyQIZx
(A) Kryształ chlorku sodu pokazano w dwóch wymiarach. (B) Po uderzeniu młotem ujemnie naładowane jony chlorkowe zbliżają się do siebie, a siły odpychające między nimi powodują rozbicie kryształu.
Źródło: GroMar sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Polecenie 1

Badanie przewodnictwa kryształów jonowych

Inną charakterystyczną właściwością związków jonowych jest ich przewodnictwo elektryczne. Poniższy rysunek przedstawia trzy eksperymenty, w których dwie elektrody podłączone do żarówki są umieszczone w zlewkach zawierających trzy różne substancje. Przeanalizuj schemat i zapisz wynikające z niego obserwacje i wnioski.

Inną charakterystyczną właściwością związków jonowych jest ich przewodnictwo elektryczne. Zapoznaj się z opisem rysunku przedstawiającego trzy eksperymenty, w których dwie elektrody podłączone do żarówki są umieszczone w zlewkach zawierających trzy różne substancje. Zapisz wynikające z niego obserwacje i wnioski.

R11RYubFEayQl
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1cm9iPB25YsU
(Uzupełnij).

Rozpuszczalność kryształów

Kryształy jonowe, np. chlorku sodu, siarczanu(VI) miedzi(II) – CuSO4 czy siarczanu(VI) żelaza(II) – FeSO4, są łatwo rozpuszczalne w rozpuszczalnikach polarnych w przeciwieństwie do kryształów kowalencyjnych, np. kryształów diamentu.

bg‑azure

Kryształy o wiązaniach metalicznych

Kryształy metalicznekryształy metaliczneKryształy metaliczne występują w czystych metalach i ich stopach. W sieci kryształu metalicznego węzły sieci przestrzennej są obsadzone przez gęsto upakowane dodatnie rdzenie atomowe pozbawione elektronów walencyjnych. Odłączone od rdzenia elektrony tworzą tzw. “gaz elektronowy”, czyli zdelokalizowaną chmurę ładunku ujemnego.

RiDaCqBfAR5Xj
Schemat kryształu metalicznego
Źródło: GroMar Sp. z o. o. na podstawie: https://epodreczniki.open.agh.edu.pl/tiki-index.php?page=Typy%20wi%C4%85za%C5%84%20chemicznych, licencja: CC BY-SA 3.0.

Obecność „chmury elektronowej” zapewnia kryształom metalicznym przewodnictwo elektronowe. Z kolei kationowa budowa sieci krystalicznej zapewnia metalom plastyczność, której nie mają kryształy jonowe. Sieć taka charakteryzuje się m.in. dobrą przewodnością cieplną i elektryczną oraz kowalnością (zdolnością do przyjmowania przez metal dowolnych kształtów, co jest wynikiem braku ukierunkowania wiązań metalicznych). Przemieszczanie się kationów w sieci krystalicznej metalu, w wyniku działania siły zewnętrznej, nieznacznie wpływa na oddziaływania między elementami struktury kryształu (kationami) – jądra atomowe w tym typie kryształów przemieszczają się łatwo względem siebie nawzajem.

R1AGY9IjnvhE51
Przemieszczanie się kationów w sieci krystalicznej metalu w wyniku działania siły zewnętrznej.
Źródło: GroMar Sp. z o. o. na podstawie: https://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/chemia/a_e_chemia/2_stany_skupienia/04_01_04.htm, licencja: CC BY-SA 3.0.
RAuQpapkXiIQX
(A) Kryształ aluminium pokazano w dwóch wymiarach. (B) Po uderzeniu młotem, dodatnio naładowane jony zbliżają się do siebie razem z chmurą elektronową, dzięki czemu nie następuje rozbicie kryształu, a jedynie jego deformacja.
Źródło: GroMar sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Kryształy metaliczne charakteryzuje:

  • połysk metaliczny;

  • dobre przewodnictwo cieplne dzięki zrębom atomowym, które drgając przekazują sobie energię;

  • dobre przewodnictwo elektryczne;

  • ciągliwość;

  • wysokie temperatury topnienia (wyjątek: litowce, gal, ind, rtęć).

R1e4Pv3v4yIFn
Kryształy złota o czystości <math aria‑label="dziewięćdziesiąt dziewięć przecinek dziewięćdziesiąt dziewięć procent">99,99% wytworzone metodą reakcji transportu chemicznego w atmosferze chloru.
Źródło: Alchemist-hp (talk) www.pse-mendelejew.de, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7611254, licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑azure

Podsumowanie właściwości kryształów

1
Właściwości kryształów

rodzaj właściwości

kowalencyjne (atomowe)

jonowe

metaliczne

molekularne (cząsteczkowe)

właściwości mechaniczne

duża wytrzymałość, duża twardość

duża wytrzymałość, duża twardość

wytrzymałość różna dla różnych metali, na ogół duża, ciągliwość

mała twardość, mała wytrzymałość

właściwości termiczne

temperatury topnienia wysokie, mały współczynnik rozszerzalności cieplnej

temperatury topnienia wysokie, mały współczynnik rozszerzalności cieplnej

temperatury topnienia różne, duży współczynnik rozszerzalności cieplnej

temperatury topnienia niskie, duży współczynnik rozszerzalności cieplnej

przewodnictwo elektryczne

w stanie oczyszczonym nie przewodzą prądu elektrycznego

w stanie stałym źle przewodzą prąd elektryczny, w stanie stopionym i roztworach wodnych wykazują przewodnictwo

przewodniki prądu elektrycznego

nie przewodzą prądu elektrycznego (izolatory)

Słownik

komórka elementarna
komórka elementarna

kryształ; równoległościan stanowiący podstawowy, powtarzający się okresowo w przestrzeni element sieci przestrzennej

kryształ molekularny, kryształ cząsteczkowy
kryształ molekularny, kryształ cząsteczkowy

kryształ, w którym sieć krystaliczną tworzą dobrze zdefiniowane cząsteczki powiązane słabymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi (np. siłami van der Waalsa), natomiast nie występują w niej wiązania jonowe ani wodorowe

kryształy kowalencyjne, atomowe
kryształy kowalencyjne, atomowe

kryształy mające w węzłach sieci krystalicznej obojętne elektrycznie atomy; wiązania tworzą pary elektronów walencyjnych pochodzących od dwóch sąsiednich atomów, elektrony te stanowią wspólną własność obydwu atomów; takie wiązania przejawiają wyraźną kierunkowość, a typowym przykładem jest diament; cechy kryształów kowalencyjnych to duża twardość oraz małe przewodnictwo elektryczne

kryształy jonowe
kryształy jonowe

kryształy, w których węzły sieci krystalicznej są obsadzone przez jony – kationy i aniony, o równoważnej ilości ładunków elektrycznych (dzięki czemu kryształ jonowy jako całość jest elektrycznie obojętny); tworzą je głównie sole składające się z pierwiastków o dużej różnicy elektroujemności, np. NaCl, KF – związki o dominującym charakterze jonowym wiązań

kryształy metaliczne
kryształy metaliczne

kryształy, w których elektrony walencyjne są wspólne dla wszystkich jonów w krysztale i tworzą gaz elektronowy, wypełniający przestrzeń pomiędzy dodatnimi jonami; kryształy metaliczne są doskonałymi przewodnikami elektryczności i ciepła; przykładem kryształów metalicznych są kryształy tworzone przez metale alkaliczne

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1987.

Bogdańska–Zarembina A., Matusewicz E. I., Matusewicz J., Chemia dla szkół średnich, Warszawa 1993.

Kaczyński J., Czaplicki A., Chemia ogólna, Warszawa 1974.

Litwin M., Styka–Wlazło S., Szymońska J., Chemia ogólna i nieorganiczna, Warszawa 2002.

Pazdro K. M., Chemia. Podręcznik do kształcenia rozszerzonego w liceach. Część 1. Chemia ogólna, Warszawa 2009.