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

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.

W 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

Ilustracja przedstawia model struktury krystalicznej diamentu. Stanowi go sześcian. W jego czterech narożach znajdują się fioletowe kulki. Na ścianie znajdującej się na pierwszym planie odpowiednio w lewym, dolnym rogu oraz w prawym górnym rogu. A także na ścianie znajdującej się z tyłu, odpowiednio w lewym, górnym rogu oraz w prawym dolnym. Pozostałe naroża oraz wnętrze sześcianu wypełnia struktura zbudowana z połączonych ze sobą czternastu, regularnie rozmieszczonych, szarych kulek. Cztery z nich znajdują się w pozostałych narożach sześcianu niezajmowanych przez kulki fioletowe. Kolejne cztery na środkach wszystkich czterech ścian bryły. Pozostałe cztery szare kulki znajdują się pomiędzy kulkami szarymi w danym narożu oraz na trzech sąsiadujących ze sobą ścianach bryły. Na przykład pomiędzy po środku pomiędzy kulką znajdującą się w lewym górnym narożu ściany na pierwszym planie oraz pomiędzy kulkami znajdującymi się na środkach następujących ścian: ściany na pierwszym planie, górnej oraz znajdującej się po lewej stronie.

R1XVNiIki6s3j

Zdjęcie przedstawia kawałek fioletowego kryształu. To ametyst. Kryształy przytwierdzone są do płaskiej skalistej powierzchni i narastają stopniowo ku górze od fioletowych przełamanych szarością kryształów do jasnofioletowych na wierzchu. Są one lekko przeźroczyste, nieregularnie pozrastane. Tworzą skupisko.

Kryształy jonowe są tworzone tylko przez związki chemiczne o budowie jonowej, m.in. tlenki i sole metali $1.$ i $2.$ 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 $1413°\text{C}$,

• posiadają wysokie temperatury topnienia, np. chlorek sodu topi się w temperaturze $801°\text{C}$ (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

Zdjęcie przedstawia kawałek białego kryształu. Ma delikatną strukturę.

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

Ilustracja przedstawia strukturę zbudowaną z zielonych kulek, symbolizujących aniony chlorkowe, ułożonych naprzemiennie z mniejszymi szarymi kulkami, symbolizującymi kationy sodu. Kulki tworzą zwartą strukturę. Na obrazku obok w opisaną strukturę uderza młotek. Struktura ulega zmianie. Kulki przesuwają się w taki sposób, że nie zawsze są ułożone naprzemiennie.

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

Ilustracja przedstawia trzy naczynia, w których są zanurzone elektrody połączone przewodem. Przewody łączą się z żarówką i baterią. Na pierwszym obrazku jest zbliżenie na zawartość naczynia, w którym są elektrody – to woda destylowana. Unoszą się cząsteczki o szarych kulkach połączonych z dwiema niebieskimi. Na drugim obrazku na zbliżeniu jest zwarta struktura zbudowana z naprzemiennie ułożonych jasnożółtych i zielonych kulek. To kryształ jonowy w stanie stałym. Na trzecim obrazku są cząsteczki zbudowane z szarej kulki połączonej z dwiema niebieskimi, zielone kulki ze znakiem minus, jasnożółte kulki ze znakiem plus. To wodny roztwór związku jonowego. Strzałka w lewo wskazuje anodę, w prawo katodę. Jasnożółte kulki z plusem poruszają się w katodzie, zielone z minusem w anodzie. Na obrazku żarówka się pali.

R1cm9iPB25YsU

(Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

Obserwacje: W zestawie z wodą destylowaną oraz z kryształem jonowym (w stanie stałym), żarówka nie zaświeciła się. W zestawie z wodnym roztworem związku tworzącego kryształ jonowy żarówka zaświeciła się.

Wnioski: Woda destylowana i kryształ jonowy (w stanie stałym) nie przewodzą prądu elektrycznego, a wodny roztwór związku chemicznego tworzącego wspomniany kryształ jonowy, przewodzi prąd elektryczny.

Wyjaśnienie: Do przewodzenia prądu elektrycznego potrzebne są nośniki ładunku, a więc elektrony lub jony, które mogą się swobodnie poruszać. W pierwszej zlewce woda destylowana nie przewodzi prądu, ponieważ w jej strukturze nie ma jonów, ani swobodnych elektronów. W drugiej zlewce stały chlorek sodu również nie przewodzi prądu. Pomimo tego, że kryształ składa się z naładowanych cząstek, sieć krystaliczna nie pozwala jonom przemieszczać się między elektrodami. Aby obwód był kompletny, a żarówka zapaliła się, wymagane są ruchome naładowane cząstki. W trzeciej zlewce związek o budowie jonowej rozpuszczono w wodzie destylowanej. Sieć krystaliczna została rozbita i poszczególne jony dodatnie i ujemne mogą się poruszać. Kationy przemieszczają się w kierunku elektrody naładowanej ujemnie, a aniony w kierunku elektrody naładowanej dodatnio, umożliwiając przepływ prądu elektrycznego (patrz rysunek poniżej). Związki jonowe przewodzą prąd elektryczny po stopieniu lub rozpuszczeniu w wodzie.

RW1Jmu2HJrga7

Ilustracja przedstawia szklane naczynie z roztworem. Do roztworu włożone są elektrody połączone przewodami. Między przewodami jest bateria. Anoda dochodzi do minusa na baterii, a katoda do plusa. W roztworze unoszą się A plus i B minus.

Rozpuszczalność kryształów

Kryształy jonowe, np. chlorku sodu, siarczanu($\text{VI}$) miedzi($\text{II}$) – ${\text{CuSO}}_4$ czy siarczanu($\text{VI}$) żelaza($\text{II}$) – ${\text{FeSO}}_4$, są łatwo rozpuszczalne w rozpuszczalnikach polarnych w przeciwieństwie do kryształów kowalencyjnych, np. kryształów diamentu.

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

Ilustracja przedstawia płaską strukturę zbudowaną z szarych, regularnie rozmieszczonych kulek. To kationy metalu. Pomiędzy nimi chaotycznie umieszczone są małe niebieskie kulki – to elektrony tworzące tak zwaną chmurę elektronową.

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.

RAuQpapkXiIQX

Ilustracja składa się z dwóch przedzielonych pionową linią obrazków. Po lewej stronie linii jest struktura zbudowana z szarych kulek ze znakami 3 indeks górny plus, pomiędzy kulkami są małe zielone kulki w dużej ilości. Po prawej stronie linii jest ta sama struktura, tylko szare kulki nieco się przesunęły w górę i w dół, zachowując jednak odległości między sobą.

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

Zdjęcie przedstawia kawałek złota. Przypomina kształtem delikatną gałązkę. Ma złoty kolor i wyraźny połysk. Kryształy są nieregularnie pozrastane.

Słownik

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.