В воде
35,9 г/100 мл (+25 °C)
39,1 г/100 мл (+100 °C)
Октаэдральная (Cl -)
Кристалл хлорида натрия
Хлори́д на́трия или хлористый натрий (NaCl) - натриевая соль соляной кислоты . Известен в быту под названием поваренной соли , основным компонентом которой и является. Хлорид натрия в значительном количестве содержится в морской воде , придавая ей солёный вкус [ ] . Встречается в природе в виде минерала галита (каменной соли). Чистый хлорид натрия представляет собой бесцветные кристаллы, но с различными примесями его цвет может принимать голубой, фиолетовый, розовый, жёлтый или серый оттенок.
Нахождение в природе и производство
В природе хлорид натрия встречается в виде минерала галита , который образует залежи каменной соли среди осадочных горных пород, прослойки и линзы на берегах солёных озёр и лиманов , соляные корки в солончаках и на стенках кратеров вулканов и в сольфатарах. Огромное количество хлорида натрия растворено в морской воде. Мировой океан содержит 4 × 10 15 тонн NaCl, то есть из каждой тонны морской воды можно получить в среднем 1,3 кг хлорида натрия. Следы NaCl постоянно содержатся в атмосфере в результате испарения брызг морской воды. В облаках на высоте полтора километра 30 % капель, больших 10 мкм по размеру, содержат NaCl. Также он найден в кристаллах снега.
Наиболее вероятно, что первое знакомство человека с солью произошло в лагунах тёплых морей или на соляных озёрах, где на мелководье солёная вода интенсивно испарялась под действием высокой температуры и ветра, а в осадке накапливалась соль. По образному выражению Пифагора , «соль была рождена благородными родителями: солнцем и морем» .
Галит
В природе хлорид натрия чаще всего встречается в виде минерала галита. Он имеет гранецентрированную кубическую решётку и содержит 39,34 % , 60,66 % . Другими химическими элементами, входящими в состав примесей, являются: , , , , , , , , , , , , , , , . Плотность 2,1-2, 2 г/см³, а твёрдость по шкале Мооса - 2. Бесцветный прозрачный минерал со стеклянным блеском. Распространённый минерал соленосных толщ. Образуется при осаждении в замкнутых водоёмах, а также как продукт сгона на стенках кратеров вулканов. Составляет пласты в осадочных породах лагунных и морских фаций, штокоподобные тела в соляных куполах и тому подобных.
Каменная соль
Каменной солью называют осадочную горную породу из группы эвапоритов, состоящую более чем на 90 % из галита. Галит также часто называют каменной солью. Эта осадочная горная порода может быть бесцветной или снежно-белой, но чаще она окрашена примесями глин, талька (серый цвет), оксидами и гидроксидами железа (жёлтый, оранжевый, розовый, красный), битумами (бурая). Каменная соль содержит хлориды и сульфаты натрия, калия, магния и кальция, бромиды, иодиды, бораты, гипс, примеси карбонатно-глинистого материала, доломита, анкериту, магнезита, битумов и так далее .
По условиям формирования месторождений каменную соль подразделяют на следующие виды :
- рассолы современных соляных бассейнов
- соляные подземные воды
- залежи минеральных солей современных соляных бассейнов
- ископаемые залежи (важнейшие для промышленности).
Морская соль
Морская соль является смесью солей (хлориды , карбонаты , сульфаты и т. д.), образующейся при полном испарении морской воды. Среднее содержание солей в морской воде составляет:
Очищенная кристаллическая морская соль
При испарении морской воды при температуре от +20 до +35 °C в осадке сначала кристаллизуются наименее растворимые соли - карбонаты кальция и магния и сульфат кальция. Затем выпадают более растворимые сульфаты натрия и магния, хлориды натрия, калия и магния, и после них - сульфаты калия и магния. Последовательность кристаллизации солей и состав осадка может несколько варьироваться в зависимости от температуры, скорости испарения и других условий. В промышленности морскую соль получают из морской воды, в основном методом обычного выпаривания. Она отличается от каменной соли значительно большим содержанием других химических солей, минералов и различных микроэлементов, в первую очередь йода, калия, магния и марганца. Соответственно, она отличается от хлорида натрия и по вкусу - горько-солёный привкус ей придают соли магния. Она используется в медицине: при лечении кожных заболеваний, таких как псориаз . Как лечебное вещество в аптечной и обычной торговой сети, распространённым продуктом является соль из Мёртвого моря . В очищенном виде этот вид соли также предлагается в продуктовой торговой сети - как натуральная и богатая йодом пищевая .
Залежи
Залежи каменной соли найдены во всех геологических системах. Важнейшие из них сосредоточены в кембрийских , девонских , пермских и третичных отложениях. Каменная соль составляет мощные пластовые залежи и ядра сводчатых структур (соляных куполов и штоков), образует прослойки, линзы, гнезда и вкрапления в других породах . Среди озёрных месторождений России крупнейшие - Эльтонское , Баскунчак в Прикаспии, Кучукское озеро , Кулундинское озеро , Эбейты и другие озёра в Западной Сибири.
Производство
В древности технология добычи соли заключалась в том, что соляную рапу (раствор) вытаскивали лошадиным приводом из шахт, которые назывались «колодцами» или «окнами», и были достаточно глубокими - 60-90 м. Извлечённый солевой раствор выливали в особый резервуар - творило , откуда она через отверстия стекала в нижний резервуар, и системой жёлобов подавалась в деревянные башни. Там её разливали в большие чаны, на которых соль вываривали.
На Руси поморы вываривали соль на побережье Белого моря и называли её морянка . В 1137 году новгородский князь Святослав определил налог на соляные варницы :
Беломорской солью, называемой «морянкой», торговали по всей Российской империи до начала XX века, пока её не вытеснила более дешёвая поволжская соль.
Современная добыча хлорида натрия механизирована и автоматизирована. Соль массово добывается выпариванием морской воды (тогда её называют морской солью) или рассола с других ресурсов, таких как соляные источники и соляные озера, а также разработкой соляных шахт и добычей каменной соли.
Для добычи хлорида натрия из морской воды необходимы условия жаркого климата с низкой влажностью воздуха, наличие значительных низменных территорий, лежащих ниже уровня моря, или затопляемых приливом, слабая водопроницаемость почвы испарительных бассейнов, малое количество осадков в течение сезона активного испарения, отсутствие влияния пресных речных вод и наличие развитой транспортной инфраструктуры.
Мировое производство соли в 2009 году оценивается в 260 миллионов тонн. Крупнейшими мировыми производителями являются Китай (60,0 млн тонн), США (46,0 млн тонн), Германия (16,5 млн тонн), Индия (15,8 млн тонн) и Канада (14 млн тонн) .
Применение
В пищевой промышленности и кулинарии
Соль поваренная
В пищевой промышленности и кулинарии используют хлорид натрия, чистота которого должна быть не менее 97 %. Его применяют как вкусовую добавку и для консервирования пищевых продуктов. Такой хлорид натрия имеет товарное название поваренная соль , порой также употребляются названия пищевая, столовая, а также уточнение названия в зависимости от её происхождения - каменная, морская, и по составу добавок - йодированная, фторированная и т. д. Такая соль является кристаллическим сыпучим продуктом с солёным вкусом без привкуса, без запаха (за исключением йодированной соли), в котором не допускаются посторонние примеси, не связанные с методом добывания соли. Кроме хлорида натрия, поваренная соль содержит небольшое количество солей кальция, магния, калия, которые придают ей гигроскопичности и жёсткости. Чем меньше этих примесей в соли, тем выше её качество.
Выделяют сорта: экстра, высший, первый и второй. Массовая доля хлористого натрия в сортах, %:
- экстра - не менее 99,5;
- высший - 98,2;
- первый - 97,5;
- второй - 97,0.
Массовая доля влаги в выварочной соли сорта «экстра» 0,1 %, в высшем сорте - 0,7 %. Допускают добавки йодида калия (йодистого калия), йодата калия, фторидов калия и натрия. Массовая доля йода должна составлять (40,0 ± 15,0) × 10 −4 %, фтора (25,0 ± 5,0) × 10 −3 %. Цвет экстра и высшего сортов - белый, однако для первого и второго допускается серый, желтоватый, розовый и голубоватый оттенки в зависимости от происхождения соли. Пищевую поваренную соль производят молотой и сеяной. По размеру зёрен молотую соль подразделяют на номера: 0, 1, 2, 3. Чем больше номер, тем больше зерна соли.
В кулинарии хлорид натрия потребляют как важнейшую приправу. Соль имеет характерный вкус, без которого пища кажется человеку пресной. Такая особенность соли обусловлена физиологией человека. Однако зачастую люди потребляют соли больше, чем нужно для физиологических процессов.
В коммунальном хозяйстве. Техническая соль
Зимой хлорид натрия, смешанный с другими солями, песком или глиной - так называемая техническая соль - применяется как антифриз против гололёда. Ею посыпают тротуары, хотя это отрицательно влияет на кожаную обувь и техническое состояние автотранспорта ввиду коррозийных процессов.
Регенерация Nа-катионитовых фильтров
Nа-катионитовые фильтры широко применяются в установках умягчения воды всех мощностей при водоподготовке. Катионитным материалом на современных водоподготовительных установках служат в основном глауконит , полимерные ионообменные смолы и сульфированные угли. Наиболее распространены сульфокатионитные ионообменные смолы.
Регенерацию Nа-катионитовых фильтров осуществляют 6-10%-м раствором поваренной соли, в результате катионит переводится в Na-форму, регенерируется. Реакции идут по уравнениям:
C a R 2 + 2 N a C l → 2 N a R + C a C l 2 {\displaystyle {\mathsf {CaR_{2}+2NaCl\rightarrow 2NaR+CaCl_{2}}}} M g R 2 + 2 N a C l → 2 N a R + M g C l 2 {\displaystyle {\mathsf {MgR_{2}+2NaCl\rightarrow 2NaR+MgCl_{2}}}}Химическая промышленность
Соль, наряду с каменным углем, известняками и серой, образует «большую четвёрку» продуктов минерального сырья, которые являются важнейшими для химической промышленности . Из неё получают соду, хлор, соляную кислоту, гидроксид натрия, сульфат натрия и металлический натрий. Кроме этого соль используется также для промышленного получения легкорастворимого в воде хлората натрия, который является средством для уничтожения сорняков . Суммарное уравнение реакции электролиза горячего раствора хлорида натрия :
N a C l + 3 H 2 O → N a C l O 3 + 3 H 2 {\displaystyle {\mathsf {NaCl+3H_{2}O\rightarrow NaClO_{3}+3H_{2}}}}Получение хлора и гидроксида натрия
- на катоде как побочный продукт выделяется водород вследствие восстановления ионов H + , образованных в результате электролитической диссоциации воды:
- поскольку (вследствие практически полной электролитической диссоциации NaCl), хлор в растворе находится в виде хлорид-ионов, они окисляются на аноде до свободного хлора в виде газа:
- суммарная реакция:
Как видно из уравнения суммарной реакции, ещё одним продуктом является гидроксид натрия. Расход электроэнергии на 1 т хлора составляет примерно 2700 кВт × час. Полученный хлор при повышенном давлении сжижается в жёлтую жидкость уже при обычной температуре .
Если между анодом и катодом нет диафрагмы, то растворённый в воде хлор начинает реагировать с гидроксидом натрия, образуя хлорид и гипохлорит натрия NaClO :
2 N a O H + C l 2 → N a C l + N a O C l + H 2 O {\displaystyle {\mathsf {2NaOH+Cl_{2}\rightarrow NaCl+NaOCl+H_{2}O}}} N a + + e − → N a (H g) {\displaystyle {\mathsf {Na^{+}+e^{-}\rightarrow Na_{(Hg)}}}}Амальгаму позже разлагают горячей водой с образованием гидроксида натрия и водорода, а ртуть перекачивают насосом обратно в электролизер:
2 N a (H g) + 2 H 2 O → 2 N a O H + H 2 {\displaystyle {\mathsf {2Na_{(Hg)}+2H_{2}O\rightarrow 2NaOH+H_{2}}}}Суммарная реакция процесса такая же, как и в случае диафрагменного метода.
Получение металлического натрия
Металлический натрий получают электролизом расплава хлорида натрия. Происходят следующие процессы:
- на катоде выделяется натрий:
- на аноде выделяется хлор (как побочный продукт):
- суммарная реакция:
Ванна электролизера состоит из стального кожуха с футеровкой , графитового анода и кольцевого железного катода. Между катодом и анодом располагается сетчатая диафрагма. Для снижения температуры плавления NaCl (+800 °C), электролитом является не чистый хлорид натрия, а его смесь с хлоридом кальция CaCl 2 (40:60) с температурой плавления +580 °C. Металлический натрий, который собирается в верхней части катодного пространства, содержит до 5 % примесь кальция, но последний со временем почти полностью отделяется, поскольку его растворимость в жидком натрии при температуре его плавления (+371 K = 98 °C) составляет всего 0,01 %. С расходованием NaCl его постоянно добавляют в ванну. Затраты электроэнергии составляют примерно 15 кВт × ч на 1 кг натрия .
Получение соляной кислоты и сульфата натрия
Среди многих промышленных методов получения соляной кислоты, то есть водного раствора хлороводорода (HCl), применяется реакция обмена между хлоридом натрия и серной кислотой:
N a C l + H 2 S O 4 → N a H S O 4 + H C l {\displaystyle {\mathsf {NaCl+H_{2}SO_{4}\rightarrow NaHSO_{4}+HCl\uparrow }}} N a C l + N a H S O 4 → N a 2 S O 4 + H C l {\displaystyle {\mathsf {NaCl+NaHSO_{4}\rightarrow Na_{2}SO_{4}+HCl\uparrow }}}Первая реакция происходит в значительной степени уже при обычных условиях, а при слабом нагреве идёт почти до конца. Вторая происходит лишь при высоких температурах. Процесс осуществляется в специальных механизированных печах большой мощности. Хлороводород , который выделяется, обеспыливают, охлаждают и поглощают водой с образованием соляной кислоты. Как побочный продукт образуется сульфат натрия Na 2 SO 4 .
Этот метод применяется также для получения хлороводорода в лабораторных условиях.
Физические и физико-химические свойства
Температура плавления +800,8 °С, кипения +1465 °С.
Умеренно растворяется в воде, растворимость мало зависит от температуры: коэффициент растворимости NaCl (в граммах на 100 г воды) равен 35,9 при +21 °C и 38,1 при +80 °C. Растворимость хлорида натрия существенно снижается в присутствии хлороводорода, гидроксида натрия, солей - хлоридов металлов. Растворяется в жидком аммиаке, вступает в реакции обмена. В чистом виде хлорид натрия не гигроскопичен. Однако соль часто бывает загрязнена примесями (преимущественно ионами Ca 2+ , Mg 2+ и SO2−
4
), и такая соль на воздухе сыреет . Кристаллогидрат NaCl · 2H 2 O можно выделить при температуре ниже +0,15 °C .
Смесь измельчённого льда с мелким порошком хлорида натрия является эффективным охладителем. Так, смесь состава 30 г NaCl на 100 г льда охлаждается до температуры −20 °C. Это происходит потому, что водный раствор соли замерзает при температуре ниже 0 °C. Лёд, имеющий температуру около 0 °C, плавится в таком растворе, поглощая тепло окружающей среды.
Диэлектрическая проницаемость NaCl - 6,3
Плотность и концентрация водных растворов NaCl
| Концентрация, % | Концентрация, г/л | Плотность, г/мл |
|---|---|---|
| 1 | 10,05 | 1,005 |
| 2 | 20,25 | 1,012 |
| 4 | 41,07 | 1,027 |
| 6 | 62,47 | 1,041 |
| 8 | 84,47 | 1,056 |
| 10 | 107,1 | 1,071 |
| 12 | 130,2 | 1,086 |
| 14 | 154,1 | 1,101 |
| 16 | 178,5 | 1,116 |
| 18 | 203,7 | 1,132 |
| 20 | 229,5 | 1,148 |
| 22 | 256 | 1,164 |
| 24 | 283,2 | 1,18 |
| 26 | 311,2 | 1,197 |
Лабораторное получение и химические свойства
При действии серной кислоты выделяет хлороводород.
2 N a C l + H 2 S O 4 → N a 2 S O 4 + 2 H C l {\displaystyle {\mathsf {2NaCl+H_{2}SO_{4}\rightarrow Na_{2}SO_{4}+2HCl}}}С раствором нитрата серебра образует белый осадок хлорида серебра (качественная реакция на хлорид-ион).
N a C l + A g N O 3 → N a N O 3 + A g C l {\displaystyle {\mathsf {NaCl+AgNO_{3}\rightarrow NaNO_{3}+AgCl}}}В кристаллической решётке между атомами преобладает ионная химическая связь , что является следствием действия электростатического взаимодействия противоположных по заряду ионов.
См. также
- Поваренная соль - специя и пищевая добавка
- Галит - минерал
Примечания
- Натрия хлорид на сайте англ. National Institute of Standards and Technology ) (англ.)
- Некрасов Б. В. Основы общей химии. Т. 2. Изд. 3-е, испр. и доп., М. : Химия , 1973. - 688 с.; 270 табл.; 426 рис.; Список литературы, ссылок. С. 218
- Пифагор. Золотой канон. Фигуры эзотерики. - М. : Изд-во Эксмо, 2003. - 448 с. (Антология мудрости).
- Малая горная энциклопедия . В 3 т. = Мала гірнича енциклопедія / (На укр. яз.). Под ред. В. С. Белецкого . - Донецк: Донбасс, 2004. - ISBN 966-7804-14-3 .
- УНИАН: Морская соль для красоты и здоровья кожи
- Российское законодательство Х-XX веков. Законодательство Древней Руси. Т. 1. М. , 1984. С. 224-225.
- В переводе с поморской «говори» слово чрен (црен) означает четырёхугольный ящик, кованный из листового железа, а салга - котёл, в котором варили соль. Пузом в беломорских солеварнях называли мешок соли в два четверика, то есть, объёмом около 52 литров.
- Соль (PDF) , Геологический обзор США на сайте Программы минеральных ресурсов (англ.)
«Кристаллическая решетка» - Задание: Определите тип химической связи в данных соединениях: Классификация твердых веществ. Характеристика основных типов кристаллических решеток. тема урока КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ РЕШЁТКИ. HCl, Cl2, H2O, NaBr, BaCl2, CaS, O2, NH3, CO2, C.
«Кристаллические решётки химия» - Типы кристаллических решеток. Вещества с АКР имеют высокие температуры плавления, обладают повышенной твёрдостью. Точки размещения частиц называют узлами кристаллической решётки. Выше показана кристаллическая решётка алмаза. Оценка собственного продвижения. Закон постоянства состава. Атомные. Ионными называют кристаллические решетки, в узлах которых находятся ионы.
«Кристаллические и аморфные вещества» - Сера S8. Йод I2. Твердое. Примеры: простые вещества (H2, N2, O2, F2, P4, S8, Ne, He), сложные вещества (СО2, H2O, сахар С12H22O11 и др.). Агрегатное состояние вещества (на примере кислорода О2). Нет строгого расположения частиц, нет кристаллической решетки. Свойства веществ: 1) металлический блеск, 2) тепло- и электропроводность, 3) ковкость и пластичность, 4) непрозрачность.
Поликристалл аметиста (разновидность кварца). Аморфные тела. Леденец. Свойства твердых тел. Янтарь. Друза кристаллов горного хрусталя. Кристаллы. Поликристалл металла. Монокристалл Каменной соли. Друза мариона. Монокристалл шпата. Аморфное тело. Монокристалл горного хрусталя. Физические свойства аморфных тел: 1. Бесформенные 2. Отсутствие точки плавления 3. Изотропия.
«Кристаллические и аморфные тела» - Цель: выявить различия в свойствах кристаллов и аморфных тел. Кристаллы имеют температуру плавления, аморфные тела – интервал температур (текучесть). Оборудование: лупа, коллекция минералов и горных пород, коллекция металлов. Поликристаллы изотропны. Кристаллы анизотропны, аморфные тела изотропны. Наличие постоянной температуры плавления.
«Соль 4life» - Marbelle 750г. Зимушка-краса 750г. 4life 125г. Предпосылки. Droga 1000г. Морская соль 4Life обладает уникальными вкусовыми свойствами. Ассортимент. В чём достоинства соли 4Life? Позиционирование. Marsel (пакет 1000г). Карта позиционирования (тубы-солонки). Целевая аудитория. Цена, руб. Экстра 1000г.
Раздел 3. ХИМИЧЕСКИЙ СВЯЗЬ
§ 3.7. Типы кристаллических решеток
Твердые вещества, как правило, имеют кристаллическое строение. Она характеризуется правильным расположением частиц в четко определенных точках пространства. При мысленном соединении этих точек прямыми линиями, которые пересекаются, образуется пространственный каркас, который называют кристаллической решеткой. Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки. В узлах воображаемой решетки Могут находиться ионы, атомы или молекулы. Они совершают колебательное движение. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, что проявляется в тепловом расширении тел.
В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные и металлические.
Кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются іонними. их образуют вещества с ионными связями. Примером может быть кристалл хлорида натрия, в котором, как уже отмечалось, каждый ион натрия окружен шестью хлорид-ионами, а каждый хлорид-ион - шестью ионами натрия. Такому размещению отвечает самая плотная упаковка, если ионы представить в виде шаров, размещенных в кристалле (рис. 3.15). Очень часто кристаллические решетки изображают так, как показано на рис. 3.16, где указано лишь взаимное размещение частиц, но не их размеры.
Число ближайших соседних частиц, плотно присоединяются к данной частицы в кристалле или в отдельной молекуле, называется координационным числом.
В решетке хлорида натрия координационные числа обоих ионов равны 6. Следовательно, в кристалле хлорида натрия невозможно выделить отдельные молекулы соли. их нет. Весь кристалл следует рассматривать как гігантськумакромолекулу, состоящая из одинакового числа ионов Na + и С l - , Na n Cl n , где n - большое число (см. рис. 3.15). Связи между ионами в таком кристалле достаточно прочные. Поэтому вещества с ионной решеткой имеют сравнительно высокую твердость. Они тугоплавкие и малолеткі.
Плавления ионных кристаллов вызывает в нарушение геометрически правильной ориентации ионов относительно друг друга и уменьшение прочности связи между ними. Поэтому их расплавы проводят электрический ток. Ионные соединения, как правило, легко растворяются в жидкостях, состоящих из полярных молекул, например в воде.
Рис. 3.15. Пространственное размещение ионов в ионной решетке NaCl (мелкие шарики - ионы натрия)
Рис. 3.16. Кристаллическая решетка NaCl
Кристаллические решетки,в узлах которых размещаются отдельные атомы, называются атомными. Атомы в таких решетках соединенные между собой прочными ковалентними связями. Примером может служить алмаз - одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами. Координационное число углерода в алмазе - 4. Структура алмаза представлена на рис. 11.1. В решетке алмаза, как и в решетке хлорида натрия, молекул нет. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую молекулу. В неорганической химии известная значительное количество веществ с атомной кристаллической решеткой. Они имеют высокие температуры плавления (для алмаза свыше 500°С), крепкие и твердые, практически не растворимые в жидкостях. Атомная кристаллическая решетка характерна для твердого бора, кремния, германия и соединений некоторых элементов с карбоном и силіцієм. Кристаллические решетки, состоящие из молекул (полярных и неполярных), называются молекулярными. Молекулы в таких решетках соединены между собой сравнительно слабыми межмолекулярными силами. Поэтому вещества с молекулярной решеткой имеют малую твердость, низкие температуры плавления, нерастворимые или малорастворимые в воде, их растворы почти не проводят электрического тока. Число неорганических веществ с молекулярной решеткой незначительное. Примерами их являются лед, твердый оксид углерода(И V ) (“сухой лед”), твердые галогеноводні, твердые простые вещества, образованные одно- (благородные газы), двух- (F 2 , С l 2 , r 2 , l 2 , Н 2 , О 2 , N 2 ), трех- (О 3), четырех- (Г 4), восьми- (S 8) атомными молекулами. Молекулярная кристаллическая решетка йода представлена на рис. 3.17. Большинство кристаллических органических соединений имеют молекулярную решетку.
Рис. 3.17. Кристаллическая решетка йода
Рис. 3.18. Схематическое изображение металлической решетки
В твердом состоянии металлы образуют металлические кристаллические решетки. Последние обычно описывают как сочетание катионов металла, соединенных в одно целое валентными электронами, то есть негативно заряженным “электронным газом”. Электроны электростатически притягиваются катионами, что обеспечивает стабильность решетки. На рис. 3.18 представлено схематическое изображение металлической решетки. На рис. 3.18 представлено схематическое изображение металлической решетки (свободные электроны изображены точками). Сравните ее с другими типами кристаллических решеток.
Испарение жидкости или плавление твердого тела относится к категории процессов, которые называются в физике фазовыми переходами или превращениями. Состояния вещества, между которыми происходит фазовый переход, называется его фазами. Характерной особенностью этих переходов является их скачкообразность. Например, при охлаждении воды ниже комнатной температуры, её тепловое состояние меняется постепенным образом, понижение температуры на десять-пятнадцать градусов к каким-либо видимым изменениям не приводит, и вдруг, при охлаждении на ничтожную долю градуса, вода переходит в совершенно иное состояние, состояние льда. Вода и лёд – две фазы одного и того же вещества.
Фазовые переходы бывают двух типов - первого и второго рода. К фазовым переходам первого рода относится изменение агрегатного состояния вещества: процессы плавления и кристаллизации, испарения и конденсации, сублимации или возгонки , при этом скачком изменяются плотность, внутренняя энергия, энтропия.
Следует заметить, что твердым считается кристаллическое состояние, т.е. состояние, в котором атомы располагаются в узлах кристаллической решетки. На рис. 2-5.1 изображена кристаллическая решетка каменной соли NaCl . Как видно из рисунка, кристалл, благодаря пространственной периодичности структуры, состоит как бы из повторяющихся частей.
В кристалле размером 1 мм повторяющееся расположение атомов встречается сотни тысяч раз. Поэтому к такому расположению атомов применяется термин “дальний порядок ”. Большинство твердых тел являются кристаллическими телами. В обычных условиях они состоят из сросшихся зерен размером порядка 0,001 мм. В таком зернышке отчетливо выражен дальний порядок.
Однако в природе встречаются твердые вещества со сложным молекулярным строением, например, стекла, смолы, пластики, которые не имеют периодической структуры. Это аморфные твердые тела, которые на самом деле являются жидкостями с аномально большой вязкостью. Такие тела приобретают свойство текучести не скачком, а путём постепенного уменьшения вязкости, которое вызывается повышением температуры. Аморфные твердые тела противопоставляются кристаллам, которые имеют форму правильного многогранника. Следует подчеркнуть, что кристалличность не обязательно проявляется в особенностях их внешней формы, это структура решетки (кусок металла не имеет правильной формы, но не является аморфным).
Каков же основной признак кристаллов? Этим признаком является наличие резко выраженной температуры плавления. Если подводить тепло к кристаллическому телу, то температура его будет повышаться до тех пор, пока не начнёт плавиться. После чего подъем температуры прекратится, и весь процесс плавления будет происходить при строго определённой постоянной температуре, называемой температурой плавления Т пл .
На рис. 2-5.2 изображены схемы строения кварца и кварцевого стекла. Одно и то же в химическом отношении вещество, но одно в кристаллическом, другое в аморфном виде. Характер окружения ближайшими соседями в обоих случаях одинаков, но в аморфном теле отсутствует дальний порядок; аморфное тело – это “испорченный кристалл”. Отсутствие дальнего порядка, характерного признака кристаллических тел, является непосредственной причиной отсутствия выраженной точки плавления. В точке плавления совершается переход, при котором дальний порядок исчезает и решетка распадается на легкоподвижные субмикроскопические области, имеющие то же расположение атомов, что и исходный кристалл, но статически беспорядочно ориентированные друг относительно друга, остаётся лишь ближний порядок в расположении атомов.
Схема строения кварца
а) кристаллический, б) аморфный
(рисунок соответствует упрощенной плоской модели)
В аморфных телах при повышении температуры характер расположения атомов не меняется, увеличивается их подвижность, атомы с увеличением температуры “выскальзывают” из своего окружения, меняя соседей. Наконец число таких перемен в секунду становится таким же большим, как для жидкости.
Выше мы говорили, что при всех агрегатных превращениях поглощается или выделяется энергия. Например, для превращения килограмма воды в пар необходимо затратить энергию 2,3×10 6 Дж. Эта энергия необходима для преодоления сил притяжения, действующих между молекулами воды.
Металлы начинают плавиться только тогда, когда начинает разрушаться их кристаллическая решетка, на что также необходимо затрачивать энергию. Эта энергия называется скрытой теплотой плавления. Теплота плавления, отнесённая к массе вещества, называется удельной скрытой теплотой плавления. Например, для цинка она составляет 1.11×10 5 Дж/кг, т.е. нужно количество теплоты 111 кДж/кг, чтобы при Т пл = 419.5°С перевести 1 кг цинка из твердого состояния в жидкое. На рис. 2-5.3 представлена кривая фазового перехода твердого тела в жидкость (1). Обратное превращение – кристаллизация (2) происходит при той же температуре и сопровождается поглощением того же количества энергии, что и при плавлении – скрытой теплоты кристаллизации. Скрытой теплота перехода называется потому, что подвод (поглощение) и отвод (выделение) этой теплоты не сопровождается таким эффектом, как повышение и понижение температуры. Несмотря на то, что мы продолжаем нагревать тело (кривая правления 1), во время плавления температура не повышается, так же во время кристаллизации (кривая кристаллизации 2) температура не понижается, хотя мы продолжаем охлаждать жидкость. Переход жидкость - твердое тело сопровождается выделением энергии. Энергия взаимодействия микроскопических кристаллов становится значительно выше энергии тепловых колебаний, жидкость кристаллизуется. Однако новая фаза при таком переходе образуется не сразу во всем объеме, сначала образуются зародыши ее, которые затем растут, распространяясь на весь объем.
К числу фазовых превращений первого рода относятся и некоторые переходы твердого тела из одной кристаллической модификации в другую. Эти превращения называются полиморфными. Кристаллы различной модификации состоят из одного и того же вещества и отличаются друг от друга лишь строением кристаллической решетки. Например, графит и алмаз состоят из одного и того же элемента – углерода. Разные структуры означают и разные физические свойства. Алмаз по физическим свойствам очень не похож на графит. Графит имеет черный цвет, он совершенно непрозрачен, алмаз же прозрачен и бесцветен; графит не горит даже при очень высоких температурах (он плавится при 385 °С), алмаз же в струе кислорода сгорает при 720 °С. Другой пример – белое и серое олово. Белое олово – блестящий, легкий и очень пластичный металл, серое олово – хрупкое и легко превращается в порошок.
Ионные соединения (например, хлорид натрия NaCl) - твердые и тугоплавкие от того, что между зарядами их ионов ("+" и "-") существуют мощные силы электростатического притяжения.
Отрицательно заряженный ион хлора притягивает не только "свой" ион Na+, но и другие ионы натрия вокруг себя. Это приводит к тому, что около любого из ионов находится не один ион с противоположным знаком, а несколько (рис. 1).
Рис. 1.
ионный связь поляризация
Фактически, около каждого иона хлора располагается 6 ионов натрия, а около каждого иона натрия - 6 ионов хлора.
Такая упорядоченная упаковка ионов называется ионным кристаллом. Если в кристалле выделить отдельный атом хлора, то среди окружающих его атомов натрия уже невозможно найти тот, с которым хлор вступал в реакцию. Притянутые друг к другу электростатическими силами, ионы крайне неохотно меняют свое местоположение под влиянием внешнего усилия или повышения температуры. Но если температура очень велика (примерно 1500°C), то NaCl испаряется, образуя двухатомные молекулы. Это говорит о том, что силы ковалентного связывания никогда не выключаются полностью.
Ионные кристаллы отличаются высокими темпертурами плавления, обычно значительной шириной запрещенной зоны, обладают ионной проводимостью при высоких температурах и рядом специфических оптических свойств (например, прозрачностью в ближней области ИК спектра). Они могут быть построены как из одноатомных, так и из многоатомных ионов. Пример ионных кристаллов первого типа - кристаллы галогенидов щелочных и щелочно-земельных металлов; анионы располагаются по закону плотнейшей шаровой упаковки или плотной шаровой кладки, катионы занимают соответствующие пустоты. Наиболее характерные структуры такого типа - NaCl, CsCl, CaF2. Ионные кристаллы второго типа построены из одноатомных катионов тех же металлов и конечных или бесконечных анионных фрагментов. Конечные анионы (кислотные остатки) - NO3-, SO42-, СО32- и др. Кислотные остатки могут соединяться в бесконечные цепи, слои или образовывать трехмерный каркас, в полостях которого располагаются катионы, как, например, в кристаллических структурах силикатов. Для ионных кристаллов можно рассчитать энергию кристаллической структуры U (см. табл.), приближенно равную энтальпии сублимации; результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными. Согласно уравнению Борна-Майера, для кристалла, состоящего из формально однозарядных ионов:
U = -A/R + Ве-R/r - C/R6 - D/R8 + E0
(R - кратчайшее межионное расстояние, А - константа Маделунга, зависящая от геометрии структуры, В и r - параметры, описывающие отталкивание между частицами, C/R6 и D/R8 характеризуют соответствующие диполь-дипольное и диполь-квадрупольное взаимодействие ионов, E0 - энергия нулевых колебаний, е - заряд электрона). С укрупнением катиона возрастает вклад диполь-дипольных взаимодействий.
