بنية الحالة الصلبة للمواد والخصائص الفيزيائية

شبكة. خلايا الوحدة. خلية الوحدة البدائية. خلية الوحدة المركزية. النظام المعيني القائم. نظام ثلاثي الميلان. نظام أحادي الميل. النظام الثلاثي. الشبكات المتجانسة. الشبكات الهتروذرية. الشبكة الجزيئية غير القطبية. الشبكات الجزيئية القطبية. الشبكات الأيونية. الشبكات المعدنية.

شعرية. الشبكة هي مجموعة منظمة من النقاط التي تحدد بنية البلورة أو الجسيمات المكونة للبلورة. نقاطها تحدد الخلية الوحدوية للبلورة. الشبكة البلورية هي ترتيب هيكلي ثلاثي الأبعاد متماثل للذرات أو الأيونات أو الجزيئات، على شكل نقاط. تحتاج الأيونات في الشبكة البلورية إلى طاقة أقل للبقاء معًا. وذلك بسبب ترتيبها المنظم الذي يجعلها مستقرة. ماذا تعرف أكثر عن مميزاته؟.

السمات المشتركة للشبكة البلورية. في الشبكة البلورية، يتم تمثيل كل ذرة أو أيون أو جزيء بنقطة واحدة. تُعرف هذه النقاط باسم نقاط الشبكة. وهي التي تتصل بخطوط مستقيمة. ومن خلال ربط هذه الخطوط نحصل على بنية ثلاثية الأبعاد لشبكة بلورية تعرف أيضًا باسم شبكة برافيسخلايا الوحدة. الخلية الوحدوية هي أصغر جزء من الشبكة البلورية. إنها أبسط وحدة متكررة يتم من خلالها إنشاء الشبكة بأكملها. هناك عدة أنواع من الخلايا الوحدوية.

خلية الوحدة البدائية. تظهر الخلية الوحدوية البدائية عندما تشغل الجسيمات مواضع الزوايا فقط.

خلية الوحدة المركزية. تحتوي الخلية الوحدوية المركزية على ثلاثة أنواع. مركزية الجسم، عندما تكون الجسيمات متوضعة في مركز الجسم. مركز الوجه، عندما تكون الجسيمات متوضعة في مركز الجسم. مركز القاعدة، عندما يكون الجسيم واقعًا في مركز وجهين متعاكسين.

كلوريد الصوديوم. NaClتحتوي على خلية وحدة مكعبة. من الأفضل التفكير فيه على أنه عبارة عن مجموعة مكعبة من الأنيونات ذات وجه مركزي مع شبكة كاتيونية متداخلة ذات وجه مركزي. NaClهو هاليد قلوي ذو FCCالبنية البلورية. برمنجنات البوتاسيوم. يحتوي برمنجنات البوتاسيوم على خلية وحدة معينة الشكل تحتوي على جزيئات ذات أبعاد a=9.09Å, b=5.72Åو c=7.41Å.

التصنيفات. يتم تصنيف الشبكة البلورية إلى سبعة أنظمة شبكية مختلفة. نظام ثلاثي الدرجات. في النظام ثلاثي الميل، كل المحاور الثلاثة لها ميل تجاه بعضها البعض ولها نفس الأطوال. جميع الزوايا α و β و γ ليست كلها تساوي 90 درجة.

هذه الصورة هي صورة للميكروكلين، وهي بلورة تنتمي إلى نظام التريكلينيك. ومن المهم ملاحظة أن شكل الخلية الوحدوية يساهم في الشكل النهائي. ومع ذلك، فإن الشكل الذي نراه هنا لا يمثل شكل الخلية الوحدوية.

نظام أحادي الميل. في هذا المحورين يكونان بزاوية 90 درجة مع بعضهما البعض، في حين أن المحور الثالث لديه ميل. كل هذه لها أطوال مختلفة. هنا يمكنك رؤية بلورة أحادية الميل.

النظام المعيني القائم. كل المحاور الثلاثة على زاوية 90 درجة مع بعضها البعض. هذه لها أطوال مختلفة. هناك أربعة أنواع. الشكل المعيني البدائي يظهر في أعلى اليسار. يظهر شكل معيني متمركز حول القاعدة في الجانب الأيمن العلوي. يظهر الشكل المعيني القائم المتمركز حول الجسم في أسفل اليسار. يظهر الشكل المعيني القائم في منتصف الوجه في الجانب الأيمن السفلي.

هذا مثال على بلورة تنتمي إلى نظام معيني الشكل. وهو من منجم سالسيني في فرنسا. إنها بلورة أراجونيت.

النظام الثلاثي. في الأنظمة الثلاثية، هناك ثلاثة جوانب، على شكل هرم. نظام سداسي. يحتوي على أربعة محاور، ثلاثة منها متساوية الطول، وأيضًا تقع على مستوى واحديتقاطعان مع بعضهما بزاوية مقدارها 60 درجة. المحور الرابع يتقاطع مع المحاور الأخرى بزاوية 90 درجة. نظام رباعي. في الأنظمة الرباعية يكون المحوران لهما نفس الطول ويقعان في نفس المستوى بينما تختلف المحاور الثالثة في الطول، وقد تكون قصيرة أو طويلة. النظام المكعب. في النظام المكعب، تتقاطع المحاور الثلاثة مع بعضها البعض بزاوية 90 درجة ولها نفس الطول.

الرابطة المتكونة أثناء تكوين الشبكة. تنظم الذرات نفسها في شبكة بسبب قوة الجذب الصافية بين إلكتروناتها ونواةها. يمكن أن تكون البلورات المتكونة عن طريق تكوين الشبكة واحدة من ثلاث فئات. يتم تصنيفها إلى أنواع مختلفة حسب نوع الرابطة فيهايمكن أن تكون هذه الرابطة ذات طبيعة تساهمية أو أيونية أو معدنية. في الرابطة الأيونية تتبادل الذرات الإلكترونات أثناء تكوين الشبكة عندما تتلامس. في الرابطة التساهمية، تتقاسم الجزيئات الإلكترونات المزدوجة أثناء تكوين الشبكة. في الرابطة المعدنية، توجد قوة جذب بين الإلكترونات المتحركة الحرة والأيونات المعدنية الموجبة أثناء تكوين الشبكة.

إن مقدار القوى التي تربط المادة الأيونية معًا مرتفع جدًا. فهو له تأثير كبير على العديد من خصائصه. وبالتالي فإن نقاط الانصهار تختلف باختلاف طاقات الشبكة للمواد ذات البنية المتشابهة. نظرًا لأن مقدار القوة التي تربط المواد معًا مرتفع، فإن نقطة الانصهار مرتفعة أيضًا. وتتأثر المسافة بين الأيونات أيضًا بطريقة مفادها أنه كلما كانت المسافة أقل، كانت الرابطة أقوى.

الشبكات المتجانسة. ماذا تعرف عن هؤلاء لاتيه؟. الجزيئات التي تتكون من ذرات نفس العنصر تسمى متجانسة الذرة. يتجمع نوع واحد من الذرات معًا ويشكل جزيئات عن طريق ترتيب نفسها في ترتيب ثلاثي الأبعاد، مكونًا شبكة. لذلك تسمى الشبكات المكونة من ذرات متجانسة بالشبكات المتجانسة الذرة.

الماس. إن البنية البلورية للماس عبارة عن شبكة مكعبية ذات وجه مركزي. هذا البناء البلوري المكعب هو نمط متكرر من الذرات. في هذه الترتيبات، يمكن للذرات تكوين أربع روابط تساهمية قوية جدًا. ومن ثم فمن الواضح أن الذرات تميل إلى تكوين هياكل ثلاثية الأبعاد.

الجرافيت. يتكون الجرافيت من صفائح من حلقات سداسية مترابطة بقوة. نظرًا لأن الصفائح بعيدة عن بعضها البعض ومرتبطة بشكل ضعيف ببعضها البعض، فإن هذه الصفائح يمكن أن تتحرك بشكل موازٍ لبعضها البعض مما يجعل الجرافيت مادة تشحيم ناعمة. لا توجد روابط تساهمية بين الطبقات. كل ذرة كربون تشكل ثلاث روابط تساهمية مع ذرات الكربون الأخرى.

الشبكات الذرية المتجانسة. تشكل ذرات العناصر المختلفة روابط تساهمية وتنتظم في بنية ثلاثية الأبعاد تسمى الشبكات غير المتجانسة. يتم تصنيع هذه الجزيئات عن طريق الرابطة التساهمية بين ذرات العناصر المختلفة. تنظم هذه الجزيئات المرتبطة تساهميًا نفسها في بنية الشبكة. نظرًا لأن الشبكات غير المتجانسة تتكون من الروابط التساهمية بين ذرة عناصر مختلفة، فإنها تتمتع بقوة عالية جدًا تربط هذه الجزيئات معًا. ولهذا السبب فهي تتمتع بصلابة عالية ونقاط انصهار وغليان عالية.

عادةً، تعتمد نقطة الانصهار الفردية، ونقطة الغليان، والذوبان على قطبية الجزيء. المركبات الأيونية أكثر قطبية وقابلة للذوبان في الماء. لكن تلك الشبكات غير المتجانسة التي لديها قطبية أقل وخصائص غير قطبية أكثر تكون غير قابلة للذوبان في الماء. تشكلت شبكات غير متجانسة من الجزيئات التي تحتوي على روابط تساهمية بين ذرات عناصر مختلفة. لأن هذه الجزيئات مرتبطة تساهميًا وحجم الشبكة للقوة كبير. لا يمكن لهذه الشبكات أن توصل الكهرباء. وهذا أيضًا يرجع إلى عدم وجود إلكترونات حرة فيها.

السيليكا هو أكسيد السيليكون. يتم العثور على هذا المعدن في الطبيعة على شكل الكوارتز، كما يمكن رؤيته في العديد من الكائنات الحية أيضًا. وهذا له بنية خطية مثل CO₃²-. تظهر ذرات السيليكون تنسيقًا رباعي السطوح مع أربع ذرات أكسجين تحيط بذرة السيليكون المركزية. ولذلك فإن ثاني أكسيد السيليكون من شبكة ثلاثية الأبعاد من المواد الصلبة. وفي هذا، ترتبط كل ذرة تساهميًا مع ذرات الأكسجين الأربع الأخرى بطريقة رباعية السطوح. ويشار إلى بنيتها أيضًا باسم البنية التساهمية العملاقة.

الشبكة الجزيئية غير القطبية. الجزيئات غير القطبية تتكون من ذرات مثل الغازات النبيلة أو تتكون من روابط تساهمية غير قطبية. في الشبكة الجزيئية، يتم التقاط نقاط الشبكة بواسطة الجزيئات. في شبكات الجزيئات غير القطبية، يتم احتلال نقاط الشبكة بواسطة جزيئات غير قطبية أو غازات نبيلة. في الجزيئات غير القطبية، يتم تثبيت الشبكات أو الذرات أو الجزيئات بواسطة قوى التشتت الضعيفة. يُطلق عليها اسم قوى فان دير وال. لا توجد روابط تساهمية قوية بين نقاط الشبكة أو طبقاتها. لذلك، قامت قوى فان دير وال بربطهما معًا في شبكة.

تكون نقاط الانصهار والغليان للشبكات الجزيئية غير القطبية منخفضة جدًا وعادةً ما تكون في حالة سائلة أو غازية عند درجة حرارة الغرفة والضغط. هناك رابطة تساهمية قوية بين الجزيئات والتي تبقي الذرة متماسكة. بسبب هذه الروابط التساهمية بين الجزيئات تكون الإلكترونات موضعية. ولهذا السبب تعتبر الشبكات الجزيئية موصلات ضعيفة ورديئة للكهرباء.

من المرجح أن تذوب الجزيئات غير القطبية في المذيبات غير القطبية. الهكسان هو مذيب غير قطبي، وبالتالي فإن الجزيئات غير القطبية تذوب فيه بسهولة أكبر. وذلك أيضًا لأن الاثنين ينجذبان إلى بعضهما البعض وتنكسر الروابط التي تربط جزيئات المذاب غير القطبي. بعض الأمثلة على المذيبات غير القطبية هي الكلوروفورم والتولوين والهكسان والديكلوروميثان.

بلورة اليود. اليود عبارة عن مادة صلبة غير معدنية، ذات لون أسود تقريبًا، في درجة حرارة الغرفة. يتميز بمظهر بلوري متألق. تحتوي شبكتها الجزيئية على جزيئات ثنائية الذرة منفصلة، والتي توجد أيضًا في الحالة المنصهرة والغازية. تتم إذابة شبكة جزيئية غير قطبية من اليود في الكلوروفورم والهكسان، وهو مذيب غير قطبي. لا يذوب في الماء. يتميز بصلابة عالية ونقطة انصهار ونقطة غليان.

الشبكات الجزيئية القطبية. تتكون هذه الأنواع من الجزيئات من خلال الروابط التساهمية القطبية. ترتبط هذه الجزيئات معًا عن طريق تفاعلات ثنائية القطب-ثنائية القطب أقوى نسبيًا. تحتوي شبكات الجزيئات القطبية على جزيئات قطبية عند نقاط الشبكة. من المرجح أن تذوب هذه الجزيئات القطبية في المذيب القطبي. يرجع ذلك إلى أن المذيبات القطبية تحمل شحنة سالبة وموجبة في أماكن مختلفة من موادها. وهي تساعد في إذابة الجزيئات القطبية الأخرى. التفاعل ثنائي القطب-ثنائي القطب مفيد في هذه المرحلة. بعض المذيبات القطبية هي الماء، والأسيتون، وأسيتونيتريل، والأيزوبروبانول، والميثانول.

نظرًا لأن هذه المواد الصلبة ناعمة ولا تحتوي على إلكترونات حرة، فهي لا توصل الكهرباء. هذه الجزيئات قطبية. وبما أن هذه الجزيئات لها تفاعل ثنائي القطب، فإنها تحتوي على شحنات جزئية موجبة وجزئية سالبة. كل جزيء لديه عزم ثنائي القطب دائم. وبسبب التفاعل الأقوى بين ثنائي القطب وثنائي القطب، فإن هذه الشبكات الجزيئية القطبية تتمتع بصلابة عالية ونقاط انصهار عالية ونقاط غليان عالية.

جليد. الجليد عبارة عن مادة صلبة بلورية تتكون من أيونات مرتبطة ببعضها البعض عن طريق الجذب الكهربائي للشحنات المتعاكسة. في هذه الحالة، ترتبط الجزيئات بروابط هيدروجينية تكون دائمة بسبب حالتها المتجمدة. ويؤدي ذلك إلى إنشاء إطار مترابط من الجزيئات على شكل سداسي.

الشبكات الأيونية. المركب الأيوني هو عبارة عن بنية عملاقة من الأيونات. نظرًا لأن الأيونات لها ترتيب منتظم ومتكرر، فإنها تسمى شبكة أيونات. يتم تشكيل هذا بسبب جذب الأيونات لبعضها البعض. إنها تشكل نمطًا منتظمًا مع الأيونات ذات الشحنات المعاكسة بجوار بعضها البعض. هذه الشبكة ثلاثية الأبعاد مترابطة ببعضها البعض بواسطة الروابط الأيونية. وتظهر هذه على شكل خطوط مستقيمة بين الأيونات. الروابط الأيونية هي قوى كهروستاتيكية قوية بين الأيونات ذات الشحنات المعاكسة.

تحتوي الشبكة الأيونية العملاقة على عدد كبير من الأيونات والروابط الأيونية. لذلك، هناك حاجة إلى قدر كبير من الطاقة لكسر الجاذبية بين هذه الأيونات المشحونة بشكل معاكس. ونتيجة لذلك، فإن المركبات الأيونية لها نقاط انصهار عالية ونقاط غليان عالية. المواد الأيونية تكون عمومًا أكثر قابلية للذوبان في المذيب القطبي لأن طاقة الشبكة عالية. لذلك هناك حاجة إلى مذيب أكثر قطبية للتغلب على طاقة الشبكة للمركب الأيوني من أجل إذابته. لذلك، يعتبر الماء المذيب الأكثر شيوعًا للمركبات الأيونية. يحدث هذا للسبب التالي. ينجذب الكاتيون الموجب من المادة الصلبة الأيونية إلى الطرف السالب للماء. كما أن الأنيون السالب للمركب الأيوني ينجذب إلى الطرف الموجب لجزيء الماء.

المواد الصلبة الأيونية لا تحتوي على إلكترونات حرة. يمكن لأي جسيم مشحون أن يحمل تيارًا كهربائيًا، ولكن في الشبكة الصلبة، يتم حبس جميع الأيونات. لذلك لا يستطيعون التحرك من أماكنهم الثابتة. ومن ثم فإن المركبات الأيونية الصلبة لا توصل الكهرباء. المركبات الأيونية عندما تكون في الحالة المنصهرة يكون لها أيونات حرة من مستوى إلى آخر. لذلك، في الحالة المنصهرة، تستطيع المركبات الأيونية توصيل الكهرباء. عندما تكون المركبات الأيونية في محلول، فإنها تحتوي على أيونات حرة تتحرك بحرية. إنها موصلة للكهرباء لأن الأيونات الحرة تنتقل من مكان إلى آخر.

كلوريد الصوديوم. تحدث الروابط الأيونية عادة بين أيونات المعادن وأيونات اللافلزات. نظرًا لأن الصوديوم معدن والكلوريد لا معدن، فإنهما يشكلان مركبًا أيونيًا NaClباستخدام الرابطة الأيونية. هذا هو الملح. في الملح، يكمل كل من الصوديوم والكلور ثمانيتهما عن طريق منح الصوديوم إلكترونات التكافؤ إلى الكلور. تترتب جزيئاتها في بنية ثلاثية الأبعاد كـ FCCمجموعة من الأنيونات المتداخلة FCCشبكة الكاتيون. يحتوي كل أيون على ستة إحداثيات ويحتوي على هندسة ثماني السطوح المحلية. تحتوي على خلية وحدة مكعبة.

شبكات معدنية. هو نوع الرابطة التي تتشكل لإنشاء بنية المعادن. في هذه الشبكات، يتم ترتيب الأيونات المعدنية المشحونة إيجابيا في صفوف منتظمة. تتم مشاركة الإلكترونات غير الموضعية فيما بينهم جميعًا. تتحرك هذه الإلكترونات عبر الصفوف بطريقة غير موضعية. في الشبكة المعدنية، تتكون المعادن من ذرات في طبقات منظمة تشكل بنية بلورية ثلاثية الأبعاد. يظهر عادة شكل مكعب مركزي الجسم حيث يحيط بكل ذرة ثمانية من أقرب الجيران.

كما يظهر ذلك أيضًا في الشبكة المكعبة ذات مركز الوجه حيث يكون لكل ذرة اثني عشر جارًا أقرب. ويظهر أيضًا مجموعة مغلقة أو سداسية الشكل حيث يكون كل معدن متصلًا بستة أيونات متجاورة في مستوى واحد. الماغنيسيوم مادة صلبة معدنية. في وحداتها الشبكية التي تشغل مواقع الشبكة هي أيونات ملغ والتي تحيط بها الإلكترونات غير الموضعية. يتم ترتيب الأيونات في مستوى واحد، وهو عبارة عن مصفوفة سداسية أو طبقة معدنية مغلقة. لذلك، كل معدن لديه ستة أيونات متجاورة في مستوى واحد.

عندما تتجمع ذرات الصوديوم معًا فإنها تشكل الشبكة المكعبة ذات الجسم المركزي. كل ذرة صوديوم محاطة بثمانية ذرات صوديوم أخرى مجاورة لها والتي تنظم في مصفوفة مكعبة. في الرسم التوضيحي، كما نرى، فإن الصوديوم المركزي محاط بـ 8 ذرات صوديوم مجاورة. يتمتع الألومنيوم ببنية بلورية مكعبة ذات وجه مركزي في درجة حرارة الغرفة. وهو معدن ذو أهمية كبيرة لأنه يتمتع بموصلية كهربائية وحرارية عالية، ومقاوم عالي للتآكل، وله انعكاسية جيدة.

صياغة الصيغ الكيميائية باستخدام الكميات الفيزيائية