4. Кристалічний стан речовини

Залежно від відстані між частинками та енергій їх взаємодії речовини можуть існувати в газоподібному, рідкому або твердому станах. Твердий і рідкий стани, як уже зазначалось, називають конденсованим станом.

Твердий стан речовини характеризується тим, що між’ядерні відстані наближаються до розмірів частинок, а середня потенціальна енергія притягання між ними значно перевищує їх середню кінетичну енергію. Тверді речовини можуть існувати в кристалічному або аморфному станах.

Кристалічні речовини мають упорядковану просторову структуру, у якій частинки (атоми, молекули, іони) досить регулярно чергуються у просторі. Розміщення частинок у кристалі можна зобразити за допомогою кристалічної решітки в її вузлах (точках перетину умовних прямих ліній, що утворюють просторовий каркас) розміщені ядра частинок, які складають кристал.

Фізико-хімічні властивості речовин у кристалічному стані залежать від типу зв’язку між частинками, які знаходяться у вузлах кристалічної решітки. За характером взаємодії між ними розрізняють: атомну, іонну, молекулярну та металічну кристалічні решітки.

У вузлах атомної решітки знаходяться окремі атоми, зв’язані міцними ковалентними зв’язками (полярними чи неполярними). Речовини з атомною решіткою мають високі твердість та міцність. Вони нелеткі, мають високі температури плавлення, практично нерозчинні у жодному з розчинників, не проводять електричний струм. До таких речовин належать алмаз, кремній, германій, бор, а також багато бінарних сполук: B₂O₃, SiO₂, Al₂O₃, BN, AlN, Si₃N₄, B₄C₃, SiC та інші.

Речовини з молекулярним типом кристалічної решітки побудовані з молекул,

зв’язаних силами Ван-дер-Ваальса. Такі речовини легкоплавкі, леткі, не проводять електричного струму. Їхні властивості можуть змінюватися в широких межах залежно від полярності молекул, які містяться у вузлах решітки, а також від наявності і відсутності водневого зв’язку. Молекулярну кристалічну решітку мають речовини, які за звичайних умов є рідинами або газами (наприклад, кристалічні водень, кисень, галогени, інертні гази, вуглекислий газ, вода, більшість органічних сполук та ін.).

Сполуки, в яких реалізується іонний зв’язок, а у вузлах знаходяться протилежно заряджені іони, мають іонну кристалічну решітку. Такі речовини характеризуються досить високими температурами плавлення і кипіння, значною твердістю. Іонні решітки міцніші за молекулярні, проте слабкіші за атомні. Розчиняючись у полярних розчинниках (наприклад, у воді), речовини з іонною кристалічною решіткою дисоціюють на іони, тому їх розчини проводять електричний струм. Іонну решітку мають, наприклад, солі, сильні мінеральні кислоти, луги тощо.

Металічна кристалічна решітка поширена для металів, сплавів і деяких бінарних сполук металів з неметалами. У вузлах решітки знаходяться катіони й атоми металів, зв’язок між якими здійснюється електронами, що належать усьому кристалу. Для таких речовин характерні високі електро- і теплопровідності, металічний блиск, пластичність, ковкість.

Реальні кристали найчастіше мають змішані типи решіток, наприклад, кристалічна решітка графіту складається з атомів вуглецю, зв’язаних ковалентним і частково металічним зв’язками. Саме тому він тугоплавкий, нелеткий та проводить електричний струм. М’якість графіту зумовлена пошаровою будовою кристалічної решітки.