Budowa i właściwości kryształów

Kryształy posiadają uporządkowaną budowę, która przekłada się na ich właściwości fizyczne i chemiczne.
Ze względu na rodzaj wiązań chemicznych wyróżniamy cztery główne typy kryształów: kowalencyjne, molekularne, jonowe i metaliczne.

Kryształy kowalencyjne

Kryształy kowalencyjne składają się z atomów połączonych mocnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Tworzą one trójwymiarowe sieci o bardzo dużej stabilności. Przykładem takich kryształów są diament, krzem czy kwarc (SiO₂).

Schemat graficzny budowy kwarcu:

Właściwości kryształów kowalencyjnych:

• wysoka twardość – np. diament jest jednym z najtwardszych znanych materiałów.
• wysokie temperatury topnienia i wrzenia – wynika to z silnych wiązań kowalencyjnych.
• brak przewodnictwa elektrycznego
• kruche – mogą pękać pod wpływem silnych uderzeń, ponieważ nie wykazują plastyczności.

Kryształy molekularne

Kryształy molekularne składają się z cząsteczek połączonych siłami międzycząsteczkowymi, takimi jak siły van der Waalsa czy wiązania wodorowe. Do tej grupy należą np. jod (I₂), lód (H₂O), dwutlenek węgla w stanie stałym (suchy lód, CO₂) oraz wiele organicznych związków krystalicznych.

Schemat graficzny budowy lodu:

Właściwości:

• niska twardość – siły oddziaływań międzycząsteczkowych są słabsze w porównaniu do siły wiązań kowalencyjnych czy jonowych,
• niskie temperatury topnienia i wrzenia – łatwo przechodzą w stan ciekły lub gazowy,
• brak przewodnictwa elektrycznego – nie zawierają swobodnych nośników ładunku,
• często lotne – łatwo sublimują, np. jod.

Kryształy jonowe

Kryształy jonowe składają się z kationów i anionów połączonych silnymi oddziaływaniami elektrostatycznymi. Charakterystycznym przykładem jest chlorek sodu (NaCl), ale także inne sole, np. fluorek wapnia (CaF₂) czy azotan(V) potasu (KNO₃).

Schemat graficzny budowy KBr:

Właściwości:

• twarde i kruche – silne oddziaływania jonowe utrzymują strukturę, ale kryształy mogą pękać pod wpływem sił mechanicznych.
• wysokie temperatury topnienia – wynika to z sił elektrostatycznych między jonami.
• przewodzą prąd elektryczny w roztworach i po stopieniu – ale nie w stanie stałym (ponieważ jony są unieruchomione).
• często dobrze rozpuszczalne w wodzie – np. NaCl łatwo rozpuszcza się w wodzie, co wynika z oddziaływań między jonami a cząsteczkami wody.
  

Kryształy metaliczne

Kryształy metaliczne składają się z kationów metali otoczonych chmurą swobodnie poruszających się elektronów walencyjnych metali wchodzących w skład kryształu. Do tej grupy należą metale, np. żelazo (Fe), miedź (Cu), aluminium (Al), a także ich stopy.

Schemat graficzny budowy miedzi:

Właściwości:

• dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne – wynikające z swobodnego ruchu elektronów tworzących chmurę,
• plastyczność i kowalność – metale można zginać, kuć i walcować bez ich łamania,
• połysk metaliczny – charakterystyczny dla metali,
• zróżnicowane temperatury topnienia – np. wolfram (W) ma bardzo wysoką temperaturę topnienia, a rtęć (Hg) jest cieczą w temperaturze pokojowej.

Porównanie właściwości kryształów

Z jakim kryształem mamy do czynienia?^*

^{*najczęściej, nie uwzględniając wyjątków.}

Zadania w stylu maturalnym

Zadanie 1.

Poniżej wymieniono 8 substancji, które w stałym stanie skupienia tworzą kryształy.

Wybierz wszystkie te, które tworzą kryształy jonowe oraz wszystkie te które tworzą kryształy molekularne, oraz wpisz wzory w odpowiednie miejsce w poniższej tabeli.

S₈        K₂O     Zn       H₂O     SiO₂    Cu       NaCl   I₂

Odpowiedź

Zadanie 2.

Uzupełnij poniższe zdania.

Kryształy jonowe …………………. prądu elektrycznego, ponieważ …………………………………………. Związki jonowe po stopieniu przewodzą prąd elektryczny, …………………………………………………….

Odpowiedź

Kryształy jonowe nie przewodzą prądu elektrycznego, ponieważ jony są związane w sieć krystaliczną. Związki jonowe po stopieniu przewodzą prąd elektryczny, jony zostały uwolnione z sieci krystalicznej.

Zadanie 3.

Zbadano przewodnictwo elektryczne kryształów substancji umownie oznaczonych wzorami A i B. Obie te substancje posiadają wysokie temperatury topnienia. Pierwsza z nich (substancja A) przewodzi prąd elektryczny w ciele stałym. Natomiast substancja B przewodzi prąd elektryczny dopiero po stopnieniu.

Jaki rodzaj kryształów (metaliczne, jonowe, kowalencyjne, molekularne) tworzą kolejno substancja A i B .

Odpowiedź

Substancja A tworzy kryształ metaliczny, substancja B tworzy kryształ jonowy.

Komentarz

Obie substancje przewodzą prąd elektryczny, co sugeruje, że tworzą one kryształy jonowe bądź metaliczne. Substancja A przewodzi prąd elektryczny jako ciało stałe tworzy więc sieć metaliczną. Substancja B nie przewodzi prądu w ciele stałym, ale przewodzi go po stopieniu – tworzy więc kryształ jonowy.