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.)
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.
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.
Как объясняет свойства кристаллов молекулярная теория? В начале XIX века впервые было высказано предположение, что внешне правильная форма кристаллов обусловлена внутренне правильным расположением частиц, из которых состоят кристаллы, т. е. атомов. На основании исследований посредством рентгеновских лучей было выяснено, что это предположение справедливо.
Частицы, составляющие кристаллы, расположены друг относительно друга в определенном порядке, на определенных расстояниях друг от друга. Конечно, вследствие теплового движения расстояния между частицами все время немного меняются, но можно говорить о некотором среднем для каждой температуры расстоянии. Совокупность узлов, т. е. точек, соответствующих средним положениям частиц, составляющих кристалл, называют пространственной решеткой этого кристалла.
Частицами, из которых состоят кристаллы, в некоторых случаях являются электрически заряженные частицы - ионы. Ионами называют атомы (или группы атомов), потерявшие или, наоборот, присоединившие к себе один, два или больше электронов. Если атом потерял электроны, он является положительно заряженной частицей - положительным ионом. Если же к атому присоединились электроны, то он является отрицательным ионом. Кристаллы, состоящие из ионов, называют ионными кристаллами.
Простой пример пространственной решетки ионного кристалла представляет собой решетка кристалла хлористого натрия (поваренной соли). Молекулу этого вещества мы представляем себе состоящей из одного атома хлора и одного атома натрия . Такими являются эти молекулы в парах соли. Экспериментальное исследование показало, что в твердом кристалле нет молекул в том смысле, как это упоминалось выше. Кристаллическая решетка хлористого натрия состоит не из молекул хлористого натрия, а из чередующихся ионов хлора и натрия (рис. 444). Каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора, расположенными по трем взаимно перпендикулярным направлениям, а каждый ион хлора в свою очередь окружен шестью ионами натрия.
Рис. 444. Схема расположения узлов в пространственной решетке кристалла хлористого натрия
Подобные решетки имеют многие соли, состоящие из двух атомов (бромистое и хлористое серебро, йодистый калий, многие сернистые металлы и т. д.). Расстояния между средними положениями ионов в решетках разных веществ неодинаковы. У хлористого натрия расстояние между соседними ионами равно , у хлористого серебра , у йодистого калия и т.д.). Существуют и более сложные ионные кристаллы. Так, например, решетка исландского шпата состоит из ионов и ионов .
Кроме ионных кристаллов, существуют также кристаллы, состоящие из незаряженных частиц - атомов или молекул. Например, решетка алмаза состоит из атомов углерода, решетка кристаллов льда - из молекул воды , решетка нафталина - из больших молекулярных групп и т. д. Расстояния между атомами таких кристаллов также порядка .
Далеко не всегда атомы или ионы расположены в решетке, представляющей совокупность кубов (кубические решетки), как это имеет место у и др. Большинство решеток имеет гораздо более сложный вид. Примером является решетка льда (рис. 445). Как же объяснить зависимость физических свойств кристаллов от направления?
Рис. 445. Пространственная решетка кристаллов льда: а) вид сверху; б) вид сбоку. Шарики изображают атомы кислорода; положения атомов водорода не показаны
Пусть на рис. 446, а кружки изображают атомы жидкости (например, ртути), расположенные в некоторой плоскости. Выберем некоторый атом и проведем через него прямые линии по разным направлениям. Ясно, что благодаря полной хаотичности расположения атомов на одинаковых отрезках любой из этих прямых будет находиться практически одно и то же число атомов. Это значит, что при хаотическом расположении атомов все направления равноправны.
Рис. 446. а) Беспорядочное
расположение частиц в жидкости. Любая прямая 
, проведенная через молекулу , встречает
одинаковое число частиц (они отмечены черными кружками), б) Упорядоченное
расположение атомов в кристалле. Различные прямые , проведенные через
молекулу ,
встречают различное число атомов
Не то будет, если мы произведем такое же построение при правильном расположении атомов, характерном для кристалла, например таком, какое изображено на рис. 446, б. Видно, что прямые, проведенные по направлениям или , встретят много атомов, по направлению - несколько меньше, а по направлению - совсем мало. Это и объясняет, почему физические свойства кристалла зависят от направления. Так, например, в решетке поваренной соли раскалывание происходит легче всего по плоскостям, параллельным или (рис. 447). Поэтому, ударив молотком по кубику кристалла поваренной соли, мы разобьем его снова на правильные кубики, в то время как удар по куску аморфного стекла разбивает его на осколки самой разнообразной формы.
Рис. 447. В кристалле поваренной соли раскалывание происходит легче по плоскостям, параллельным или , чем по любым другим плоскостям, например
В заключение отметим, что в реальных кристаллах решетка обычно не является правильной во всем объеме кристалла. Кое-где решетка искажена, имеются участки, где атомы расположены в беспорядке, кое-где присутствуют вкрапления посторонних атомов. Эти местные искажения играют немаловажную роль для объяснения некоторых свойств реальных кристаллов.
Ионные соединения (например, хлорид натрия NaCl) - твердые и тугоплавкие от того, что между зарядами их ионов ("+" и "-") существуютмощные 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
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 температурами 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 илиплотной 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 равнуюэнтальпии сублимации; результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными. Согласно уравнению Борна-Майера, длякристалла, 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, E
- 0 - энергия нулевых колебаний, е
- - заряд электрона). С укрупнением катиона возрастает вклад дипольных взаимодействий.
