Kristally

КРИСТАЛЛЫ. КРИСТАЛЛОГИДРАТЫ

Большинство неорганических соединений (около 90%) в обычных условиях являются кристаллическими веществами. Они встречаются в глубинах земли, горных вершинах, песчаных пустынях, на дне озер, морей, океанов. Их выращивают в научных химических лабораториях.

Отличительным внешним признаком кристалла является его форма. На рис.1 показаны кристаллы различных веществ.

**Квасцы Мe(I)Me(III) (SO4)2· 12H2O, где Ме(I) – К+ и др., Ме(III) – Al3+ , Fе3+, Cr3+

***Купоросы Me(II)SO4 · nH2O, где Ме(II) – Сo2+, Fe2+, Мg2+, Мn2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+ и т.д.

3

Кристаллы правильной формы (монокристаллы) встречаются в природе весьма редко. Обычно встречаются поликристаллы - сростки мелких кристаллов неправильной формы. Объясняется это тем, что при росте кристалла его теснят со всех сторон другие такие же кристаллы. Для выращивания монокристаллов требуются особые условия.

Внешняя форма кристаллов определяется их внутренним строением. Структурными единицами кристаллов являются атомы, ионы или молекулы. О расположении этих структурных единиц относительно друг друга в кристалле можно узнать, сделав его рентгеновский снимок.

Внутреннюю структуру кристалла можно представить в виде кристаллической решетки, в узлах которой располагаются атомы, молекулы или ионы (рис. 2).

Рис.2. Кристаллические решетки соединений: а - сухой лед СO2, б - кварц SiO2, в - хлорид натрия NaCI.

Свойства кристаллов, естественно, зависят от природы образующих их частиц. В молекулярном кристалле молекулы связаны друг с другом слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Связи между молекулами легко разрываются при относительно низкой температуре. Поэтому вещества с молекулярным типом кристалла имеют относительно низкие температуры плавления, они летучи. Примерами веществ с молекулярным типом кристалла являются сухой лед - углекислый газ СО2 в твердом состоянии (рис.2), йод J2, нафталин С10Н8.

В атомных кристаллах связи между атомами прочные, они разрушаются лишь при сильном нагревании. Примерами соединений с

4

атомно-кристаллической решеткой являются кварц SiO2 (рис.2), корунд Al2O3. Эти вещества тугоплавки, в газовое состояние они переходят лишь при очень высокой температуре, например, кварц - при температуре 2590° С.

Для разрушения структуры ионного кристалла также требуется затратить большую энергию. Поэтому вещества с ионной кристаллической решеткой характеризуются высокой температурой плавления. Ионную кристаллическую решетку имеют соли (рис.2), щелочи (гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов).

Для практических целей используют как естественные кристаллы (минералы, горные породы, поделочные и драгоценные камни), так и выращенные искусственно. Кристаллы выращивают из растворов или расплавов веществ, а также из газовой среды. Из растворов легче всего вырастить кристаллы хорошо растворимых в воде веществ, например, квасцов, медного купороса, сахара, дигидрофосфата калия и др.

Гигантскими «фабриками» получения кристаллических веществ являются химические заводы, где вырабатывают соду, химические удобрения и многие другие соли. На металлургических заводах получает металлы.

При кристаллизации некоторых веществ (особенно солей) из водных растворов вода входит в состав кристаллов. Такие кристаллы называют кристаллогидратами (гидратами), а воду, входящую в их состав, - кристаллизационной. Количество кристаллизационной воды в кристаллогидрате указывают в его формуле. Например, запись

·2H2O означает, что один моль этого кристаллогидрата содержит один моль сульфата кальция и два моля воды.

Известны кристаллогидраты, содержащие большое количество воды, например, Na2SO4 ·10H2O (глауберова соль), MgSO4 · 7H2O (горькая соль) CuSO4 · 5H2O (медный купорос). Примером кристаллогидрата с малым содержанием воды является CaSO4 · 0,5H2О (алебастр) . В зависимости от условий кристаллизации (температуры, присутствия примесей) образуются кристаллогидраты разного состава. Так, для сульфата меди (II) известны три кристаллогидрата: CuSО4 ·H2О, CuSО4 · 3H2О, CuSО4 · 5H2О.

Частичное или полное обезвоживание кристаллогидратов приводит к изменению их структуры и окраски. Так, лазурно-синие

5

кристаллы медного купороса*, выветриваясь на воздухе, переходят в трехводный кристаллогидрат бледно-синего цвета. А при нагревании происходит полная дегидратация и образуется сульфат меди (II) белого цвета:

С некоторыми данными о кристаллогидратах и безводных солях Вы можете познакомиться из табл.1.

____________________________

* В кристаллах CuSO4 · 5H2O каждый ион меди (II) окружен четырьмя молекулами воды и двумя атомами кислорода разных сульфат-ионов (рис.3). Пятая молекула воды не связана с ионом меди (II). Она является мостиком, объединяющим две молекулы воды из окружения ка- тионов меди (II) и два атома

кислорода сульфат-ионов.

Иное расположение частиц в кристаллах CuSO4 · 3H2O. Вокруг иона меди (II) располагаются три молекулы воды и три атома кислорода трех сульфат-ионов [3].

Рис.3. Кристаллическая структура CuSO4 · 5H2O

6

Таблица 1. Окраска кристаллогидратов, безводных солей и темпера- тура (оС) дегидратации кристаллогидратов, плавления или разложения безводных солей

7

Продолжение таблицы 1

Дегидратация кристаллогидрата – процесс эндотермический. Образование кристаллогидрата при гидратации вещества – процесс экзотермический. Количество теплоты, выделяющейся при присоединении кристаллизационной воды к одному молю безводного вещества, называют теплотой (энтальпией) гидратации.

Растворение соли можно представить в виде двух стадий: присоединение солью кристаллизационной воды с образованием кристаллогидрата; разрушение образованного кристаллогидрата большим количеством воды вследствие его растворения. Тогда, согласно закону Гесса теплоту (энтальпию) растворения безводной

соли ( Hораст. соли) можно выразить в виде алгебраической суммы теплоты (энтальпии) гидратации соли ( Hогидрат.) и теплоты (энтальпии) растворения образовавшегося кристаллогидрата

( Hораст. крист.).

8

Приведем термохимические уравнения растворения I моль карбоната натрия по стадиям:

1 Гидратация безводной соли Na2СO3:

Приведенные рассуждения удобно представить в виде энтальпийной диаграммы, на которой откладывают экспериментальные значения энтальпий растворения безводной соли и ее кристаллогидрата. На рис. 4 приведена энтальпийная диаграмма растворения карбоната натрия.

Рис.4. Энтальпийная диаграмма растворения карбоната натрия

9

Экспериментально установлено, что растворение карбоната натрия – экзотермический процесс, eго энтальпия растворения

Hораст. соли. = -24,6 кДж.

Растворение же десятиводного карбоната натрия –

эндотермический процесс, его энтальпия Hораст. крист. = 66,6 кДж [4]. По энтальпийной диаграмме (рис.4) можно вычислить энтальпию гидратации безводной соли:

Hогидрат. = Hораст. соли. - Hораст. крист.

Hогидрат. = -24,6кДж – 66,6 кДж = - 91,2кДж

Энтальпию гидратации вещества можно вычислить, используя

Лабораторная работа № I

Наблюдение кристаллов под микроскопом

В этой работе Вам предстоит: I) ознакомиться с внешней формой кристаллов некоторых веществ; 2) провести наблюдение под микроскопом образования по обменной реакции кристаллов: а) гипса CaSO4 · H2O; б) сульфата свинца PbSO4.

10