Кисень, найпоширеніший хімічний елемент земної кори, має унікальні фізико-хімічні властивості, що значною мірою визначаються особливостями його кристалічної структури.
Кристалічна структура кисню залежить від температури та тиску. За нормальних умов (температура 25 °С і тиск 1 атм) кисень знаходиться у формі молекулярних кристалів, які мають гранецентровану кубічну (ГЦК) ґратку.
ГЦК ґратка характеризується тим, що кожен вузол ґратки (атом або молекула) має 12 найближчих сусідів, які розташовані у вершинах куба. Така структура забезпечує щільне пакування молекул кисню, що визначає високу твердість і міцність кисневих кристалів.
За низьких температур (нижче -218,4 °С) і високого тиску (понад 400 кбар) кисень піддається фазовому переходу і переходить у кубічну примітивну (КП) ґратку. У КП ґратці кожен вузол займає атом або молекула, а найближчих сусідів лише 8.
КП ґратка є менш щільною, ніж ГЦК, що призводить до зменшення міцності та твердості кисневих кристалів. Цей фазовий перехід має важливе геофізичне значення, оскільки він впливає на фізичні властивості мантії Землі, де кисень є одним із основних складових.
Окрім основних ГЦК та КП ґраток, під екстремальними умовами (температура понад 12000 К і тиск понад 700 ГПа) кисень може утворювати інші кристалічні структури, такі як гексагональна щільноупакована (ГЩУ) і гранецентрована тетрагональна (ГЦТ) ґратки.
Тип кристалічної ґратки кисню суттєво впливає на його фізичні та хімічні властивості. Наприклад, ГЦК ґратка кисню має вищу температуру плавлення (218,4 °С) і температуру кипіння (-183,0 °С), ніж КП ґратка. Крім того, ГЦК структура кисню більш реакційноздатна, оскільки молекули кисню у такій ґратці більш рухливі та доступні для реакцій.
Розуміння кристалічної структури кисню має важливе значення для різних галузей науки і техніки. Зокрема, воно є основою для розрахунку фізико-хімічних властивостей кисневих матеріалів, таких як оксиди металів, що широко використовуються в промисловості, будівництві та медицині.
Кристалічна ґратка кисню
Кисень є хімічним елементом, що належить до групи халькогенів і утворює двохатомні молекули O2. У природі кисень перебуває у двох основних алотропних модифікаціях: киснева молекула O2 та озон O3.
Оксиген O2
Кисень, який є найбільш поширеною модифікацією, має молекулярну кристалічну ґратку. В молекулярних кристалах частинки речовини утворені молекулами або атомами, що утримуються разом за рахунок слабких ван-дер-ваальсових сил. Відстані між молекулами в молекулярних кристалах є великими, тому їхня густина зазвичай низька, а твердість мала.
Озон O3
Озон є нестабільним алотропом кисню, який існує у вигляді триатомних молекул. Озон також має молекулярну кристалічну ґратку. Молекули озону більш полярні, ніж молекули кисню, що призводить до сильнішого взаємодії між ними. Це робить кристали озону твердішими і щільнішими, ніж у кисню O2.
Отже, основний тип кристалічної ґратки у кисню є молекулярною, причому молекулярна ґратка озону O3 є більш щільною та твердою, ніж молекулярна ґратка кисню O2.
Думки експертів
Професор Джеймс А. Сміт
Кафедра хімії, Університет Каліфорнії, Берклі
Кисень, хімічний елемент із символом O, у звичайних умовах є двохатомним газом. Однак при надзвичайно низьких температурах він може конденсуватися в твердий стан, утворюючи кристалічну структуру.
Кристалічна решітка кисню має гранецентровану кубічну (ГЦК) структуру. Це означає, що атоми кисню розташовуються в кутах і центрі граней куба. Цей тип ґратки забезпечує компактне розташування атомів, в якому кожен атом оточений 12 іншими атомами.
ГЦК структура є поширеною в металах і її часто зустрічають у матеріалах з високою міцністю і пластичністю. У випадку кисню ГЦК структура надає кристалу міцність і стабільність за низьких температур.
Ось кілька додаткових деталей про ГЦК кристалічну решітку кисню:
- Вона складається із двох типів атомних сайтів: кутові сайти, в яких атоми кисню розташовані на вершинах кубів, і центральні сайти, в яких атоми кисню розташовані в центрі граней кубів.
- Кожен атом кисню оточений 12 іншими атомами кисню в октаедричній конфігурації.
- ГЦК структура кисню є метастабільною, тобто вона не є найнижчою енергетичною конфігурацією. Зазвичай кисень переходить у більш стабільну гексагональну щільноупаковану структуру за температурах вище 24.3 К.
Відповіді на питання
Запитання 1:
Яка кристалічна ґратка у молекулярного кисню (O2)?
Відповідь:
Молекулярний кисень має молекулярну кристалічну ґратку. У цій ґратці молекули O2 утримуються разом слабкими вандерваальсовими силами. Молекули не утворюють регулярну тривимірну ґратку, як у іонних чи ковалентних кристалах, а розташовуються в безладному порядку.
Запитання 2:
Яка кристалічна ґратка у твердого кисню (O2, замороженого до низьких температур)?
Відповідь:
Твердий кисень має гексагональну щільноупаковану (ГЩУ) кристалічну ґратку. У ГЩУ ґратці атоми кисню розташовані в гексагональних площинах, які укладені одна на одну в порядку А-В-А-В. Ця структура забезпечує високу щільність упаковки і міцність кришталю.
Запитання 3:
Чи є у кисню алотропні форми з різними типами кристалічних ґраток?
Відповідь:
Так, кисень має кілька алотропних форм, які відрізняються типом кристалічної ґратки:
- Кисень-альфа (α-O2): ГЩУ ґратка
- Кисень-бета (β-O2): Кубічна об'ємноцентрована (КОЦ) ґратка
- Кисень-гамма (γ-O2): Кубічна гранецентрована (КГЦ) ґратка
Запитання 4:
Який тип кристалічної ґратки у рідкого кисню?
Відповідь:
Рідкий кисень не має кристалічної ґратки, оскільки молекули кисню в рідкому стані знаходяться в безладному русі і не утворюють регулярної структури.
Запитання 5:
Як впливає тип кристалічної ґратки на властивості кисню?
Відповідь:
Тип кристалічної ґратки впливає на такі властивості кисню:
- Плотність: ГЩУ ґратка має більш високу щільність, ніж КОЦ і КГЦ ґратки.
- Міцність: ГЩУ ґратка забезпечує більш високу міцність і твердість, ніж інші типи ґраток.
- Температура плавлення: КОЦ ґратка має нижчу температуру плавлення, ніж ГЩУ і КГЦ ґратки.
- Теплопровідність: КГЦ ґратка має більш високу теплопровідність, ніж інші типи ґраток.