Хімія. 8 клас. Буринська

§ 19. Кристалічні ґратки

Опрацювавши зміст параграфа, ви будете:

  • розуміти залежність фізичних властивостей речовин від їх кристалічної будови;
  • знати типи кристалічних ґраток: йонні, атомні, молекулярні;
  • уміти прогнозувати властивості речовин залежно від виду хімічного зв’язку і типу кристалічних ґраток.

Вам вже відомі такі частинки, як атоми, молекули, йони. Це порівняно проста форма організації речовини. У стандартних умовах ці частинки, як правило, індивідуально не існують. За допомогою різних типів хімічних зв’язків вони об’єднуються й утворюють вищу форму організації речовини - хімічні сполуки, що поділяються на прості та складні речовини, які існують у твердому, рідкому і газуватому станах. Якщо гази характеризуються повною невпорядкованістю розташування молекул одна відносно одної, то в рідинах деяка впорядкованість частинок спостерігається. Адже рідинам властива наявність певного об’єму, хоча вони не мають конкретної форми. Рідини займають проміжне місце між газами і твердими тілами, яким властивий суворий порядок розташування частинок, що утворюють речовину.

У твердих речовинах частинки розміщені у просторі суворо закономірно для кожної речовини. Щоб якось уявити цю закономірність, у тривимірному просторі подумки об’єднайте центри молекул прямими лініями, які перетинаються. При цьому утвориться просторовий каркас, який називають кристалічними ґратками. Місця, де лінії перетинаються, називають вузлами кристалічних ґраток. Залежно від природи частинок, що містяться у вузлах кристалічних ґраток, розрізняють йонні, атомні, молекулярні кристалічні ґратки. Відомі також металічні кристалічні ґратки, їх вивчатимемо пізніше.

Йонні кристалічні ґратки. Типовим представником сполук із йонним типом кристалічних ґраток є натрій хлорид NaCl. Його кристалічні ґратки утворені йонами Натрію Na+ та йонами Хлору Сl-, які по черзі розміщуються у вузлах ґраток. Йони утримуються один з одним силами притягання, і кристал солі є ніби єдиним цілим.

Оскільки в кристалі сили притягання поширюються однаково в усіх напрямках, йони Натрію Na+ і Хлору Сl- сполучаються дуже міцно, хоча кожний із них не зафіксований нерухомо. Йони безперервно здійснюють теплові коливання навколо свого положення в ґратках. Міцність йонних кристалів залежить також від заряду та радіуса йонів. Однак їх поступальний рух уздовж ґраток не відбувається, тому всі речовини з йонним зв’язком за стандартної температури - тверді (кристалічні), з досить високою температурою плавлення і ще вищою - кипіння.

Молекул у йонних кристалах немає, є тільки йони. Лише у газуватому стані (пара) натрій хлорид існує у вигляді молекул NaCl.

Подібно до натрій хлориду майже всі солі, основні оксиди, гідроксиди металічних елементів складаються не з молекул, а з йонів.

Зверни увагу! Хімічні формули йонних сполук передають лише співвідношення позитивно і негативно заряджених йонів у кристалічних ґратках. Йонні сполуки в цілому електронейтральні. Наприклад, згідно з формулою йонного кристала CaF2 співвідношення позитивно заряджених йонів Кальцію Са2+ і негативно заряджених йонів Флуору F- у ґратках дорівнює 1 : 2. Оскільки кожні два позитивні заряди Са2+ нейтралізуються двома негативними зарядами 2F-, то речовина CaF2 - електронейтральна.

Хоча реальних молекул у йонних кристалах не існує, для однаковості з ковалентними речовинами прийнято за допомоги формул NaCl, CaF2 тощо передавати найпростіший склад йонної речовини та характеризувати її також певним значенням відносної молекулярної (формульної) маси на підставі формульного складу. А поняття про валентність як певне число ковалентних зв’язків до йонних сполук застосовувати не можна (тому й будемо говорити про ступінь окиснення елементів).

Атомні кристалічні ґратки. У вузлах атомних кристалічних ґраток містяться окремі атоми, сполучені між собою ковалентними зв’язками. Такі кристалічні ґратки має алмаз. У його кристалі кожний атом Карбону сполучений ковалентними зв’язками з чотирма сусідніми атомами Карбону, тобто утворює чотири спільні електронні пари. Тому можна говорити, що Карбон - чотиривалентний елемент.

Ступінь окиснення Карбону також +4 або -4 залежно від того, з яким елементом він взаємодіє:

Алмаз та інші речовини, які мають атомні кристалічні ґратки, характеризуються великою твердістю, дуже високими температурами плавлення і кипіння, вони практично не розчиняються в жодних розчинниках, не проводять електричний струм, оскільки вільних електронів немає, бо всі 4 валентні електрони беруть участь в утворенні ковалентних зв’язків.

Атомні ґратки мають лише деякі речовини у твердому стані (силіцій Si, бор В, силіцій(ІV) оксид SiO2, силіцій(ІV) карбід SiC та ін.).

Молекулярні кристалічні ґратки. У вузлах молекулярних кристалічних ґраток містяться як неполярні, так і полярні молекули. Наприклад, у вузлах кристалічних ґраток йоду містяться молекули йоду I2. Сили міжмолекулярної взаємодії, так звані сили Ван-дер-Ваальса, значно слабкіші за сили ковалентного зв’язку. Тому речовини з молекулярними ґратками мають невелику твердість, вони легкоплавкі й леткі. До таких речовин належать, наприклад, йод, нафтален, бром, хлор, вода, спирт, амоніак, метан СН4.

Дослід 1. Виконайте лабораторний дослід з ознайомлення з фізичними властивостями речовин атомної, молекулярної та йонної будови.

На ваших столах містяться: річний пісок SiO2, вода і кухонна сіль. Розгляньте їх і опишіть фізичні властивості, зазначте тип кристалічних ґраток.

Отже, ви переконались, що будова речовини та її властивості пов’язані, тому якщо відома будова речовини, можна прогнозувати її властивості, і навпаки, якщо відомі властивості речовини, можна робити висновок про її будову.

Зв'язок будови та властивостей речовин показаний в узагальнюючій табл. 7.

Таблиця 7

Тип кристалічних граток і властивості речовини

Ґратки

Структурна частинка

Хімічний зв’язок

Міцність зв’язків

Температура плавлення

Електрична провідність

Механічні властивості

Йонні

Йон

Йонний

Велика

Висока

Діелектрики

Твердість, крихкість

Атомні

Атом

Ковалентний

Велика

Висока

Діелектрики, напівпровідники

Велика твердість

Молекулярні

Молекула

Міжмолекулярний

Мала

Низька

Діелектрики

Крихкість

Висновки

У кристалічних речовинах атоми, молекули, йони розміщуються в певному порядку, утворюючи кристалічні ґратки. Розрізняють атомні, молекулярні, йонні та металічні кристалічні ґратки.

Між будовою речовини, яка визначається типом хімічного зв’язку і кристалічних ґраток, та її властивостями існує певна залежність: чим міцніший хімічний зв'язок, що утримує частинки у вузлах кристалічних ґраток, тим міцніші кристали, тим твердіша речовина, тим вищі її температури плавлення і кипіння.

Завдання для самоконтролю

1. У чому полягає відмінність йонних, атомних і молекулярних кристалічних ґраток?

2. Як, знаючи фізичні властивості речовини, можна дійти висновку про тип її кристалічних ґраток? Покажіть на прикладі.

3. Поясніть причину відмінності температури плавлення речовин із різними типами кристалічних ґраток.

4. За якими ознаками можна віднести до речовин з молекулярними кристалічними ґратками: а) лід; б) нафтален.

5. Молекулярні кристалічні ґратки можуть мати речовини з хімічним зв’язком:

  • А йонним;
  • Б металічним;
  • В ковалентним полярним;
  • Г ковалентним неполярним.

6. Речовини з молекулярними кристалічними ґратками:

  • А легкоплавкі;
  • Б леткі;
  • В добре проводять електричний струм;
  • Г мають низьку теплопровідність.

7. Речовина, що має найвищу температуру плавлення, - це:

  • А йод;
  • Б лід;
  • В кальцій фторид CaF2.

Додаткові завдання

8*. Яке передбачення про кристалічні ґратки речовини можна висловити, якщо відомо, що за стандартних умов вона перебуває у газуватому стані, а за температури - 40 °С являє собою безбарвні кристали, які не проводять електричний струм.

9*. Речовина, хімічні зв’язки в якій сформовані між атомами елементів із зарядами ядер +1 і +16, у твердому стані має кристалічні ґратки:

  • А йонні;
  • Б молекулярні;
  • В атомні.

10*. Речовина, утворена елементами зі скороченими електронними конфігураціями ...3s10 і ...3s23p5, має кристалічні ґратки:

  • А атомні;
  • Б йонні;
  • В молекулярні.