Хімія. 8 клас. Савчин

§ 16. Кристалічні ґратки. Атомні, молекулярні та йонні кристали

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

• розрізняти кристалічні ґратки речовин;
• знати будову різних типів кристалічних ґраток: молекулярних, йонних, атомних;
• пояснювати розташування структурних частинок у кристалічних ґратках, силу зв’язку між частинками, взаємозв’язок між будовою кристалічних ґраток і властивостями сполук;
• характеризувати залежність властивостей речовин від типу кристалічних ґраток.

Кристалічна будова речовин. З курсу природознавства та фізики ви знаєте, що за звичайних умов речовини перебувають у трьох агрегатних станах.

Назвіть ці три стани, поясніть перехід з одного в інший на прикладі води.

Але рідину чи газ за певних умов (зниження температури, тиску) можна перевести у твердий стан. Процес твердіння речовин — це процес упорядкування структурних частинок речовини в просторі. Внаслідок твердіння утворюються кристалічні структури, що нагадують ґратки. Місця розташування структурних частинок у ґратках називають вузлами. У вузлах кристалічних ґраток розташовуються молекули, йони або атоми. Відповідно, розрізняють три типи кристалічних ґраток: молекулярні, йонні, атомні. Розглянемо структуру кожної з них.

Молекулярні кристалічні ґратки. Вони характерні для речовин молекулярної будови. У вузлах молекулярних ґраток розташовуються молекули речовин із ковалентним зв’язком. Залежно від виду цього зв’язку розрізняють і види молекулярних ґраток: неполярні й полярні.

У вузлах неполярних молекулярних ґраток розміщуються неполярні молекули, що притягуються дуже слабкими міжмолекулярними силами взаємодії (вандерваалівськими). Такими є кристалічні ґратки йоду та вуглекислого газу (рис. 32 а, б).

Рис. 32. Моделі кристалічних ґраток: а — йоду; б — вуглекислого газу

У вузлах кристалічних ґраток речовин із полярним ковалентним зв’язком теж розташовуються молекули, які в певному порядку орієнтуються одна до одної полюсами молекул (рис. 33).

Рис. 33. Орієнтація в просторі молекул води в кристалічних ґратках

Йонні кристалічні ґратки властиві для речовин із йонним зв’язком. У вузлах ґраток розташовані йони двох видів: позитивно заряджені (катіони) та негативно заряджені (аніони).

Нони розташовуються почергово у вузлах кристалічних ґраток і утримуються силами взаємного притягання.

Прикладом служать кристалічні ґратки натрій хлориду. Навколо кожного позитивно зарядженого йона Натрію (Na⁺) розміщуються шість негативно заряджених йонів Хлору (Сl^-) і навпаки. Спрощено кристал NaCl можна зобразити, як показано на рисунку 34.

Рис. 34. Кристалічні ґратки натрій хлориду: а — модель; б — фрагмент моделі

У природі трапляється багато речовин із йонними кристалічними ґратками. Це оксиди, основи й солі. На рисунку 35 представлено кристали морської солі (а) й аметисту (б).

Сили притягання між різнойменно зарядженими частинками великі, відповідно йонні зв’язки — міцні. Типовими представниками таких сполук є солі: натрій хлорид, калій нітрат, натрій нітрат та ін.

Рис. 35. Кристали: а — морської солі; б — аметисту

Атомні кристалічні ґратки спостерігаються в сполуках із ковалентними зв’язками. У вузлах таких ґраток розташовуються атоми. Усі ці зв’язки є рівноцінними та міцними. Прикладом є кристалічні ґратки алмазу, силіцій(ІV) оксиду.

Кристалічні ґратки алмазу складаються з атомів Карбону, кожен з яких сполучений із чотирма іншими під кутом 109°28'. Такий кут характерний для геометричної фігури тетраедра. У центрі тетраедра розміщений атом Карбону, а на вершинах — чотири інші (рис. 36). Зв’язки між атомами в атомних кристалічних ґратках є дуже міцними, тому на їх розрив витрачається велика кількість енергії.

Рис. 36. Модель кристалічних ґраток алмазу

Залежність фізичних властивостей речовин від типів кристалічних ґраток. Розглянемо фізичні властивості речовин з різним типом кристалічних ґраток.

Молекули речовин, що утворюють молекулярні кристалічні ґратки, слабко утримують одна одну в ґратках.

Пригадайте, який тип хімічного зв’язку наявний у сполуках з молекулярними кристалічними ґратками.

Якщо ж між молекулами діють слабкі сили притягання, то зв’язок між ними можна легко розірвати. Це зумовлює такі властивості: високу леткість, легкоплавкість, низькі температури кипіння, малу твердість. Наприклад, у йоду настільки слабкі сили взаємодії між молекулами, що навіть за незначного нагрівання його кристали перетворюються на пару, минаючи рідкий стан. Вам відомо, що й амоніак, який входить до складу нашатирного спирту, за звичайних умов легко випаровується тощо.

Наведіть приклади інших речовин із молекулярними кристалічними ґратками.

Речовини з йонними кристалічними ґратками відзначаються високою твердістю, оскільки сили взаємодії між різнойменно зарядженими йонами великі й однаково діють у всіх напрямках. На розрив йонних зв’язків витрачається багато енергії. Наприклад, щоб розплавити кухонну сіль, необхідно нагріти її до температури понад 800 °С, а щоб сіль кипіла — вище 1400 °С. З цим пов’язана й тугоплавкість, і відсутність леткості. Переважна більшість речовин із йонними кристалічними ґратками добре розчинні у воді. Якщо йонні сполуки у твердому стані не проводять електричний струм, то в розчинах є електропровідними. Йонні кристалічні ґратки міцніші за молекулярні, але слабші, ніж атомні.

Речовини з атомними кристалічними ґратками подібні за властивостями до йонних. Вони характеризуються: а) міцністю кристалів; б) високими температурами плавлення та кипіння; в) твердістю; г) крихкістю; ґ) майже нерозчинні у воді й інших рідинах. Очевидним є той факт, що ковалентні зв’язки між атомами є ще міцнішими, ніж між йонами в йонних сполуках. Твердість алмазу, порівняно з іншими твердими речовинами, є найвищою. До речовин з атомними кристалічними ґратками належить кварц (силіцій(ІV) оксид) і його різновиди (рис. 37).

Рис. 37. Різновиди кварцу: а — хризопраз; б — цитрин

Отже, враховуючи знання про кристалічну будову речовини, можна дійти висновку про те, що будова речовини та її властивості взаємопов’язані. Знаючи будову кристалічних ґраток, можна охарактеризувати чи спрогнозувати властивості речовини, і навпаки, за її властивостями можна визначити кристалічну будову.

Лабораторний дослід 1

Ознайомлення з фізичними властивостями речовин атомної, молекулярної та йонної будови

Пригадайте правила безпеки під час роботи з речовинами.

Завдання. Вам видано речовини: натрій хлорид (кухонна сіль), воду, силіцій(ІV) оксид (кремнезем). Визначте типи кристалічних ґраток і хімічного зв’язку та структурні частинки речовин. Ознайомтеся з їх фізичними властивостями, користуючись, де це потрібно, довідковими таблицями.

Дані впишіть у таблицю.

Речо вина	Тип кристалічних ґраток	Тип зв’язку	t плавлення, °С	t кипіння, °С	Твердість	Крихкість	Електропровідність	Розчинність у воді
NaCl
H2O
SiO2

Зробіть висновок щодо залежності фізичних властивостей речовин від структури їх кристалічних ґраток.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Процес твердіння речовин пов’язаний з упорядкуванням структурних частинок речовини в просторі, утворенням структур, що нагадують ґратки.
• Місця розташування структурних частинок у кристалічних ґратках називають вузлами.
• Розрізняють три типи кристалічних ґраток: а) молекулярні; б) йонні; в) атомні.
• У вузлах молекулярних ґраток розташовуються молекули речовин із ковалентним зв’язком, що притягуються дуже слабкими міжмолекулярними силами взаємодії.
• Йонні кристалічні ґратки характерні для речовин із йонним зв’язком. Катіони й аніони розташовуються почергово у вузлах ґраток і утримуються силами взаємного притягання.
• Атомні кристалічні ґратки характерні для сполук із ковалентними зв’язками. У вузлах таких ґраток розташовуються атоми.
• Будова речовини та її властивості взаємопов’язані.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Поясніть, як ви розумієте процес твердіння речовини.
• 2. Охарактеризуйте поняття «кристалічні ґратки речовини».
• 3. Назвіть відомі вам типи кристалічних ґраток.
• 4. Охарактеризуйте будову: а) молекулярних; б) йонних; в) атомних кристалічних ґраток.
• 5. Порівняйте властивості речовин із різними типами кристалічних ґраток.
• 6. Охарактеризуйте взаємозв’язок між будовою і властивостями йонних сполук на прикладі натрій хлориду.
• 7. Серед переліку речовин, поданих формулами, укажіть речовини з йонними, атомними, молекулярними кристалічними ґратками: Ν₂, Н₂О, СаСl₂, SiO₂. Спрогнозуйте їх властивості.

ЦІКАВО ЗНАТИ

• Алмаз, відомий вам як дорогоцінний ювелірний камінь, маючи атомну кристалічну структуру, отримав широке використання в техніці завдяки своїй твердості.

У годинникарстві він виконує роль опор і підшипників. У металообробній промисловості використовують алмазні свердла й різці для обробки твердих сплавів, фільєри для витягування дроту з металів, ниток спеціальної парашутної тканини. З алмазу виготовляють бури, абразивні матеріали, деталі приладів літаків, човнів, кораблів.