Хімія. Поглиблений рівень. Повторне видання. 8 клас. Бутенко

§ 24. Кристалічна будова речовини

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

  • що таке кристалічна та аморфна, молекулярна й немолекулярна будова речовини;
  • чим відрізняються атомні, молекулярні та йонні кристали;
  • як залежать властивості речовини від її будови.

Будова твердої речовини. Якщо будь-яка речовина переходить у твердий стан, то її частинки в просторі не можуть вільно переміщатися одна відносно одної. Завдяки цьому всі тіла, які складаються з твердих речовин, на відміну від рідких і газуватих, мають певну форму та об’єм.

За внутрішньою будовою й властивостями розрізняють дві форми твердої речовини — аморфну та кристалічну. В аморфній речовині її частинки (молекули, атоми, йони) розміщені безладно (слово «аморфос» у перекладі з грецької означає «той, що не має форми») (рис. 26, а). Під час нагрівання аморфні речовини не плавляться за певної температури, а поступово розм’якшуються, перетворюючись на рідину. Прикладами аморфних речовин є скло, смоли тощо.

У кристалічній речовині частинки розташовуються в строго певних точках простору (рис. 26, б). Якщо ці точки сполучити уявними прямими лініями, то утворюється просторовий каркас — кристалічні ґратки. Точки, де перехрещуються уявні лінії, називають вузлами кристалічних ґраток. Якраз у них і перебувають реальні частинки речовини. Ці частинки постійно коливаються відносно вузлів кристалічних ґраток. Амплітуда коливань, тобто відстань, на яку вони відхиляються від вузлів ґраток, залежить від температури. З її підвищенням амплітуда збільшується. Цим і пояснюють теплове розширення тіл.

Рис. 26. Будова аморфного кварцового скла (а) і кристалічного кварцу (б). Скло та кварц побудовані з однієї і тієї самої речовини — SiO2

Оскільки частинки речовини можуть розміщатися в просторі по-різному, то утворюються кристали різної, але завжди правильної геометричної форми. Так, кристали кухонної солі (рис. 27) і корунду (рис. 28) мають форму куба, гірського кришталю — форму правильної чотиригранної піраміди, а графіту (однієї з модифікацій Карбону) — форму призми. Особливо різноманітних форм набувають кристали кальциту — одного з різновидів кальцій карбонату (СаСО3).

Рис. 27. Кристал кухонної солі NaCl і моделі її кристалічної будови: а — кульова; б — кулестрижнева

Рис. 28. Корунд Аl2О3

Атомні кристалічні ґратки. Кристалічні ґратки, що складаються з атомів, називають атомними. Атоми в цих ґратках сполучені між собою міцними ковалентними зв’язками. Прикладом можуть бути кристалічні ґратки алмазу — однієї з модифікацій Карбону (рис. 29). У них кожний атом Карбону сполучений із чотирма сусідніми атомами Карбону рівноцінними за довжиною й енергією ковалентними зв’язками.

Рис. 29. Кристали (а) і модель атомних кристалічних ґраток (б) алмазу

Зображена модель є спрощеною, оскільки в ній атоми Карбону не торкаються один одного. У реальному кристалі алмазу атоми щільно контактують між собою й мають відповідний розмір, який характеризують радіусом.

Речовини з атомними кристалічними ґратками мають високі температури плавлення, високу твердість і міцність. За звичайних умов практично не розчиняються в жодному рідкому розчиннику.

Крім алмазу, до речовин з атомними кристалічними ґратками відносять кристалічний бор, кремній, германій, силіцій(ІV) оксид SiO2, силіцій(ІV) карбід SiC тощо.

Молекулярні кристалічні ґратки. Кристалічні ґратки, у вузлах яких розміщуються молекули (полярні чи неполярні), називають молекулярними. Молекули в таких ґратках утримуються досить слабкими силами міжмолекулярної взаємодії. Через це речовини, які у твердому стані мають молекулярні кристалічні ґратки, плавляться та киплять за низьких температур. Ці речовини м’які, нерозчинні або малорозчинні у воді, їхні розчини практично не проводять електричного струму. За звичайних умов вони являють собою гази, рідини або легкоплавкі тверді речовини. Багато молекулярних сполук мають запах.

До речовин з молекулярними кристалічними ґратками відносять лід (рис. 30, а), «сухий лід» — твердий СО2 (рис. 30, б), тверді прості речовини йод I2, фосфор Р4, сірку S8, хлор Сl2, кисень О2 (рис. 31) та ін., більшість органічних сполук у твердому стані (глюкозу, нафталін, парафін, лимонну кислоту тощо).

Рис. 30. Моделі молекулярних кристалічних ґраток складних речовин: а — вода (лід); б — твердий вуглекислий газ

Рис. 31. Моделі молекулярних кристалічних ґраток простих речовин: а — сірки; б — твердого хлору (нижче за t = -101 °С); в — твердого кисню (нижче за t = -219 °С)

Речовини з молекулярними кристалічними ґратками — це сполуки з молекулярною будовою. Носієм хімічних властивостей цих сполук є молекули, які завжди мають певний якісний і кількісний склад, незалежно від способу їхнього добування. Тому склад молекул підпорядковується одному з основних законів хімії — закону сталості складу речовин, відкритому в 1799-1806 рр. французьким ученим Ж. Прустом. Цей закон справедливий тільки для речовин, які мають молекулярну будову.

Йонні кристалічні ґратки. Кристалічні ґратки, утворені Йонами, називають йонними. У вузлах таких ґраток перебувають позитивно заряджені йони, оточені негативно зарядженими йонами, і навпаки. Ці йони сполучені між собою силами електростатичного притягання. Так, у кристалі натрій хлориду NaCl, модель кристалічних ґраток якого подана на рис. 27 (с. 108), кожний йон Натрію оточений шістьма йонами Хлору, а кожний йон Хлору — шістьма йонами Натрію. Оскільки число зв’язків між йонами в такому кристалі величезне, то всі йони міцно сполучені один з одним. Через це сполуки з йонними кристалічними ґратками за кімнатної температури є твердими й нелеткими, бо мають високі температури плавлення. Наприклад, температура плавлення натрій хлориду NaCl дорівнює 801 °С. «Чемпіон» з тугоплавкості поміж йонних сполук — магній оксид MgO, який плавиться за температури 2800 °С, а кипить — за 3600 °С.

У твердому стані йонні сполуки мають високу твердість і водночас є крихкими, не проводять електричного струму. Але в результаті розплавлення або розчинення їх у сполуках з полярним ковалентним зв’язком — полярних розчинниках, наприклад воді, геометрично правильна орієнтація протилежно заряджених йонів порушується. Йонні сполуки в розплавах і розчинах стають провідниками електричного струму.

Йони, що входять до складу кристалічних ґраток, можуть бути як простими (F-, Вr-, Са2+, О2-), так і складними (SO2-4, ОН-, NO-3, CO2-3). На рис. 32 подано моделі різних йонних сполук.

Рис. 32. Моделі йонних кристалічних ґраток: а — магній оксиду; б — купрум(ІІ) оксиду; в — кальцій гідроксиду; г — кальцій фториду; ґ — кальцій карбонату; д — барій сульфату

Через те що йонні сполуки побудовані з йонів, а не з молекул, їх треба відносити до речовин немолекулярної будови. Сполуки з йонною будовою складаються з величезної кількості йонів, у них немає окремих молекул: увесь кристал являє собою, так би мовити, єдину гігантську молекулу. Тому поняття «відносна молекулярна маса», «молекула» стосовно таких сполук є умовними.

Узагальнене уявлення про залежність властивостей речовини від її будови — молекулярної або немолекулярної — наведено в таблиці 14.

Таблиця 14

Речовини (за будовою)

молекулярні

немолекулярні

За звичайних умов

У всіх агрегатних станах складаються з молекул

Складаються з молекул тільки в газуватому стані

Зазвичай газуваті й рідкі, іноді тверді речовини, які легко переходять у газуватий стан

Тверді речовини

Зв’язки між молекулами слабкі

Сили притягання між частинками великі

Багато які з речовин леткі

Нелеткі

Мають порівняно

Низькі температури плавлення й кипіння

Високі температури плавлення й кипіння

Приклади

Водень, кисень, вода, хлор, вуглекислий газ, йод

Алмаз, солі металів, метали

Лабораторний дослід 2. Складання моделей молекул і кристалів речовин з різними типами хімічного зв’язку

1. Із різнокольорового пластиліну зробіть кульки — моделі атомів Флуору, Оксигену, Нітрогену, Натрію, додержуючись співвідношення їхніх розмірів, наведених на рис. 15 (с. 75).

2. Складіть за рис. 19 (с. 98) кулестрижневі моделі речовин з ковалентним зв’язком: фтору F2 (одинарним), кисню О2 (подвійним), азоту N2 (потрійним), скориставшись сірниками різної довжини для з’єднання кульок.

3. Складіть кулестрижневі моделі молекул складних речовин з полярним ковалентним зв’язком: гідроген сульфіду H2S (див. рис. 21, с. 100), гідроген хлориду НСl. Яку форму мають ці молекули?

4. Складіть кулестрижневу модель речовини з йонним зв’язком NaCl.

За бажанням можна скласти кульові моделі, у яких кульки стикаються.

Лабораторний дослід 3. Ознайомлення з властивостями речовин з різними типами кристалічних ґраток

1. Покладіть в пробірку трохи цукрового піску, обережно нагрійте нижню частину пробірки в полум’ї спиртівки. Що спостерігаєте? Чи легко плавиться цукор? Який тип хімічного зв’язку в молекулі С12Н22О11? Запишіть спостереження в зошит.

2. Повторіть дослід з кухонною сіллю. Що спостерігаєте? Порівняйте поведінку цукру й солі під час нагрівання. Який тип хімічного зв’язку в сполуці NaCl? Запишіть спостереження в зошит.

3. Який тип кристалічних ґраток — молекулярні, атомні чи йонні — утворюють досліджені речовини: йод, сахароза (цукор) і кухонна сіль? Як впливає тип хімічного зв’язку на термічну стійкість цих речовин? Запишіть висновок щодо термічної стійкості речовин різної будови.

Для допитливих

Ви, мабуть, чули незвичне словосполучення «рідкі кристали»? Це речовини, що поводять себе одночасно і як рідини, і як тверді тіла. Молекули в рідких кристалах, з одного боку, достатньо рухливі, а з другого — розміщуються в певному порядку подібно до кристалічної структури. Різні шари молекул орієнтовані в різних напрямках. Часто внаслідок навіть невеликого нагрівання правильне розташування молекул порушується, і рідкий кристал стає звичайною рідиною. І навпаки, за достатньо низьких температур рідкі кристали замерзають, перетворюючись на тверді тіла.

Правильне розташування молекул у рідких кристалах зумовлює їхні особливі оптичні властивості. Через це рідкі кристали використовують для виготовлення циферблатів годинників, табло мікрокалькуляторів та екранів дисплеїв.

Запитання та завдання

°1. Що таке кристалічні ґратки? Що називають вузлами кристалічних ґраток?

°2. Чим пояснюють теплове розширення твердих тіл?

°3. Якими силами утримуються молекули у вузлах молекулярних кристалічних ґраток?

4. Що є носієм хімічних властивостей речовин із молекулярними кристалічними ґратками?

5. Якому закону підпорядковується склад речовин із молекулярними кристалічними ґратками?

6. Які сили утримують частинки у йонних кристалічних ґратках? Як називають ці частинки? Вони мають однойменні чи протилежні заряди?

*7. Сполуки з якими кристалічними ґратками, унаслідок їх розчинення у воді або розплавлення, проводять електричний струм?

*8. Якими хімічними зв’язками сполучені частинки в атомних кристалічних ґратках?

9. Які фізичні властивості притаманні речовинам з атомними кристалічними ґратками?

10. Чим відрізняються аморфні речовини від кристалічних?

*11. Як відрізняються температури плавлення речовин з різними кристалічними ґратками: а) атомними; б) молекулярними; в) йонними? Наведіть приклади.

12. Якими є кристалічні ґратки речовин, утворених атомами металічних елементів та атомами елементів-галогенів: а) атомними; б) молекулярними; в) йонними?

*13. На рис. 33 наведено схеми трьох типів кристалічних ґраток. Назвіть їх і наведіть по одному прикладу речовин кожного типу.

Рис. 33. Схеми кристалічних ґраток різних типів

°14. Яку будову мають пахучі речовини, що входять до складу парфумів, мила, шампунів тощо?