Хімія. 8 клас. Гранкіна

§ 12. Кристалічні ґратки

— Відгадай, про яку речовину йдеться. Ця речовина може бути:

1. Твердою, прозорою, безбарвною.

2. Рідкою, безбарвною, без запаху й смаку.

3. Газоподібною, безкольоровою, легшою за повітря.

Вгадав?

— Це вода!

Як і багато речовин, вода існує в різних агрегатних станах: твердому, рідкому й газоподібному, залежно від температури. У разі зниження температури швидкість руху молекул води в газоподібному стані сповільнюється, між ними виникають сили притягання, молекули зв'язуються між собою, і вода переходить у рідкий стан.

Рис. 24. Бігати у воді важче, ніж на повітрі: доводиться рвати зв'язки, що існують між молекулами

У рідкому середовищі через постійний рух молекули розташовані безладно або, говорячи науковою мовою, хаотично.

У разі подальшого зниження температури рух молекул іще більше сповільнюється, вони зупиняються в певних точках простору — вода твердіє, утворюючи лід (рис. 25).*

* Коли рух молекул у твердій речовині припиняється, то, залишаючись на одному місці, вони здійснюють коливальні рухи.

Рис. 25. Стани речовини: а — твердий, б — рідкий, в — газоподібний

Твердий стан речовини буває двох типів — аморфний і кристалічний.

АМОРФНА БУДОВА ТВЕРДИХ РЕЧОВИН

Якщо рідку речовину «заморожувати» швидко, то молекули зупиняються в тих положеннях, в яких вони були в рідкому середовищі, тобто розташування молекул залишиться неупорядкованим (рис. 26). Такий твердий стан речовин називають аморфним.

Рис. 26. Аморфна речовина

• В аморфних речовинах їхні складові частинки не утворюють правильної геометричної структури, розташовані невпорядковано.

Неупорядкована будова визначає властивості аморфних речовин: вони відносно м'які, плавляться в широкому інтервалі температур. За нагрівання такі речовини поступово розм'якшуються, потім починають розтікатися й, нарешті, стають рідкими. Ви це спостерігаєте під час горіння свічки. Парафін або стеарин — речовини, з яких роблять свічки, — аморфна речовина. Прикладами аморфних речовин можуть бути скло (рис. 27) та смоли.

Рис. 27. Скло

КРИСТАЛІЧНА БУДОВА ТВЕРДИХ РЕЧОВИН

Якщо рідку воду охолоджують повільно, молекули розташовуються одна відносно одної в найбільш зручних положеннях, упорядковано.

• Твердий стан речовин з упорядкованим розташуванням частинок називають кристалічним.

У твердої речовини кристалічної будови її складові частинки розташовані в чітко визначених точках простору (рис. 28). Якщо подумки з'єднати ці точки прямими лініями, то утвориться «каркас» — кристалічні ґратки.

Рис. 28. Кристалічна будова твердої речовини

Точки, в яких розташовані частинки, називають вузлами кристалічної ґратки. У цих уявних вузлах можуть розташовуватися атоми, молекули або йони речовини (рис. 29).

Рис. 29. Кристалічні ґратки деяких речовин

— Риски між кружечками — не хімічні зв'язки, а уявні лінії, які допомагають краще зрозуміти форму ґратки.

Речовини з кристалічною структурою мають цілком певну температуру плавлення й кипіння, що є важливою характеристикою речовини.

Багато речовин можуть бути переведені з аморфного стану в кристалічний, і навпаки. Так, аморфне скло після витримування за певної температури «розскловується», тобто в ньому з'являються дрібні кристалики, і скло каламутніє.

Переважна більшість твердих речовин має кристалічну будову.

Рис. 30. Кристали деяких твердих речовин

КРИСТАЛІЧНІ ҐРАТКИ

Відомі такі види кристалічних ґраток: атомні, йонні, молекулярні й металічні. Будову і властивості металічних ґраток ви будете вивчати пізніше.

Атомні кристалічні ґратки

• У вузлах атомних кристалічних ґраток розташовані атоми речовини, які з'єднані між собою ковалентними зв'язками.

Приклади: кварц (SiO₂), алмаз (С), корунд (Al₂O₃), графіт (С), бор (В), силіцій (Si), карборунд (SiC) та ін. (рис. 31, 32).

Рис. 31. Кристалічна ґратка алмаза, алмаз

Для переходу в рідкий стан речовин з атомними ґратками доводиться розривати міцні ковалентні зв'язки між атомами. Тому речовини з такою структурою або плавляться за дуже високих температур, як, наприклад, кварц (SiO₂) або корунд (Al₂O₃), або не плавляться взагалі — графіт, алмаз, бор, силіцій. Такі речовини під час сильного нагрівання просто руйнуються. Оскільки руйнування кристалічних ґраток супроводжується розривом хімічних зв'язків, плавлення таких речовин супроводжується їх розкладанням. Утворюються, наприклад, окремі молекули SiO₂ або атоми С.

Речовини, які мають атомні кристалічні ґратки, тверді, але крихкі й не розчиняються у воді. Майже всі вони не проводять електричний струм (винятком є, наприклад, графіт), хімічно інертні, не розчиняються в розчинниках.

Алмаз відрізняється високою твердістю. Твердість — це здатність матеріалів чинити опір проникненню в них інших твердих тіл. Не слід плутати твердість і крихкість. Алмаз можна дряпати або обробляти тільки іншим алмазом, інші речовини не залишать на ньому й сліду — він твердий, але його можна роздрібнити сильним ударом — він крихкий. Завдяки високій твердості алмази використовують як ріжучий і шліфувальний матеріал.

ДІЗНАЙТЕСЯ БІЛЬШЕ

Вартість алмазів залежить від чистоти та прозорості каменю й від його маси, яку вимірюють у каратах (1 карат = 0,2 г). Найбільшим алмазам дають імена.

Наприклад, найбільший алмаз одержав ім'я «Куллінан». Його було знайдено 1905 р. у Південній Африці. Первісна маса алмаза становила 3106 карат, тобто 621 г.

Рис. 32. Речовини з атомними кристалічними ґратками

Молекулярні кристалічні ґратки

• У вузлах молекулярних кристалічних ґраток розташовані молекули, які можуть бути полярними й неполярними. Зв'язки між молекулами слабкі.

Молекулярну структуру ґратки мають більшість органічних речовин, деякі тверді за звичайних умов неметали (сірка, йод, білий фосфор) і складні речовини (вода, кислоти), а також усі гази у твердому стані (рис. 34, 36).

ДІЗНАЙТЕСЯ БІЛЬШЕ

Деякі великі молекули, такі як ДНК, також здатні кристалізуватися. Ґратка кристалічної ДНК — молекулярна (рис. 33). Очищені віруси теж утворюють кристалічні структури.

Рис. 33. Кристали ДНК

Молекулярні ґратки легко зруйнувати. Тому речовини з такою будовою мають відносно низьку температуру кипіння, невелику твердість, часто леткі, тобто легко переходять у газоподібний стан. Багато з таких речовин є твердими й кристалічними лише за низьких температур.

Щоб перевести гази у твердий стан, часто потрібна дуже низька температура. Для азоту, наприклад, температура має становити -210 °С.

Якщо в молекулах зв'язки ковалентні неполярні, то утворені ними речовини майже не розчинні у воді, а їх розчини не проводять електричний струм. Приклад: кисень, азот.

Деякі речовини, які мають у молекулах ковалентні полярні зв'язки, добре розчиняються у воді, а їх розчини проводять струм. Приклад: гідроген хлорид, гідроген бромід та інші кислоти, амоніак і т. д.

ДІЗНАЙТЕСЯ БІЛЬШЕ

Кристали йоду (рис. 34) мають цікаву особливість: переходять у газоподібний стан, минаючи рідкий (явище сублімації). Тому, якщо залишити кристали йоду у відкритому посуді, за певний час вони зникнуть. Сублімація підсилюється за нагрівання. Випари йоду мають красиве фіолетове забарвлення (рис. 35).

Рис. 34. Кристали та кристалічна ґратка йоду

Рис. 35. Випари йоду

Вода у твердому стані (лід) теж утворює молекулярні кристалічні ґратки.

Рис. 36. Кристали та кристалічна ґратка льоду

Йонні кристалічні ґратки

• У вузлах йонних кристалічних ґраток розташовані йони, зв'язані один з одним йонним зв'язком.

Приклади: майже всі солі, луги, сполуки активних металів з неметалами (рис. 37, 38).

Рис. 37. Кристали та кристалічні ґратки купрум(ІІ) сульфату

Рис. 38. Кухонна сіль — натрій хлорид — теж йонний кристал. Кристали цієї солі мають кубічну будову

Речовини з йонними ґратками тугоплавкі, малолеткі, мають високу твердість, але крихкі, їх розплави й водні розчини проводять електричний струм. Ці речовини добре розчиняються в полярних рідинах (наприклад, у воді).

Лабораторний дослід 1.

Ознайомлення з фізичними властивостями речовин атомної, молекулярної та йонної будови

Розглянемо фізичні властивості речовин атомної, молекулярної та йонної будови. Як приклад речовини атомної будови візьмемо кварцовий пісок (його формула SiO₂), молекулярної — шматочки сірки (S), йонної — кристали натрій сульфату (Na₂SO₄).

Перед початком роботи повторимо правила безпеки.

Розглянемо ці речовини, спробуємо розчинити їх у воді, нагріти, розтерти в ступці (так ми визначимо крихкість). Такі дані, як температури плавлення, відносну твердість, електропровідність, потрібно подивитися в довідниках або в мережі Internet.

Щоб порівняти й узагальнити фізичні властивості цих речовин, заповнимо таблицю:

Речовина / Фізичні властивості	Пісок	Цукор	Сіль
Запах
Колір
Розчинність у воді
Відношення до нагрівання
Температура плавлення
Твердість
Крихкість
Електропровідність

ДІЗНАЙТЕСЯ БІЛЬШЕ

Ви вважаєте, що найтвердіша речовина алмаз? Ні. Зараз найбільш твердими речовинами вважають не алмази, але також речовини, що складаються з атомів Карбону. Для визначення твердості існує шкала Віккерса.

Твердість за Віккерсом монокристалічного алмазу становить близько 100 гігапаскалів (ГПа). А от речовина лонсдейліт має твердість до 152 ГПа. Лонсдейліт має будову, схожу на алмаз (рис. 39). Цей твердий природний матеріал було виявлено в метеоритному кратері, що утворився з графіту — одного з компонентів метеорита, однак рекордною міцністю він не володів.

Рис. 39. Атомні кристалічні ґратки лонсдейліту

Поки номер 1 — фулерит. Його твердість — до 310 ГПа. Полімеризований фулерит є найтвердішим матеріалом, відомим науці. Це структурований молекулярний кристал, вузли якого складаються з цілих молекул, а не з окремих атомів.

Зверніть увагу на ланцюг причинно-наслідкового взаємозв'язку:

Отже, із цього параграфа ми дізналися:

ДІЗНАЙТЕСЯ БІЛЬШЕ

Рідкі кристали

Сьогодні про рідкокристалічні дисплеї, або LCD-дисплеї (від англ. LCD — Liquid Crystal Display) знають усі. Екран телевізора або телефону, електронний годинник, екрани різних вимірювальних приладів і т. д. — усі вони ґрунтуються на виняткових властивостях рідких кристалів. Багато життєво важливих процесів у нашому організмі теж пов'язані з рідкими кристалами. Що ж це таке?

Рідкі кристали (РК) — унікальні речовини, які мають властивості кристалів — упорядковану структуру — і властивості рідини — текучість. РК утворюють найчастіше великі органічні молекули, які мають форму дисків або довгих паличок. Кристалічна ґратка — молекулярна. Ці молекули розташовані в чітко визначених точках простору (як у кристалі), але можуть узгоджено змінювати положення — розгортатися або вигинатися. Для здійснення таких рухів потрібно дуже мало енергії. Це може бути дуже слабкий електричний струм або навіть механічний вплив. Під час переміщення молекул можуть змінюватися колір або прозорість речовини.

Це все ми спостерігаємо, дивлячись на екран телефону. Потрібно зовсім небагато електричної енергії від акумулятора, щоби на ньому з'явилися літери або зображення.

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

• 1. Які можливі будови твердих тіл? Чим ці будови розрізняються?
• 2. Назвіть типи кристалічних ґраток.
• 3. Дайте характеристику речовинам з молекулярною, атомною, йонною ґраткою.

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

1. Уважно прочитайте текст, підкресліть помилки. Перепишіть його без помилок.

Дмитрик Менделєєв написав самостійну роботу з хімії:

«Валентність — це кількість неспарених електронів у атомі. Кисень і сірка, наприклад, завжди двовалентні. Сума ступенів окиснення в атомі дорівнює нулю. У натрій сульфаті, наприклад, сірка має ступінь окиснення +4, натрій — +1, а кисень — -2. Менш електронегативні елементи в сполуці притягують до себе електрони й заряджаються негативно, а елементи з більшою електронегативністю легко віддають електрони й заряджаються позитивно. Якщо електронегативності елементів у сполуці однакові, то зв'язок між ними ковалентний полярний, різні — ковалентний неполярний. Йонний зв'язок існує в металах. Саме він визначає електропровідність і теплопровідність металів. Молекули з йонною кристалічною ґраткою добре розчиняються у воді, але їх розчини не проводять електричний струм. Речовини з молекулярною ґраткою мають у вузлах атоми, зв'язок між якими ковалентний неполярний, дуже міцний. Їх розплави добре проводять електричний струм. Речовини з атомною ґраткою тверді та пластичні, їх можна кувати, вони добре розчиняються у воді».

2. Установіть відповідності.

Тип кристалічної ґратки

• 1. Молекулярні
• 2. Йонні
• 3. Атомні

Властивості речовини

• а) Тверді, крихкі, нелеткі, мають високі температури плавлення, розчинні у воді, їх розчини й розплави проводять електричний струм
• б) Тверді, нерозчинні у воді, діелектрики або напівпровідники, нелеткі
• в) М'які, нелеткі, невисокі температури кипіння й плавлення, електричний струм не проводять

3. «Сухим льодом» називають кристалічний вуглекислий газ. Поясніть, користуючись додатковою літературою та мережею Internet, таку незвичайну назву. Який тип кристалічних ґраток характерний для нього?

4. Ці красиві прозорі кристали в давнину називали «вічним льодом». Стародавні греки вважали цей камінь льодом, замерзлим настільки, що його неможливо розтопити. Вони назвали мінерал «крісталлосом», що в перекладі означає лід. Ці кристали зараз називають гірським кришталем. Користуючись додатковою літературою і мережею Internet, знайдіть інформацію про фізичні властивості цих кристалів. Чи однаковий тип хімічного зв'язку і кристалічних ґраток мають лід і гірський кришталь? Яка формула цих кристалів?

5. Чому гідриди — сполуки металічних елементів з Гідрогеном — є кристалічними сполуками? Який тип кристалічних ґраток характерний для них?

6. Складіть формули бінарних сполук: а) Магнію та Флуору; б) Гідрогену й Брому; в) Карбону й Оксигену; г) Натрію й Оксигену. Укажіть вид хімічного зв'язку в кожній із них.

7. Визначте вид хімічного зв'язку й складіть формули сполук: а) Силіцію з Хлором; б) Нітрогену з Гідрогеном; в) Карбону з Флуором; г) простої речовини — йоду. Дайте їм назви.

8. Зобразіть електронні схеми будови: а) молекул брому (Br₂) й гідроген сульфіду (H₂S); б) сполук Фосфору з Гідрогеном (PH₃) і Оксигену з Флуором (OF₂). Укажіть тип хімічного зв'язку.

9. Складіть формули летких сполук з Гідрогеном елементів 3-го періоду, розташуйте їх в один горизонтальний ряд і поясніть, як змінюється характер зв'язку в цьому ряді зліва направо. Чому відбуваються ці зміни?

10. Визначте тип кристалічної ґратки в речовинах: силіцій, сульфур(IV) оксид, магній флуорид (MgF₂). Опишіть їхні фізичні властивості.

11. Формула кварцу — SiO₂, а вуглекислого газу — CO₂. У якому випадку формула виражає справжній склад молекули, а в якому — тільки відношення числа атомів одного та другого елементів? Чому, на відміну від вуглекислого газу, кварц є важкоплавкою речовиною?

ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ

1. Для хімічного експерименту нам потрібний розчин, який проводить електричний струм. Речовину з якою ґраткою потрібно взяти для цього? Порадьте конкретні речовини.

2. Речовини з якою кристалічною ґраткою використовують парфумери?

3. Чи буде розчин цукру проводити електричний струм?

4. Чому цукор можна розплавити в ложці, а сіль — ні?

5. Чому сіллю можна чистити, наприклад, посуд? (Пробувати не треба, можна подряпати покриття.)

6. Чому з алюмінію можна зробити дріт, а з кристала солі — ні?

7. Раніше, у XIX столітті, листи запечатували, крапаючи на них розплавленою речовиною, яку називали сургучем. Він скріплював аркуші листа, а потім, поки сургуч був теплим, на ньому ставили відбиток печатки (звідси й вираз — запечатати листа). Під час охолодження сургуч поступово тверднув. А ще раніше для цього використовували віск. Що ви можете сказати про будову цих речовин? Які речовини ви ще могли б порадити для цього?

ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ

Дослідження фізичних властивостей речовин з різними типами кристалічних ґраток

(Просимо допомоги батьків!)

Перед виконанням експерименту треба підготувати собі на кухні робоче місце, надіти спеціальний одяг, заслати стіл клейонкою, користуватися спеціальним посудом і обладнанням. Після закінчення роботи все прибрати та помити руки.

Ваші дії	Лимонна кислота C6H8O7	Кухонна сіль NaCl	Цукор C12H22O11	Кристали льоду H2O (крист.)	Ванілін C8H8O3	Пісок SiO2
1. Візьміть одноразовими чайними ложками невеличку кількість кристалів речовин і добре їх роздивіться, понюхайте, опишіть зовнішній вигляд (колір, запах)
2. В одноразові скляночки наберіть води й висипте в них досліджувані речовини. Розмішайте отримані суміші ложкою. Як ці речовини розчиняються у воді?
3. Подивіться температуру плавлення цих речовин (в Інтернеті або хімічному довіднику)
4. Визначте типи кристалічних ґраток

ДОДАТКОВІ ЗАВДАННЯ

1. Наведіть приклади речовин з різним типом кристалічних ґраток. Поясніть, які фізичні властивості мають ці сполуки.

2. Кристалічний йод є леткою сполукою. Який тип кристалічної ґраток характерний для нього?

3. Білий фосфор має температуру плавлення +44 °С, червоний фосфор — +250 °С, а чорний — +400 °С. Чи однаковий тип кристалічних ґраток мають різновиди фосфору? Поясніть свою точку зору.

4. Кристали карборунду SiC займають друге місце за твердістю після алмазу й мають температуру плавлення +2830 °С. Який тип кристалічних ґраток характерний для них?

5. Кристали корунду Al₂O₃ плавляться за температури +2050 °С. Чи можна стверджувати, що вони мають таку саму кристалічну ґратку, що й кристали карборунду? Поясніть свою точку зору.

6. Солі натрій хлорид і натрій йодид мають однакову кристалічну ґратку. Ці сполуки будуть легкоплавкими чи тугоплавкими? Поясніть свою точку зору.

7. Солодка кристалічна сполука глюкоза C₆H₁₂O₆ (її ще називають виноградним цукром) плавиться за температури +146...+150 °С. Чи можете ви її розплавити в домашніх умовах? Який тип кристалічних ґраток характерний для цієї сполуки?

8. Деяка сполука за звичайних умов є газом X₂. Перехід у твердий стан відбувається за температури t = -210 °С. Який тип кристалічних ґраток має ця сполука у твердому стані? Який тип хімічного зв'язку в молекулах цієї сполуки?

9. Який тип кристалічних ґраток характерний для летких сполук з Гідрогеном неметалічних елементів?

10. Чому оксиди металічних елементів завжди є кристалічними сполуками на відміну від оксидів неметалічних елементів? Який тип кристалічних ґраток характерний для них?

11. Чому не можна говорити «молекула солі», «молекула лугу»?

12. Як експериментально довести, що крім речовин молекулярної будови є речовини немолекулярної будови?

13. Як найпростіше експериментально розпізнати однакові за розміром і формою алмаз і лід? Яка з цих речовин має молекулярну будову?

14. Для виробництва всіх видів скла застосовують кварцовий пісок, який розплавляють з іншими компонентами в електричних печах. Чи є це виробництво енерговитратним? Чи можете ви в домашніх умовах розплавити пісок?