Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 11. Залежність фізичних властивостей речовин від їхньої будови

Речовини металічної будови

У металах існує металічний зв’язок, який зумовлює всі загальні фізичні властивості металів та сплавів. Розміри всіх йонів однакові, тому катіони в металах упаковані досить щільно й утворюють найщільніші кристалічні ґратки. Металічні структури утворюють як метали, так і деякі сполуки з металічним зв’язком, наприклад нітриди Титану та Хрому.

Завдяки вільному пересуванню електронів для металів характерні електропровідність та теплопровідність.

Окремі шари йонів можна без наслідків пересувати один відносно одного, тому що в усіх вузлах кристалічних ґраток розташовані катіони, які утримуються разом завдяки притяганню до «електронного газу». Цим зумовлена пластичність (ковкість) металів (мал. 11.1).

Металічні речовини:

• у вузлах ґраток — катіони;
• тип зв'язку — металічний;
• пластичні (ковкі);
• добре проводять електричний струм та теплоту.

Мал. 11.1. Шари в металічному кристалі легко зсуваються один відносно одного, що зумовлює пластичність металів

Особливостями взаємодії світла з вільними електронами на поверхні металічного кристала зумовлений металічний блиск металів.

Зазвичай чим більше валентних електронів в атомах металічних елементів, тим міцніші кристалічні ґратки, тим міцніший і твердіший метал, тим вища його температура плавлення (кипіння).

Речовини йонної будови

Йонні речовини мають кристалічні ґратки, у вузлах яких розташовані різнойменно заряджені йони. Структура кристала така, що кожний йон оточений певною кількістю протилежних за знаком йонів. У такий спосіб вони утримуються разом силами електростатичного притягання. Йонні кристалічні ґратки характерні для речовин із йонним зв’язком — солей, лугів, основних та амфотерних оксидів (NaCl, NaNO₃, K₂SO₄, KOH, NaOH, CaO).

Йонні сполуки за кімнатної температури тверді, а плавляться і киплять лише за високої температури. Це пояснюється тим, що йони в кристалі сильно притягуються один до одного, і, щоб зрушити їх, необхідна велика кількість енергії. Утім, незважаючи на твердість, йонні речовини крихкі. Це зумовлене будовою кристала: навіть незначний зсув наближає один до одного однойменно заряджені йони, і вони починають відштовхуватися (мал. 11.2). Наслідком цього є тріщини в кристалі й навіть його руйнування.

Йонні речовини:

• у вузлах ґраток — йони (катіони й аніони);
• тип зв'язку — йонний;
• тверді, крихкі, нелеткі;
• тугоплавкі;
• деякі розчиняються у воді.

Мал. 11.2. У йонних речовинах зміщення шарів призводить до відштовхування однойменно заряджених йонів та руйнування кристала

Через те що йони в кристалічних ґратках закріплені на певному місці й утримуються разом силами електростатичного притягання, йонні речовини є діелектриками. Але якщо розплавити такі речовини або розчинити у воді, то йони стають рухливими, і тому розплави та розчини йонних сполук добре проводять електричний струм.

Будовою кристалічних ґраток пояснюється також те, що йонні сполуки нелеткі, тому не мають запаху.

Речовини молекулярної будови

У вузлах молекулярних кристалічних ґраток розташовані молекули, що сполучені між собою слабкою міжмолекулярною взаємодією. Наприклад, лід складається з молекул води, а кристали брому — з двохатомних молекул брому Вr₂ (мал. 11.3).

Молекулярні речовини:

• у вузлах ґраток — молекули;
• слабка міжмолекулярна взаємодія;
• крихкі, леткі;
• легкоплавкі;
• розчиняються у воді та в інших розчинниках.

Мал. 11.3. а — кристали брому; б — у вузлах молекулярних кристалічних ґраток розташовані окремі молекули Вr₂

Молекулярні кристалічні ґратки характерні для речовин лише з ковалентними зв’язками (полярними й неполярними). Вони характерні для більшості органічних сполук, а також для деяких неорганічних речовин (кисень, хлор, азот тощо).

Особливістю молекулярних речовин є те, що всередині молекул атоми сполучені дуже міцними ковалентними зв’язками, а самі молекули утримуються між собою слабкими міжмолекулярними взаємодіями (див. § 80, с. 210). Таку структуру легко зруйнувати, тому речовини з молекулярними ґратками крихкі, мають невисокі температури плавлення й кипіння.

Особливістю будови пояснюється також леткість молекулярних сполук, деякі з них мають характерний запах. Можна навіть стверджувати, що якщо речовина має запах, то це речовина молекулярної будови.

За звичайних умов багато речовин із молекулярними кристалічними ґратками перебувають у рідкому (вода, бром, сульфатна кислота, органічні розчинники тощо) або газуватому станах (озон, хлороводень, водень тощо). Деякі молекулярні речовини за нагрівання сублімують — переходять із твердого в газуватий стан, минаючи рідкий, наприклад йод, вуглекислий газ, нафталін.

Речовини молекулярної будови здатні розчинятися. Деякі з них розчиняються у воді, інші — в органічних розчинниках.

Молекули не містять вільних носіїв електричного заряду, тому ані в рідкому, ані у твердому стані молекулярні речовини електричний струм зазвичай не проводять. Але деякі молекулярні речовини, зокрема органічні та неорганічні кислоти, у розчинах дисоціюють, тому їхні розчини проводять електричний струм.

Речовини атомної будови

У вузлах атомних кристалічних ґраток розташовані атоми, що сполучені один з одним міцними ковалентними зв’язками. Щоб зруйнувати ці ковалентні зв’язки, необхідна значна енергія. Цим пояснюється міцність атомного кристала та високі температури плавлення й кипіння речовин атомної будови. Такі речовини досить тверді, непластичні й некрихкі.

Будовою кристалічних ґраток зумовлена також нерозчинність цих речовин у воді та в інших розчинниках.

Класичним прикладом речовини атомної будови є алмаз — найтвердіша речовина з усіх відомих (мал. 11.4a).

Речовини атомної будови:

• у вузлах ґраток — окремі атоми;
• тип зв'язку — ковалентний;
• надзвичайно тверді, нелеткі;
• тугоплавкі;
• не розчиняються в жодному розчиннику.

Мал. 11.4. Атомні кристалічні ґратки: а — алмазу; б — графіту

Графіт також має атомні кристалічні ґратки, але, на відміну від алмазу, у графіті атоми Карбону розташовані шарами, що слабо сполучені один з одним (мал. 11.4б). Завдяки цьому шари легко зсунути один відносно одного. Цим пояснюються «писальні» властивості графіту.

Речовинами атомної будови є також германій, бор, кварц SiO₂, карборунд SiC.

Будова простих речовин і місце елементів у Періодичній системі

Тип хімічного зв’язку в речовинах зумовлює будову й фізичні властивості твердих речовин. Оскільки тип хімічного зв’язку залежить від електронної конфігурації атомів, то закономірності в будові атомів елементів позначаються на будові й фізичних властивостях простих речовин, утворених ними.

З малюнка 11.5 видно, що на початку періодів розташовані металічні елементи, які утворюють прості речовини з металічними кристалічними ґратками. Завершують кожний період неметалічні елементи, які утворюють прості речовини з молекулярними кристалічними ґратками. Елементи, що розташовані в середині періоду (як металічні, так і неметалічні), утворюють прості речовини з атомними кристалічними ґратками.

Ключова ідея

Внутрішній уміст зумовлює зовнішню поведінку.

Запитання та завдання

57. Схарактеризуйте властивості речовин із кристалічними ґратками: а) металічними; б) йонними; в) молекулярними; г) атомними.

58. Якими хімічними зв'язками утримуються: а) атоми в молекулі; б) молекули в молекулярному кристалі; в) йони в йонному кристалі; г) атоми в атомному кристалі?

59. Схарактеризуйте місце в Періодичній системі s- та p-елементів, прості речовини яких мають кристалічні ґратки: а) металічні; б) атомні; в) молекулярні.

60. З наведеного переліку випишіть окремо формули речовин з різними кристалічними ґратками у твердому стані: MgBr₂, Zn, F₂, ZnO, Cl₂, Si, Са, KNO₃, HBr, Cr₂(SO₄)₃, SiO₂, Li₂O.

61. Порівняйте електронні конфігурації атомів Карбону та Плюмбуму. Чому видалити електрон із зовнішнього рівня атома Карбону важче, ніж в Плюмбуму? Чому алмаз є неметалом, а свинець — металом?

62. Певна безбарвна речовина добре розчиняється у воді й має високу температуру плавлення. Висловте припущення щодо її кристалічних ґраток. Чи може ця речовина мати запах?