Хімія. Рівень стандарту. Повторне видання. 11 клас. Григорович

§ 10. Залежність фізичних властивостей речовин від їхньої будови

Пригадайте: типи хімічних зв'язків (за § 5-8).

Речовини металічної будови

Металічні речовини:

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

У металах існує металічний зв’язок, який зумовлює загальні фізичні властивості металів та сплавів. Розміри всіх йонів однакові, тому катіони в металах упаковані максимально 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 містяться катіони, які утримуються разом через притягання до «електронного газу». Цим зумовлена пластичність (ковкість) металів (мал. 10.1).

Мал. 10.1. Шари в металічному кристалі легко зсуваються один відносно одного, що зумовлює пластичність металів

Особливості взаємодії світла з вільними електронами на поверхні металічного кристала надають металічний блиск металам (мал. 10.2).

Мал. 10.2. Для металів характерний металічний блиск

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

Речовини йонної будови

Йонні речовини:

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

Йонні речовини мають кристалічні ґратки, у вузлах яких розташовані різнойменно заряджені йони (мал. 5.2 та 5.3, с. 27, 28). 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, необхідно багато 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. Наслідком цього є тріщини в кристалі й навіть його руйнування (мал. 10.3, с. 48).

Мал. 10.3. 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 не проводять електричний струм. 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 вони не мають запаху.

Речовини молекулярної будови

Молекулярні речовини:

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

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. 10.4).

Мал. 10.4. Кристали брому (а); у вузлах молекулярних кристалічних ґраток розташовані окремі молекули Вr₂ (б)

Молекулярні кристалічні ґратки характерні для речовин тільки з ковалентними зв’язками (полярними й неполярними). Вони властиві більшості органічних сполук, а також деяким неорганічним речовинам (кисню, хлору, азоту 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. 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, 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 їх 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.

Речовини атомної будови:

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

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. 10.5, а).

Мал. 10.5. 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 слабко сполучені один з одним (мал. 10.5, б). 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 і 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 10.6 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.

Контрольні запитання

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

129. Які типи хімічних зв'язків характерні для речовин із кристалічними ґратками: а) атомними; б) йонними; в) молекулярними?

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

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

Завдання для засвоєння матеріалу

132. Поясніть, чому кварц SiO₂ і вуглекислий газ СО₂ мають зовсім різні фізичні властивості, незважаючи на подібний склад.

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

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

135. За наведеним описом визначте кристалічні ґратки речовини: а) сірка є крихкою кристалічною речовиною жовтого кольору, яка не розчиняється у воді, t_пл_. = 112,8 °С; б) карборунд (силіцій карбід SiC), t_пл_. = 2830 °С, за твердістю близький до алмазу; в) за звичайних умов кисень — газ без кольору, смаку та запаху, малорозчинний у воді, t_кип_. = -183 °С, t_п_л. = -218,7 °С; г) бром — червоно-бура рідина з різким запахом, легко випаровується, t_кип_. = 185,5 °С; д) сульфур(VI) оксид за звичайних умов — летка безбарвна рідина із задушливим запахом, t_п_л. = 16,83 °С, t_кип_. = 44,9 °С; е) кристалічний силіцій є дуже твердою речовиною з металічним блиском, незначною електропровідністю, t_пл_. = 1420 °С.

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

137. Обґрунтуйте, які особливості будови зумовлюють таке застосування наведених речовин: мідь — виготовлення електричних дротів, золото — фольга для золочення, алмаз — розрізання скла.

138. Чи можна замінити: а) алюміній на силіцій для виготовлення дротів; б) графіт на алюміній з метою виготовлення електродів для виробництва алюмінію; в) силіцій(IV) оксид на карбон(IV) оксид для виготовлення скла; г) алмаз на графіт для виготовлення бурів для свердління? Відповідь обґрунтуйте.

139. Схарактеризуйте періодичність зміни кристалічних ґраток твердих простих речовин, утворених s- та р-елементами.

Завдання з розвитку критичного мислення

140. Більшість металів під час нагрівання розм'якшуються, саме тому їх можна кувати. Чи є цей факт ознакою того, що метали — аморфні речовини?

141. За текстом параграфа проілюструйте взаємозв'язок між складом та фізичними властивостями речовин. Поясніть логічний ланцюг: хімічний склад хімічний зв'язок кристалічні ґратки фізичні властивості.

142. Як ви вважаєте, чим можна обґрунтувати періодичність зміни кристалічних ґраток простих речовин, утворених s- та р-елементами?

143. Багато молекулярних та йонних речовин розчиняються у воді або інших органічних розчинниках. На відміну від них, металічні речовини можуть розчинятися тільки в інших рідких металах або їхніх сплавах. Чим, на вашу думку, це можна пояснити?

Перевірте свої знання за темою «Хімічний зв’язок і будова речовин», виконавши тестові завдання на сайті.