Учебник по Химии. 8 класс. Григорович - Новая программа

§ 23. Строение твердых веществ и их свойства

Вспомните:

• в твердых веществах и жидкостях частицы (атомы и молекулы) расположены плотно друг к другу, в газах молекулы находятся на расстояниях, намного больших, чем размеры молекул;

• плавление и кипение — это физические процессы, они происходят без изменения химического состава веществ.

Кристаллические и аморфные вещества

Большинство окружающих нас веществ при обычных условиях находятся в твердом агрегатном состоянии. Твердые вещества разнообразны по физическим свойствам: они разного цвета, могут быть прочными или хрупкими, могут проводить электрический ток, плавиться при комнатной температуре или при очень высокой. Большинство физических свойств веществ обусловлены их внутренним строением.

По внутреннему строению и физическим свойствам различают два состояния твердых веществ — кристаллическое и аморфное.

В кристаллических веществах частицы, из которых построены кристаллы, расположены в пространстве в определенном четком порядке. Если через центры этих частиц провести условные линии, то мы увидим некие четкие структуры, которые называют кристаллическими решетками. Структурные единицы в кристаллических веществах образуют правильные геометрические фигуры (рис. 23.1а).

Рис. 23.1. а — кварц SiO₂ имеет кристаллическую структуру; б — стекло с тем же химическим составом находится в аморфном состоянии

Аморфные вещества не имеют четкой пространственной структуры, а образованы из неупорядоченных частиц (атомов или молекул). По внутреннему строению они напоминают жидкости, только не могут течь (рис. 23.1б). В отличие от кристаллических веществ, у которых есть определенная температура плавления, аморфные вещества плавятся в широком интервале температур. При нагревании они постепенно размягчаются и в конце концов становятся жидкими. Аморфным веществам, как и жидкостям, можно придать любую форму.

Кристаллические вещества:

• структурные единицы расположены в четком порядке

• имеют определенную температуру плавления

• образуют кристаллы четкой формы

Аморфные вещества:

• структурные единицы расположены хаотически

• плавятся в интервале температур

• при нагревании размягчаются

Примерами аморфных веществ являются стекло, смолы, янтарь, краски и клеи. Некоторые вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состояниях, например сера, силиций(ІV) оксид и др. Обычная природная сера образует желтые кристаллы, а при нагревании — аморфную смолообразную пластическую серу (рис. 23.2).

Рис. 23.2. а — кристаллическая сера; б — аморфная пластическая сера

Твердые вещества имеют преимущественно кристаллическое строение. У каждого кристаллического вещества определенная, характерная для него форма кристаллов. Например, кристаллы поваренной соли NaCl имеют форму куба, калийной селитры ΚΝO₃ — форму призмы, алюминиевых квасцов KAl(SO₄)₂ — форму октаэдров и т. д. (рис. 23.3). Если кристаллическое вещество измельчить, то кристаллы распадаются на отдельные кусочки, каждый из которых сохраняет хотя бы частично форму исходного кристалла. Это свидетельствует о том, что кристаллическое состояние характеризуется упорядоченной структурой.

Рис. 23.3. Кристаллические вещества могут быть разной формы. Чаще всего они имеют вид правильных геометрических фигур

В зависимости от частиц, образующих кристалл, и от типа химической связи между ними различают такие типы кристаллических решеток: ионные, молекулярные, атомные (иногда их называют надмолекулярными), металлические.

Ионные вещества

В узлах ионных кристаллических решеток расположены ионы. Разноименные ионы, из которых состоят ионные кристаллы, удерживаются вместе силами электростатического притяжения. Вокруг каждого иона в ионной кристаллической решетке расположено определенное количество других ионов (противоположных по знаку) (рис. 23.4). Ионные кристаллические решетки характерны для веществ с ионной связью.

Рис. 23.4. Модель строения вещества с ионной кристаллической решеткой

Ионные вещества:

• в узлах решеток — ионы (катионы и анионы)

• тип связи — ионная

• твердые, хрупкие, нелетучие

• тугоплавкие

• некоторые растворяются в воде

В ионных кристаллах все ионы сильно притягиваются друг к другу. Для того чтобы сдвинуть ионы с места, необходимо большое количество энергии. Поэтому ионные соединения при комнатной температуре твердые, а плавятся и кипят только при сильном нагревании (см. Приложение 1).

Вещества с ионными кристаллическими решетками нелетучие, поэтому у них нет запаха. Ионные кристаллы хрупкие: даже небольшой сдвиг слоев в кристалле приближает друг к другу одноименно заряженные ионы, отталкивание между которыми приводит к ослаблению притяжения и, как следствие, к появлению трещин в кристалле или даже к его разрушению (рис. 23.5).

Рис. 23.5. При смещении слоев в ионных кристаллах одноименно заряженные ионы, вместо того чтобы притягиваться, отталкиваются друг от друга, и кристалл разрушается

В твердом состоянии ионные соединения не проводят электрический ток, поскольку все ионы прочно закреплены на определенном месте. Но если нагреть и расплавить такие вещества или растворить в воде, то все ионы становятся подвижными, поэтому расплавы и растворы ионных соединений хорошо проводят электрический ток.

Молекулярные вещества

В узлах молекулярных кристаллических решеток расположены молекулы, которые связаны между собой слабыми межмолекулярными силами. Например, лед состоит из молекул воды (рис. 23.6а, с. 116), а кристаллы йода состоят из двухатомных молекул йода I₂ (рис. 23.6б, в, с. 116).

Рис. 23.6. В узлах молекулярных кристаллических решеток расположены отдельные молекулы: а — кристаллическая решетка воды (льда); б — кристаллы йода; в — кристаллическая решетка йода

Молекулярные кристаллические решетки характерны для веществ только с ковалентными связями.

Молекулярные вещества:

• в узлах решеток — молекулы

• слабое межмолекулярное взаимодействие

• хрупкие, летучие

• легкоплавкие

• растворяются в воде или в других растворителях

Отдельные молекулы, расположенные в узлах кристаллических решеток, удерживаются слабыми межмолекулярными силами, которые значительно слабее, чем ковалентная связь в молекуле. Их легко разрушить, поэтому вещества с молекулярными решетками хрупкие и имеют невысокие температуры плавления и кипения. Многие вещества с молекулярными кристаллическими решетками при обычных условиях находятся в жидком или газообразном состоянии (хлор, хлороводород, кислород — газы; вода, сульфатная кислота, органические растворители — жидкости).

Некоторые молекулярные вещества при нагревании переходят из твердого в газообразное состояние, минуя жидкое (сублимируют), например йод, углекислый газ, нафталин.

Вещества с молекулярными решетками являются летучими, благодаря чему некоторые из них имеют характерный запах. Можно даже утверждать, что если у вещества есть запах, то оно имеет молекулярное строение.

Молекулярные вещества способны растворяться. Некоторые из них растворяются в воде, другие — в органических растворителях. Молекулы не содержат свободных носителей электрического заряда, поэтому ни в жидком, ни в твердом состоянии молекулярные вещества электрический ток обычно не проводят.

Вещества атомного строения

У атомных кристаллов решетки образованы из атомов, соединенных друг с другом прочными ковалентными связями. В таких структурах невозможно выделить структурную единицу, которую можно называть молекулой, каждый кристалл является одной большой «молекулой».

Чтобы разрушить ковалентные связи в атомных кристаллических решетках, необходимо большое количество энергии. Поэтому у веществ с атомной кристаллической решеткой очень высокие температуры плавления и кипения. Они нерастворимы в воде и в других растворителях.

Вещества атомного строения:

• в узлах решеток — отдельные атомы

• тип связи — ковалентный

• чрезвычайно твердые, нелетучие

• тугоплавкие

• не растворяются ни в одном растворителе

Сдвиг атома со своего места в кристалле приводит к разрушению ковалентной связи, а для этого необходимо много энергии. Поэтому вещества с атомной решеткой очень твердые, не пластичные и не хрупкие.

Классическим примером вещества с атомной кристаллической решеткой является алмаз — самое твердое вещество среди всех известных (рис. 23.7а). Схожие решетки образуют атомы Силиция и Оксигена в кварце (рис. 23.7б).

Рис. 23.7. Алмаз (а) и кварц (б) образуют трехмерные атомные кристаллические решетки

У графита также атомная кристаллическая решетка, но, в отличие от алмаза и кварца, атомы Карбона в кристаллической решетке графита расположены слоями, которые слабо соединены друг с другом (рис. 23.8). Благодаря этому слои легко сдвинуть друг относительно друга, если приложить даже небольшое усилие. Этим объясняются «пишущие» свойства графита.

Рис. 23.8. Кристаллическая решетка графита — это отдельные слои из атомов Карбона

Форма кристаллов некоторых веществ настолько характерна, что по ней можно обнаруживать их в смеси. Так, например, в криминалистической химии по форме кристаллов идентифицируют некоторые яды и алкалоиды (наркотические вещества). Греческое слово кристаллос, от которого происходят слова «кристалл» и «хрусталь», означает «лед». Оно происходит от греческого криос — «холод» или «мороз». Древние греки считали, что обычный лед, который находится в горах на сильном морозе, со временем каменеет и утрачивает способность таять. Античный философ Аристотель писал, что «кристалл рождается из воды, когда она полностью теряет теплоту». Таким образом, по мнению греков, горный хрусталь — это сильно замерзший лед.

Лингвистическая задача

На греческом дамасма означает «покорение, укрощение», дамао — «сокрушаю», соответственно адамас — «несокрушимый». А в переводе с французского brilliantозначает «блестящий». Благодаря каким свойствам известный минерал алмаз на многих языках называют адамантом, а обработанный алмаз называют диамантом или бриллиантом.

На греческом аморфос означает«безобразный, бесформенный, некрасивый, позорный, мерзкий». Почему, по вашему мнению, аморфные вещества получили именно такое название?