Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 21. Будова твердих речовин та їхні властивості

Пригадайте:

у твердих речовинах та рідинах частинки (атоми й молекули) розміщені щільно, у газах молекули розміщені на відстанях, значно більших за розміри молекул;
температура плавлення — це температура, за якої тверда речовина переходить у рідкий агрегатний стан (плавиться), температура кипіння — це температура, за якої рідка речовина кипить;
плавлення та кипіння — це фізичні процеси, вони відбуваються без зміни хімічного складу речовин.

Кристалічні й аморфні речовини

Більшість речовин, що нас оточують, за звичайних умов перебувають у твердому агрегатному стані. Тверді речовини різноманітні за фізичними властивостями: мають різний колір, можуть бути міцними чи крихкими, можуть проводити електричний струм, плавитися за кімнатної температури або дуже високої.

За внутрішньою будовою й фізичними властивостями розрізняють два стани твердих речовин: аморфний і кристалічний.

Кристалічні речовини:

структурні одиниці розташовані в чіткому порядку;
мають певну температуру плавлення;
утворюють кристали певної форми

Аморфні речовини:

структурні одиниці розташовані невпорядковано;
плавляться в інтервалі температур;
під час нагрівання розм’якшуються

У кристалічних речовинах частинки, з яких побудовані кристали, розміщені в просторі в певному чіткому порядку. Якщо через центри цих частинок провести уявні лінії, то ми побачимо певні ґратки, які називають кристалічними ґратками. Структурні одиниці в кристалічних речовинах утворюють правильні геометричні фігури (мал. 21.1a).

Аморфні речовини не мають чіткої просторової структури, а утворені з невпорядкованих частинок (атомів чи молекул). За внутрішньою будовою вони нагадують рідини, але не можуть текти (мал. 21.1б). На відміну від кристалічних речовин, що мають певну температуру плавлення, аморфні речовини плавляться в широкому інтервалі температур. Під час нагрівання вони поступово розм’якшуються і, нарешті, стають рідкими. Аморфним речовинам, як і рідинам, можна надати будь-якої форми.

Мал. 21.1. а — кварц SiO₂ має кристалічну структуру; б — скло з тим самим хімічним складом перебуває в аморфному стані

Прикладами аморфних речовин є скло, смоли, бурштин, застиглі лаки, фарби та клеї. Деякі речовини можуть перебувати як у кристалічному, так і в аморфному станах, наприклад сірка, силіцій(ІV) оксид тощо. Звичайна природна сірка утворює яскраві жовті кристали, а під час нагрівання вона утворює аморфну смолоподібну пластичну сірку (мал. 21.2).

Мал. 21.2. а — кристалічна сірка; б — аморфна пластична сірка

Тверді речовини мають переважно кристалічну будову. Кожній кристалічній речовині властива характерна для неї форма кристалів. Наприклад, кристали кухонної солі NaCl мають форму куба, калійної селітри KNO₃ — призми, алюмінієвих галунів KAl(SO₄)₂— октаедрів тощо (мал. 21.3). Якщо кристалічну речовину подрібнити, то всі кристали розпадаються на окремі шматочки, кожен із яких зберігає хоча б частково форму початкового кристалу. Це свідчить про те, що кристалічний стан характеризується упорядкованою структурою.

Мал. 21.3. Кристалічні речовини можуть бути різної форми. Часто вони мають вигляд правильних геометричних фігур

Залежно від частинок, що утворюють кристал, і від типу хімічного зв’язку між ними, розрізняють такі типи кристалічних ґраток: йонні, молекулярні, атомні (іноді їх називають надмолекулярними), металічні.

Йонні речовини

У вузлах йонних кристалічних ґраток розміщені йони. Різнойменні йони, з яких складаються йонні кристали, утримуються разом силами електростатичного притягання. Навколо кожного йона в йонних кристалічних ґратках перебуває певна кількість інших (протилежних за знаком) (мал. 21.4). Йонні кристалічні ґратки характерні для речовин із йонним зв’язком.

Мал. 21.4. Модель будови речовини з йонними кристалічними ґратками

У йонних кристалах усі йони сильно притягуються один до одного. Аби зрушити йони зі свого місця, необхідна велика кількість енергії. Завдяки цьому йонні сполуки за кімнатної температури тверді, а плавляться і киплять лише в разі сильного нагрівання (див. Додаток 1).

Йонні речовини:

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

Речовини з йонними кристалічними ґратками нелеткі, тому не мають запаху. Йонні кристали крихкі, оскільки навіть невеликий зсув шарів у кристалі наближає один до одного однойменно заряджені йони, відштовхування між якими призводить до послаблення притягання і, як результат, до появи тріщин у кристалі або навіть до його руйнування (мал. 21.5).

Мал. 21.5. Під час зміщення шарів у йонних кристалах однойменно заряджені йони замість притягатися відштовхуються один від одного, і кристал руйнується

У твердому стані йонні сполуки не проводять електричного струму, оскільки всі йони жорстко закріплені на певному місці. Але якщо нагріти й розплавити такі речовини або розчинити у воді, то всі йони стають рухливими, і тому розплави та розчини йонних сполук добре проводять електричний струм.

Молекулярні речовини

У вузлах молекулярних кристалічних ґраток розміщені молекули, сполучені між собою слабкими міжмолекулярними силами. Наприклад, лід складається з молекул води (мал. 21.6а), а кристали брому (мал. 21.6б) складаються з двоатомних молекул брому Вr₂ (мал. 21.6в).

Мал. 21.6. У вузлах молекулярних кристалічних ґраток розміщені окремі молекули: а — кристалічні ґратки води (льоду); б — кристали брому; в — кристалічні ґратки брому

Молекулярні кристалічні ґратки властиві речовинам лише з ковалентними зв’язками.

Молекулярні речовини:

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

Окремі молекули, що розміщені у вузлах кристалічних ґраток, утримуються між собою слабкими міжмолекулярними взаємодіями, значно слабшими, ніж ковалентний зв’язок у молекулі. Їх легко зруйнувати, тому речовини з молекулярними ґратками крихкі й мають невисокі температури плавлення й кипіння. Багато речовин із молекулярними кристалічними ґратками за звичайних умов перебувають у рідкому або газоподібному станах (хлор, гідроген хлорид, кисень — гази; вода, сульфатна кислота, органічні розчинники — рідини).

Деякі з молекулярних речовин під час нагрівання переходять із твердого в газоподібний стан, минаючи рідкий (сублімують), наприклад йод, вуглекислий газ, нафталін.

Отже, речовини з молекулярними ґратками є леткими, завдяки чому деякі з них мають характерний запах. Можна навіть стверджувати: якщо речовина має запах, то це речовина молекулярної будови.

Молекулярні речовини здатні розчинятися. Деякі з них розчиняються у воді (див. таблицю розчинності на форзаці 2), 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.

Речовини атомної будови

Атомні кристали мають ґратки, утворені з атомів, сполучених один з одним міцними ковалентними зв’язками. У такій будові неможливо виділити структурну одиницю, яку можна називати молекулою, кожний кристал є однією великою «молекулою».

Щоб зруйнувати міцні ковалентні зв’язки в атомних кристалічних ґратках, необхідна велика кількість енергії. Через це речовини з атомними кристалічними ґратками мають дуже високі температури плавлення й кипіння. Вони нерозчинні у воді та в інших розчинниках.

Речовини атомної будови:

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

Зміщення атома зі свого місця в кристалі призводить до руйнування ковалентного зв’язку, а для цього необхідно багато енергії. Тому речовини з атомними ґратками дуже тверді, непластичні й некрихкі.

Класичним прикладом речовини з атомними кристалічними ґратками є алмаз — найтвердіша речовина з усіх відомих (мал. 21.7а). Подібні ґратки утворюють атоми Силіцію й Оксигену у кварці (мал. 21.7б).

Мал. 21.7. Алмаз (а) і кварц (б) утворюють тривимірні атомні кристалічні ґратки

Графіт також має атомні кристалічні ґратки, але, на відміну від алмазу й кварцу, у графіті атоми Карбону в кристалічних ґратках розміщені шарами, які слабко сполучені один з одним (мал. 21.8). Завдяки цьому шари легко зсунути один відносно одного, якщо докласти навіть невеликих зусиль. Цим пояснюються «пишучі» властивості графіту.

Мал. 21.8. Кристалічні ґратки графіту — це окремі шари з атомів Карбону

Форма кристалів у деяких речовин є настільки характерною, що за нею можна виявляти їх у суміші. Так, наприклад, у криміналістичній хімії за формою кристалів ідентифікують деякі отрути й алкалоїди (наркотичні речовини).

Грецьке слово кристаллос, від якого походять слова «кристал» та «кришталь», означає «лід». Воно походить від грецького кріос — «холод» або «мороз». Стародавні греки вважали, що звичайний лід, який існує в горах за сильних морозів, із часом кам'яніє і втрачає здатність танути. Античний філософ Аристотель писав, що «кристаллос народжується з води, коли вона повністю втрачає теплоту». На думку греків, гірський кришталь — це сильно замерзлий лід.

Лінгвістична задача

Грецькою мовою дамасма означає «скорення, приборкування», дамао — «розтрощую», відповідно, адамас — «незламний». А в перекладі з французької brilliant означає блискучий. Висловте свою думку, завдяки яким властивостям відомий мінерал алмаз багатьма мовами називають адамантом, а оброблений алмаз називають діамантом або брильянтом.

Грецькою мовою аморфос означає потворний, безформний, некрасивий, ганебний, мерзенний. Чому, на вашу думку, аморфні речовини отримали саме таку назву?

Зміст