Хімія. Повторне видання (2025). 8 клас. Попель
§ 39. Кристалічні речовини
Ви, напевно, бачили на фотографіях чудові кристали рубіну, сапфіру, аметисту, які «подарувала» нам природа. Багаті колекції мінералів зібрано в численних геологічних музеях. Мінерали — кристалічні речовини. Вони утворилися в надрах планети. Кристали різних речовин можна одержати в лабораторії, зокрема «виростити» з водних розчинів.
Дізнаєтеся, зрозумієте, використаєте
- Чим можуть різнитися тверді речовини за будовою?
- Як моделюють будову кристалів?
Кристалічні речовини. Кожна речовина може перебувати у твердому стані. Для деяких речовин це єдиний агрегатний стан, оскільки внаслідок підвищення температури вони не плавляться, а розкладаються.
Багато твердих речовин складається з кристалів (мал. 97). Кристалічними речовинами серед харчових продуктів є цукор, сіль, харчова сода, лимонна кислота. Часточки інших речовин мають довільну форму; вони не подібні на кристали. Ці речовини називають аморфними1. Вони, наприклад, є складниками крохмалю і борошна.
1 Термін походить від грецьких префікса а- (означає заперечення) і слова «морфе» — форма.
Мал. 97. Кристали мінералів
За стандартних умов або низьких температур у кристалічному стані перебуває більшість простих і складних неорганічних речовин, а серед органічних речовин — ті, які складаються з йонів або невеликих молекул.
Деякі речовини можуть перебувати як у кристалічному, так і в аморфному стані. Серед них — оксид SiO2. Він утворює мінерал кварц, який є кристалічною речовиною. Якщо охолодити розплав цього оксиду, одержимо аморфну речовину — скло (кварцове). З такого скла виготовляють вогнетривкий лабораторний посуд.
Кристали та їхня будова. Якщо розглянути кухонну сіль крізь збільшувальне скло, то можна побачити кристали-кубики (мал. 98). Інші форми мають кристалики цукру та лимонної кислоти.
Кристал — самоутворене фізичне тіло із пласкими гранями та прямими ребрами. Якщо його розбити, то на уламках помітимо ознаки форми кристала (наприклад, пласкі поверхні). Кристалічний стан речовини зберігається навіть після її ретельного подрібнення.
Мал. 98. Кристали кухонної солі NaCl
Предмет, який подібний до кристала за формою, можна виготовити з аморфної речовини — скла, бурштину або прозорого пластику. Але він не буде кристалом, бо матиме іншу внутрішню будову. Крім того, розбивши, наприклад, скляний кубик, отримаємо безформні уламки.
Форма кристала зумовлена впорядкованим розміщенням у твердій речовині атомів, молекул або йонів. Внутрішню будову кристалів описують за допомогою моделі, назва якої — кристалічні ґратки. Це схема або тривимірний макет розміщення частинок у маленькому об’ємі кристала (мал. 99).
Мал. 99. Кристалічні ґратки кухонної солі: а — кулестержнева модель; б — масштабна модель. Жовті кульки — катіони Na+, зелені — аніони Сl-
Кульки в кристалічних ґратках імітують йони, атоми, молекули. Ці частинки перебувають у так званих вузлах кристалічних ґраток. У кулестержневих моделях (мал. 99, а) кульки мають довільні розміри й не торкаються одна одної. Використовують ще й масштабні моделі (мал. 99, б). У них радіуси кульок пропорційні радіусам частинок, і найближчі кульки контактують одна з одною (атоми, молекули, йони зазвичай щільно «упаковані» в кристалі). Кулестержнева модель є наочнішою, бо кульки в ній не заважають «зазирнути» всередину кристала.
Розглядаючи кристалічні ґратки речовин атомної будови — алмазу і графіту (мал. 100), помічаємо, що в алмазі всі атоми сполучені однаковими міцними ковалентними зв’язками, а у графіті містяться шари атомів Карбону, які слабко сполучені між собою. Тому алмаз має найвищу твердість серед природних речовин, а графіт є м’яким. Коли ми пишемо олівцем, від графіту відокремлюються шари атомів і залишаються на папері.
Мал. 100. Кристалічні ґратки простих речовин Карбону — алмазу (а) і графіту (б)
Думаймо
Скільки атомів найближче розташовані до кожного атома в алмазі та графіті?
Кварц SiO2 також має атомну будову. Ковалентні зв’язки між атомами Силіцію та Оксигену є однаковими й міцними (мал. 101). Кварц — досить тверда речовина, яка залишає подряпини на склі та більшості металів.
Мал. 101. Кристалічні ґратки мінералу кварцу
Думаймо
Який ковалентний зв’язок — простий чи подвійний — імітує кожний стержень у кулестержневій моделі кварцу?
Будову йоду І2, льоду і твердого карбон(ІV) оксиду («сухого льоду») СO2, які складаються з молекул, ілюструє малюнок 102. Слабка міжмолекулярна взаємодія в речовинах (наприклад, водневі зв’язки у льоді) зумовлює низькі температури зміни агрегатних станів — плавлення льоду, сублімації йоду та оксиду СО2.
Мал. 102. Кристалічні ґратки йоду (а), льоду (б) і карбон(ІV) оксиду (в)
Речовини, які складаються з йонів, за стандартних умов перебувають переважно у кристалічному стані. Утворення кристала йонної речовини під час тверднення її розплаву відбувається так. Кожний катіон сполучається йонним зв’язком з аніонами, причому з такою їх кількістю, яка може розміститися навколо нього (мал. 99). Кожний аніон так само розміщує навколо себе певну кількість катіонів. У кристалі йонної речовини в будь-якому напрямку є чітке чергування катіонів та аніонів. Послідовність розміщення йонів усередині кристала залежить від складу речовини, тобто відношення кількості катіонів та аніонів у речовині, а також від відношення радіусів цих частинок.
Якщо в кристалічних ґратках йонної сполуки виокремити найменший фрагмент, який повторюється, то він відповідатиме її хімічній формулі (мал. 103).
Мал. 103. Найменший повторюваний фрагмент кристалічних ґраток кухонної солі
Фізичні властивості кристалічних речовин. Твердість, оптичні властивості багатьох кристалічних речовин залежать від того, у якому напрямку діє на кристал зовнішня сила або звідки потрапляє на нього промінь світла. Здатність кристалів деяких речовин перетворювати енергію одного виду на іншу зумовлює їх використання в системах запису інформації, приладах нічного бачення, гідрофонах, оптиці, медицині (наприклад, безконтактне вимірювання температури), побутовій техніці (п’єзозапальнички, навушники та ін.). Вагомі здобутки в галузі одержання та дослідження кристалічних речовин з особливими фізичними властивостями мають фахівці Науково-технологічного комплексу «Інститут монокристалів» НАН України (м. Харків).
ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ
Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про кристалічний та аморфний стани твердих речовин і моделі кристалів (кристалічні ґратки) речовин атомної, молекулярної та йонної будови.
Думаймо
Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам/однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.
ВАШІ ДОСЯГНЕННЯ І ВІДКРИТТЯ
Перевірмо себе
1. Охарактеризуйте будову кристала.
2. Кристалічним чи аморфним є дрібно розмелений цукор (цукрова пудра); скляний пил, який утворюється під час шліфування скляного виробу?
3. Чим різняться кулестержнева і масштабна моделі будови кристала?
Поміркуймо
4.* За зображенням кристалічних ґраток натрій хлориду (мал. 99) визначте:
- а) скільки йонів Сl- оточує кожний йон Na+ у кристалі солі;
- б) скільки йонів Na+ оточує кожний йон Cl-.
5. Напишіть формули йонів, які містяться у вузлах кристалічних ґраток мінералів флюориту CaF2 і корунду Аl2О3.
Аналізуймо
6. У старому підручнику є такий підпис до малюнка: «Модель кристалічної ґратки вуглекислого газу». У чому некоректність цього підпису?
Дізнаваймося
7. Функціонування різноманітних дисплеїв, моніторів, електронних індикаторів забезпечують речовини, які називають рідкими кристалами. Відшукайте в інтернеті відомості про ці речовини і з'ясуйте, чому вони отримали таку назву.
Шанс для творчості
8. Візьміть участь у віртуальній екскурсії до мінералогічного музею. Підготуйте стислий відгук про екскурсію зі своїми враженнями.
Створюймо проєкт
9. Підготуйте за матеріалами з інтернету повідомлення на тему «Шкала твердості мінералів (історія створення, використання)».
Формуймо словничок
10. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.
11. Складіть двомовний словничок із ключових слів і словосполучень, виписаних вами з параграфів 31—39. Отримаєте словничок до розділу 3 підручника.
Оцінюймо свої знання
12. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.
13. Скориставшись набутими знаннями, розв'яжіть розміщений за QR-кодом або покликанням (https://learningapps.org/display?v=px6b7h9j325) кросворд.
crossword
14. Виконайте розміщені за QR-кодом або покликанням (https://learningapps.org/display?v=pofxg6gv524) завдання за матеріалом параграфів 35—39.
test
