Хімія. Повторне видання. 8 клас. Ярошенко

§ 19. Кристалічні ґратки. Кристали. Практична робота 1

Опрацювавши матеріал параграфа, ви зможете:

• називати типи кристалічних ґраток;
• обґрунтовувати фізичні властивості речовин залежно від їхньої будови;
• прогнозувати фізичні властивості речовин, знаючи типи кристалічних ґраток.

РІЗНОМАНІТНІСТЬ РЕЧОВИН ЗА АГРЕГАТНИМ СТАНОМ. З вивченого на уроках природознавства, хімії, фізики вам відомо, що речовини можуть перебувати в різних агрегатних станах.

За звичайних умов більшість речовин мають твердий агрегатний стан. Знижуючи температуру, можна рідку чи газоподібну речовину перевести у твердий стан. Наприклад, за температури 0 °С рідка вода перетворюється на твердий лід. За температури -183 °С газоподібний безбарвний кисень перетворюється на рідину. За ще нижчої температури (-223 °С) кисень стає твердим.

Пригадайте, які є агрегатні стани речовини, наведіть приклади. Однакові чи різні відстані між структурними частинками речовин у різних агрегатних станах?

Більшість речовин, що перебувають у твердому агрегатному стані, мають чіткий порядок розміщення структурних частинок на певних відстанях. Розташовуючись за певним порядком, їхні структурні частинки утворюють кристали.

Кристали — це тверді тіла, структурні частинки речовини в яких розміщено в певному порядку. Тривимірне розміщення структурних частинок у кристалі називається кристалічними ґратками речовин.

Точки, у яких розміщуються структурні частинки речовини в кристалі, дістали назву вузли ґратки.

Крім кристалів, є аморфні тіла. Це смола, скло, каніфоль, цукровий льодяник тощо. Структурні частинки в них не утворюють кристалічних ґраток. Деякі речовини можуть перебувати і в аморфному, і в кристалічному стані, наприклад сірка.

Аморфні тіла, на відміну від кристалічних, не мають точної просторової повторюваності структурних частинок.

Вам відомо, що структурними частинками речовини можуть бути йони, атоми, молекули. Залежно від структурних частинок речовини кристалічні ґратки бувають йонні, атомні, молекулярні.

ЙОННІ КРИСТАЛІЧНІ ҐРАТКИ. Їх мають речовини з йонним хімічним зв’язком (мал. 33).

Мал. 33. Речовини з йонним типом кристалічних ґраток

Розміщення йонів у них не хаотичне, а певним чином упорядковане. У вузлах йонних кристалічних ґраток перебувають катіони й аніони, розміщені почергово. Так, у кристалі натрій хлориду кожний катіон Натрію оточують шість аніонів Хлору і навпаки.

Як бачимо з малюнка 34, йони Натрію і Хлору в кристалі кухонної солі розміщені в шаховому порядку: навколо кожного йона Na⁺ групуються йони Сl^-, навколо кожного йона Сl^- — йони Na⁺. Взаємне притягування йонів Na⁺ і Сl^- зумовлює міцність кристала.

Мал. 34. Моделі йонних кристалічних ґраток натрій хлориду: а — кристалічні ґратки; б — пакування йонів у кристалі

ВЛАСТИВОСТІ СПОЛУК З ЙОННОЮ КРИСТАЛІЧНОЮ ҐРАТКОЮ. Особливістю йонних сполук є те, що сили притягання в них діють однаково в усіх напрямах. Тому йони у вузлах кристалічних ґраток зв’язані міцно, речовини за кімнатної температури тверді, а тепловий рух йонів дуже незначний. Проте нагрівання речовин до температури, вищої за їх температури плавлення, збільшує тепловий рух йонів, сила притягування між ними слабшає, і врешті зв’язки між йонами розриваються. Речовина переходить у рідкий стан.

Сила взаємодії між катіонами та аніонами у кристалі велика, тому потрібно багато енергії, щоб його розплавити, і ще більше, щоб перевести в пароподібний стан. Цим пояснюється порівняно висока твердість і тугоплавкість сполук з йонними кристалічними ґратками. Так, температура плавлення натрій хлориду становить 801 °С. Багато речовин з йонним типом кристалічних ґраток добре розчиняються у воді; йонні кристалічні ґратки міцніші, ніж молекулярні, але поступаються міцністю атомним.

АТОМНІ КРИСТАЛІЧНІ ҐРАТКИ. У вузлах атом них кристалічних ґраток перебувають атоми. Алмаз (від араб. almas — «нездоланний») — найтвердіша з відомих природних речовин. Висока твердість алмазу зумовлена особливістю його атомних кристалічних ґраток, де кожний атом Карбону оточений такими ж атомами, розміщеними на вершинах правильного тетраедра (мал. 35). Такі кристалічні ґратки властиві небагатьом речовинам, наприклад, алмазу, карборунду SiC, силіцій(ІV) оксиду SiO₂. Речовини з атомними кристалічними ґратками характеризуються високою твердістю, тугоплавкі й нерозчинні у воді.

Мал. 35. Алмаз і його кристалічні ґратки

МОЛЕКУЛЯРНІ КРИСТАЛІЧНІ ҐРАТКИ. У вузлах молекулярних кристалічних ґраток перебувають молекули речовин з неполярним або полярним ковалентним зв’язками. Серед речовин з молекулярними кристалічними ґратками є тверді за звичайних умов речовини, наприклад, йод (мал. 36, а), багато органічних речовин, наприклад, цукор, глюкоза. Молекулярні кристалічні ґратки у твердому агрегатному стані мають деякі рідини (вода) та гази (хлор, вуглекислий газ (мал. 36, б), азот, кисень). Молекули утримуються слабкими силами міжмолекулярної взаємодії, тому можуть відриватися від кристала й переходити в газоподібний стан. Тобто потрібно небагато енергії, щоб відокремити молекули одну від одної. Пригадайте, що для цього воду достатньо злегка нагріти (не кажучи вже про кип’ятіння), парафінову свічку запалити сірником, нафталін — залишити на деякий час без пакования.

Мал. 36. Моделі молекулярних кристалічних ґраток: а — йоду; б — вуглекислого газу

Речовини з молекулярним типом кристалічних ґраток унаслідок слабкого притягування молекул мають низькі твердість, температуру плавлення та кипіння, леткі.

Знаючи вид хімічного зв’язку в речовині, ви можете не лише схарактеризувати її кількісний та якісний склад, а й називати фізичні властивості.

Хімія — це життя: сторінка природодослідника

Лабораторний дослід 1. Ознайомлення з фізичними властивостями речовин атомної, молекулярної та йонної будови

Для проведення досліду вам знадобляться речовини (їх ви отримаєте від учителя/учительки), а також вода, спиртівка, скляний посуд, пробіркотримач.

Завдання. Ознайомтеся з фізичними властивостями виданих учителем

речовин і зробіть висновок про залежність властивостей від типів кристалічних ґраток речовин.

Домашній експеримент

Завдання. Виростіть кристали речовини йонної будови.

Для проведення досліду вам знадобляться: тверді речовини (кухонна сіль, мідний купорос), чиста скляна банка, нитка, олівець або схожа на нього паличка, скріпка для паперів, миска, гаряча вода, металева ложка.

1. Наповніть банку гарячою водою (щоб банка не тріснула, поставте в неї металеву ложку) й відразу ж помістіть банку в миску з гарячою водою. Це довше збереже воду в банці гарячою.

2. Додавайте невеликими порціями одну з твердих речовин у банку доти, доки не побачите, що речовина більше не розчиняється.

Розчиненням у воді ви зруйнували кристалічні ґратки речовини, і йони рівномірно розподілилися між молекулами води!

3. До одного кінця нитки прив’яжіть скріпку, другий намотайте на олівець посередині. Покладіть олівець посеред отвору банки так, щоб скріпка була занурена в розчин. Через кілька днів ви знову повернете речовині кристалічний стан — скріпка покриється кристаликами речовини.

Практична робота 1. Дослідження властивостей речовин з різними типами кристалічних ґраток

Виконуючи завдання цієї практичної роботи, ви матимете змогу здобути підтвердження істинності наукових знань про залежність властивостей речовин від типу кристалічних ґраток, розвинути експериментальні вміння.

Завдання 1. Дослідіть розчинність у воді цукру, натрій хлориду, графіту. Зробіть висновок про розчинність у воді кожної із цих речовин, зазначте, який вид хімічного зв’язку й тип кристалічних ґраток у кожної з них. Які теоретичні знання здобули підтвердження в цьому дослідженні?

Завдання 2. За допомогою дослідів установіть, до легкоплавких чи тугоплавких речовин належать: а) сірка; б) натрій хлорид; в) цукор; г) графіт; д) силіцій(IV) оксид. Зазначте серед досліджених речовин найбільш легкоплавку й найбільш тугоплавку речовину (скористайтесь довідниками). Які теоретичні знання здобули підтвердження в цьому дослідженні?

Завдання 3. Парафін і стеарин (з них виготовляють парафінові та стеаринові свічки), являють собою суміші твердих органічних речовин. Перевірте за допомогою дослідів розчинність кожної суміші, а також установіть, тугоплавкими чи легкоплавкими вони є. Спрогнозуйте типи кристалічних ґраток речовин, з яких ці суміші утворені.

Завдання 4. (додатково). Знайдіть в інтернеті інформацію про явище сублімації та перегляньте відео сублімації сухого льоду (твердий карбон(ІV) оксид) і йоду. Чи узгоджується це явище з вашими знаннями про типи кристалічних ґраток? Відповідь поясніть.

Завдання 5. Накресліть у зошиті таблицю із запропонованою структурою і заповніть її.

Досліджувана речовина (суміш)	Фізичні властивості	Вид хімічного зв’язку	Тип кристалічних ґраток

Стисло про основне

• Властивості речовин залежать від виду хімічного зв’язку та розміщення структурних частинок речовини в кристалі.

• Кристалічні ґратки — це тривимірне розміщення структурних частинок речовини в кристалі.

• За розташуванням структурних частинок у кристалі розрізняють йонні, атомні, молекулярні та деякі інші кристалічні ґратки.

• Речовини з йонною та атомною кристалічними ґратками за звичайних умов тверді.

• Серед речовин з молекулярними кристалічними ґратками наявні тверді, рідкі та газоподібні за звичайних умов речовини.

• Є певний зв’язок між типом кристалічних ґраток та фізичними властивостями речовин.

• За відомим типом кристалічних ґраток можна спрогнозувати властивості речовин.

Сторінка ерудита

Особливу кристалічну будову, відмінну від розглянутих, мають метали. Більш детально металічні кристалічні ґратки ви будете вивчати у старшій школі. І все ж, що в ній особливого?

Якщо у вузлах атомних кристалічних ґраток перебувають атоми, а у вузлах йонних — йони, то у вузлах металічних кристалічних ґраток наявні й ті, й інші структурні частинки речовини. Пригадайте, що атоми металічних елементів мають на зовнішньому енергетичному рівні найчастіше 1-2 електрони. До того ж вони неміцно зв’язані з ядром свого атома, і в хімічних реакціях атом їх легко віддає. Електрони, що втратили зв’язок з ядрами своїх атомів, стають спільними.

Тож кристалічні ґратки металу можна уявити як такі, що складаються з атомів, йонів (катіонів) і вільних електронів, які перебувають у хаотичному русі між структурними частинками ґраток. Завдяки такій будові кристалічних ґраток метали добре проводять тепло й електричний струм, мають характерний металічний блиск.

Знаємо, розуміємо

1. Дайте визначення кристалічних ґраток.

2. Які типи кристалічних ґраток вам відомі? Назвіть структурні частинки, що перебувають у вузлах цих кристалічних ґраток.

3. Поміркуйте, чи позначається тип кристалічних ґраток на властивостях речовин. Доведіть й аргументуйте свою відповідь.

4. На підставі знань про типи кристалічних ґраток укажіть зайву речовину в переліку: алмаз, натрій хлорид, силіцій(IV) оксид.

Застосовуємо

51. Зазначте тип кристалічних ґраток твердої речовини, що добре розчинна у воді й має високу температуру плавлення.

А йонна

Б атомна

В молекулярна

52. Зазначте тип кристалічних ґраток речовини, якщо вона легкоплавка, має характерний запах, погано розчиняється у воді.

А атомні

Б молекулярні

В йонні

53. Яку з речовин потрібно сильніше нагріти, щоб розплавити:

• а) лід;
• б) кухонну сіль;
• в) йод?

Поясніть чому.

54. На підставі знань про хімічний зв’язок спрогнозуйте фізичні властивості речовин:

• а) калій йодиду КІ;
• б) силіцію Si;
• в) амоніаку NH₃.