§ 14. Вещества могут иметь молекулярное или немолекулярное строение

Определения и обозначения

Молекулярное строение — такое строение вещества, при котором оно состоит из отдельных молекул. Внутри каждой молекулы атомы удерживаются химическими связями, а между молекулами действуют межмолекулярные силы. Различать эти взаимодействия нужно, чтобы понимать, почему молекула может быть прочной, а само вещество — сравнительно легко плавиться или испаряться.

Немолекулярное строение — строение, при котором вещество не состоит из отдельных молекул, а его частицы образуют протяжённую структуру. Такой структурой может быть кристаллическая решётка или непрерывная сеть связанных частиц. Это понятие помогает не приписывать веществу отдельные молекулы там, где частицы связаны друг с другом по всему объёму.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристаллическом веществе. Места, в которых располагаются частицы, называют узлами решётки; в них находятся частицы, характерные для данного типа строения. По тому, что именно занимает узлы и какие силы действуют между частицами, определяют тип решётки и объясняют свойства кристалла.

В атомной решётке в узлах находятся атомы, связанные в общую сеть ковалентными связями. В ионной решётке узлы занимают катионы и анионы, притягивающиеся за счёт электрических зарядов. В металлической решётке расположены положительные атомные остатки, которые удерживаются металлической связью с участием обобществлённых электронов.

Как это устроено

В молекулярном веществе каждая молекула является самостоятельной частицей: сильные химические связи объединяют атомы внутри неё, но не продолжаются от одной молекулы ко всем остальным. Между молекулами действуют отдельные силы притяжения, обычно более слабые, чем связи внутри молекул. Поэтому при плавлении или испарении молекулярного вещества часто достаточно ослабить именно взаимодействия между молекулами, не разрушая сами молекулы.

В немолекулярных веществах невозможно выделить отдельные молекулы как самостоятельные частицы, не нарушив структуру. Частицы связаны в единую сеть или регулярно упорядочены, поэтому свойства зависят от вида частиц и от того, как именно они взаимодействуют. Различия между атомной, ионной и металлической структурами объясняют, почему вещества с немолекулярным строением могут по-разному проводить ток, плавиться и сопротивляться деформации.

В атомной решётке соседние атомы соединены прочными ковалентными связями, образуя пространственную сеть; так устроен, например, алмаз. В ионной решётке положительные и отрицательные ионы чередуются, а структуру удерживает притяжение противоположных зарядов. В металлической решётке положительные атомные остатки связаны с общими для всего кристалла подвижными электронами, что и отличает металлическую связь от ковалентной сети.

Температура плавления показывает, сколько энергии нужно, чтобы нарушить порядок частиц и ослабить удерживающие их взаимодействия. Твёрдость зависит от прочности связей и от того, насколько легко слои или участки структуры смещаются; одной лишь прочностью связи её не исчерпать. Летучесть связана с тем, насколько легко частицы покидают вещество, а электропроводность — с наличием подвижных заряженных частиц или электронов. Поэтому одинаковый тип структуры не гарантирует полного совпадения свойств: важны также состав и особенности строения.

Химический состав сам по себе не всегда однозначно задаёт свойства: атомы одного элемента могут соединяться по-разному и образовывать разные структуры. Это особенно заметно при аллотропии — существовании одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением. Например, алмаз и графит состоят из атомов углерода, но организация атомов в них различна, поэтому различаются и свойства. Сравнивать такие вещества нужно по строению, а не только по формуле или составу.

Строение веществ и характерные свойства

Сначала найдите в таблице частицы, из которых состоит вещество, и только затем сравнивайте свойства. Слова «обычно» и «часто» указывают на характерные тенденции, а не на правило без исключений. Например, электропроводность расплава ионного вещества нельзя переносить на его твёрдый кристалл.

Разбор задач

1. Вода, углекислый газ и кремний

Условие: распределите воду, углекислый газ и кремний по типу строения и укажите частицы каждого вещества. Сначала определяем, существуют ли в веществе самостоятельные молекулы, а затем проверяем, образуют ли атомы протяжённую структуру. Не следует считать, что любое вещество из атомов обязательно состоит из отдельных молекул.

1. Вода имеет формулу H₂O и состоит из самостоятельных молекул, в каждой из которых связаны атомы водорода и кислорода.
2. Углекислый газ CO₂ также молекулярный: его частицы — отдельные молекулы с одним атомом углерода и двумя атомами кислорода.
3. Кремний имеет немолекулярное атомное строение: атомы кремния связаны в протяжённую структуру, а не собраны в отдельные молекулы.

Ответ: вода и углекислый газ состоят из молекул; кремний образует атомную структуру. Решение основано на организации частиц, а не на том, что в формулах можно увидеть обозначения атомов. Формула вещества не всегда означает, что оно состоит из молекул.

2. Хлорид натрия, алмаз и медь

Условие: определите тип решётки каждого вещества и назовите частицы в её узлах. Для этого сопоставляем состав и характер связи: металл и неметалл могут образовать ионы, атомы углерода — ковалентную сеть, а металл — металлическую структуру. Затем называем именно частицы узлов, не подменяя их молекулами.

1. Хлорид натрия NaCl имеет ионную решётку: в узлах находятся катионы Na⁺ и анионы Cl⁻.
2. Алмаз образует атомную решётку: в её узлах находятся атомы углерода, соединённые ковалентными связями.
3. Медь имеет металлическую решётку: её основу составляют положительные атомные остатки, взаимодействующие с обобществлёнными электронами.

Ответ: NaCl — ионная решётка, алмаз — атомная, медь — металлическая. Такое распределение объясняется не только составом, но и тем, какие частицы возникают и как они удерживаются. Например, формульная единица NaCl обозначает соотношение ионов, а не отдельную молекулу хлорида натрия.

3. Йод и кремний

Условие: сравните вещества по строению и ожидаемым твёрдости, летучести и температуре плавления. Оба образца могут быть твёрдыми, но это не означает, что в них одинаковые частицы и связи. Сначала устанавливаем строение, после чего связываем с ним свойства и формулируем вывод с учётом того, что характеристики зависят от конкретного вещества.

1. Твёрдый йод имеет молекулярное строение: его кристалл образован молекулами I₂, а между молекулами действуют сравнительно слабые силы.
2. Кремний образует атомную решётку, в которой атомы соединены прочными ковалентными связями в протяжённую структуру.
3. Для йода ожидаются более низкая температура плавления и большая летучесть по сравнению с кремнием, поскольку при переходе в газ достаточно разъединить молекулы, а не разрушить прочную атомную сеть.
4. Кремний обычно твёрже йода и плавится при более высокой температуре, но твёрдость не следует выводить только из общего слова «атомная»: важны расположение частиц и устройство структуры.

Ответ: йод — молекулярное вещество, кремний — вещество с атомной решёткой; кремний обычно твёрже и тугоплавче, а йод летучее. Причина различий — не химическое сходство, а разные частицы и взаимодействия между ними. Ожидаемые тенденции нужно применять к конкретным веществам, а не превращать в безусловный закон.

Типичные ошибки

Ошибка — называть молекулами все частицы, находящиеся в узлах решётки. Так иногда делают, потому что формулу вещества принимают за обозначение отдельной частицы, хотя она может показывать лишь соотношение атомов или ионов. Проверьте себя: в ионной решётке ищите катионы и анионы, а в атомной — атомы, связанные в общую сеть.

Ошибка — считать химическую связь внутри молекулы и притяжение между молекулами одним и тем же. Их путают, потому что оба взаимодействия удерживают частицы, но они действуют на разных уровнях организации вещества. Для проверки назовите, что именно нужно разделить: атомы одной молекулы или отдельные молекулы друг от друга.

Ошибка — смешивать атомную и металлическую решётки, раз в обеих можно упомянуть атомы. Причина в том, что при таком сравнении не учитывают природу связи и роль электронов. Проверьте себя: в атомной решётке атомы соединены ковалентными связями, а металлическую структуру удерживает металлическая связь с участием обобществлённых электронов.

Ошибка — определять тип строения по одному свойству, например по твёрдости. Это ненадёжно, потому что на свойства влияют состав, связи, расположение частиц и условия, а разные структуры могут иметь похожие характеристики. Сначала установите частицы и их организацию, затем используйте свойства как дополнительное подтверждение, а не как единственный критерий.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о различиях между атомом, ионом и молекулой. Полезно также отделять химическую связь от межмолекулярного взаимодействия: первое понятие описывает связь частиц внутри молекулы или структуры, второе — притяжение самостоятельных молекул. Без этого различия трудно объяснить свойства молекулярных веществ.

Представления о решётках помогают объяснять физические свойства и связь строения с типами химической связи. Они пригодятся при сравнении температур плавления, твёрдости и электропроводности веществ. При этом свойства рассматривают вместе, а не сводят к одной характеристике.

Строение позволяет понять, почему вещества одного состава могут различаться по свойствам, и подготавливает к изучению аллотропии. Например, разные структуры простого вещества одного элемента приводят к разным свойствам. Так состав дополняется представлением о том, как именно организованы частицы.

Что запомнить

• Молекулярное вещество состоит из отдельных молекул.
• В немолекулярном веществе частицы образуют протяжённую структуру.
• В узлах ионной решётки находятся катионы и анионы.
• В атомной решётке атомы связаны в единую сеть.
• Металлическая решётка удерживается металлической связью.
• Свойства вещества зависят от строения и характера взаимодействия частиц.