"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Строение вещества помогает понять, почему одни твёрдые тела твёрдые и тугоплавкие, другие легко плавятся, а некоторые проводят электрический ток. Атомы и ионы удерживаются химическими связями, а в кристаллах частицы занимают упорядоченные положения — узлы решётки. Тип связи, частицы в узлах и их подвижность связаны с физическими свойствами. Разобравшись в этих закономерностях, можно объяснять свойства веществ, а не просто запоминать их.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химическая связь — взаимодействие, удерживающее атомы или ионы вместе. Благодаря ей частицы объединяются в молекулы или другие устойчивые структуры. Это понятие помогает объяснить, почему атомы не просто соседствуют, а образуют вещество с определённым строением.
Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. Места, которые занимают частицы, называют узлами решётки: в них могут находиться атомы, молекулы или ионы. По этому понятию описывают внутреннее строение кристалла и связывают его с физическими свойствами.
Кристаллическое вещество — твёрдое вещество, в котором частицы упорядочены и повторяют расположение на больших расстояниях. В отличие от аморфных тел, кристаллы обычно имеют определённую температуру плавления. Это различие важно учитывать, объясняя поведение веществ при нагревании.
Аморфное вещество — твёрдое тело, в котором нет дальнего порядка в расположении частиц, хотя ближайшие соседи могут находиться упорядоченно. К таким телам относят, например, стекло и многие смолы. Обычно они постепенно размягчаются при нагревании, а не переходят в жидкость при одной точной температуре.
Атомы отличаются зарядом ядра и распределением электронов по оболочкам. Внешние электроны, которые участвуют в образовании связи, определяют, как атом взаимодействует с соседями. При сближении атомов их электронные оболочки и ядра влияют друг на друга, а подходящее перераспределение электронов позволяет системе стать устойчивее. Поэтому электронное строение помогает объяснить, какие частицы соединяются и каким образом.
В ионной связи электрон переходит от одного атома к другому: возникают положительный и отрицательный ионы, которые притягиваются. Ковалентная связь появляется, когда атомы образуют общие электронные пары; она может быть полярной или неполярной в зависимости от распределения электронной плотности. В металле часть электронов обобществлена и может перемещаться между положительными атомными остовами. Эти типы различают потому, что разное участие электронов создаёт разные взаимодействия и свойства.
Тип решётки зависит от того, какие частицы составляют вещество и как они удерживаются. Если в твёрдом состоянии сохраняются отдельные молекулы, в узлах будут молекулы; если частицы образуют непрерывную сеть атомов, узлы займут атомы. Ионные соединения строят решётку из чередующихся зарядов, а в металлах атомные остовы взаимодействуют с общими электронами. Поэтому формула вещества — важная подсказка, но строение нельзя определять только по ней.
В молекулярной решётке молекулы удерживаются сравнительно слабыми межмолекулярными силами; в атомной атомы связаны прочной сетью ковалентных связей. В ионной решётке действуют электростатические притяжение разноимённых и отталкивание одноимённых ионов, а в металлической — притяжение атомных остовов к обобществлённым электронам. Значит, частицы в узлах и характер взаимодействий — не одно и то же: узлы показывают, что упорядочено, а связь объясняет, что удерживает структуру.
Свойства зависят от того, насколько прочно связаны частицы и могут ли они перемещаться. Прочные связи атомной решётки часто делают вещество твёрдым и тугоплавким, а слабые взаимодействия между молекулами позволяют многим молекулярным кристаллам плавиться легче. В металлах подвижные электроны переносят заряд, тогда как ионы в твёрдой ионной решётке закреплены. Так строение объясняет твёрдость, температуру плавления и электропроводность.
| Тип решётки | Частицы в узлах | Связь или взаимодействие | Характерные свойства | Примеры веществ |
|---|---|---|---|---|
| Молекулярная | Молекулы | Межмолекулярные силы | Обычно невысокие температуры плавления, летучесть; не проводят ток | Йод, сахар, лёд |
| Атомная | Атомы | Ковалентные связи между атомами | Обычно высокая твёрдость и температура плавления; ток обычно не проводят | Алмаз, кремний |
| Ионная | Положительные и отрицательные ионы | Электростатическое притяжение ионов | Твёрдые, хрупкие; проводят ток в расплаве и растворе | NaCl, MgO |
| Металлическая | Положительные атомные остовы | Притяжение остовов к обобществлённым электронам | Проводят ток и тепло, обычно пластичны | Медь, железо |
Пользуйтесь таблицей в таком порядке: определите частицы в узлах, затем найдите соответствующий тип взаимодействия. После этого свойства можно объяснить подвижностью частиц и прочностью их связи, а не заучивать отдельно. Указанные свойства типичны, но конкретное вещество может иметь особенности.
Натрий имеет один электрон на внешнем энергетическом уровне, а хлору не хватает одного электрона до завершения внешнего уровня. Чтобы определить связь, проследим, что происходит с этим электроном. Передача электрона создаёт заряженные частицы, а их притяжение удерживает вещество.
Ответ: в хлориде натрия ионная связь. Она возникает вследствие передачи электрона от натрия хлору и электростатического притяжения ионов Na⁺ и Cl⁻.
В формуле NaCl видны элементы, образующие положительные и отрицательные ионы. Сахар состоит из отдельных молекул, поэтому сравним не только состав, но и частицы, расположенные в узлах. Для объяснения тока проверим, есть ли в веществе подвижные заряженные частицы.
Ответ: у твёрдых NaCl и сахара электропроводность отсутствует или очень мала, но причины различны. Ионы соли неподвижны в кристалле, а сахар состоит из нейтральных молекул; раствор хлорида натрия проводит ток благодаря движению ионов.
Сначала определим, какие частицы образуют каждый кристалл, затем соотнесём их с типом решётки. Алмаз представляет собой сплошную сеть связанных атомов углерода, а твёрдый йод сохраняет отдельные молекулы I₂. В меди атомные остовы удерживаются вместе при участии общих электронов.
Ответ: алмаз — атомная, йод — молекулярная, медь — металлическая решётка. Из их строения следуют высокая твёрдость алмаза, летучесть йода и электропроводность меди.
Считать химическую связь и кристаллическую решётку одним и тем же — значит смешивать взаимодействие частиц с их расположением. Такую ошибку допускают, потому что оба понятия описывают строение вещества. Проверьте себя: связь отвечает на вопрос «что удерживает частицы?», решётка — «как они расположены?».
Путать атомную и молекулярную решётки — значит не учитывать, какие частицы находятся в узлах. Сходство в названиях может сбивать с толку, но в молекулярной решётке молекулы сохраняются как отдельные частицы, а в атомной атомы связаны в общую сеть. Проверьте, можно ли выделить в строении отдельные молекулы.
Утверждать, что твёрдое ионное вещество проводит ток, неверно: ионы в кристалле не могут свободно перемещаться. Ошибка возникает, когда переносят на твёрдую соль свойства её раствора или расплава. Для проверки спросите, есть ли подвижные заряженные частицы именно в рассматриваемом состоянии.
Делать вывод о свойствах только по химической формуле недостаточно: формула показывает состав, но не всегда раскрывает устройство частиц. Часто предполагают, что одинаковый состав обязательно означает одинаковые свойства. Проверьте вывод, выяснив строение вещества и тип решётки: разные структуры одного состава могут приводить к разным свойствам.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках и образовании ионов: без них трудно объяснить появление связей и заряженных частиц. Тип решётки помогает разбирать растворимость и электропроводность веществ, а также их твёрдость и плавление. Эти представления пригодятся при изучении химических реакций, где связи разрушаются и образуются, и при знакомстве с материалами и их применением.
Чем химическая связь отличается от кристаллической решётки?
Химическая связь — это взаимодействие, которое удерживает частицы вместе. Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. Связь описывает взаимодействие, а решётка — строение.
Почему твёрдый хлорид натрия не проводит электрический ток?
В кристалле NaCl ионы закреплены в узлах решётки и не могут свободно перемещаться. Для переноса заряда нужны подвижные частицы. В расплаве или водном растворе ионы движутся, поэтому хлорид натрия проводит ток.
Как определить тип кристаллической решётки вещества?
Сначала выясните, какие частицы образуют вещество: молекулы, атомы, ионы или атомы металла с обобществлёнными электронами. Затем определите, какие из них находятся в узлах кристалла и как взаимодействуют. Формула помогает, но сама по себе не всегда даёт окончательный ответ.
Почему вещества с разными решётками имеют разные свойства?
В разных решётках отличаются частицы в узлах и силы взаимодействия между ними. От этого зависят прочность строения, подвижность частиц и энергия, необходимая для плавления. Поэтому меняются твёрдость, температура плавления и электропроводность.
Чем кристаллическое вещество отличается от аморфного?
В кристалле частицы образуют упорядоченную структуру, которая повторяется на больших расстояниях. В аморфном теле сохраняется лишь ближний порядок, но нет такого повторяющегося расположения. Аморфные вещества обычно размягчаются в интервале температур, а не плавятся при одной определённой температуре.
Раздел 2. ВЕЩЕСТВО
