1. Описание свойств некоторых веществ на основе типа кристаллической решётки

Определения и обозначения

Молекулярная кристаллическая решётка — решётка, в узлах которой находятся молекулы, удерживаемые межмолекулярными силами. Эти силы действуют между уже сформированными молекулами и обычно слабее химических связей внутри них. Такое определение помогает отличить кристалл из отдельных молекул от вещества, образующего сплошную сеть связей.

Атомная кристаллическая решётка — решётка, в узлах которой находятся атомы, связанные прочными ковалентными связями. Атомы образуют единую сеть, а не отдельные молекулы. Понятие нужно, чтобы объяснять свойства веществ, в которых для разрушения кристалла приходится разрывать ковалентные связи.

Ионная кристаллическая решётка — решётка, в узлах которой находятся положительные и отрицательные ионы. Они притягиваются из-за противоположных зарядов и располагаются упорядоченно. Это определение позволяет связать строение солей с тем, как они ведут себя в твёрдом виде, расплаве и растворе.

Металлическая кристаллическая решётка — решётка из положительных ионов металла, между которыми движутся обобществлённые электроны. Они не принадлежат только одному атому и могут перемещаться по кристаллу. Такое строение объясняет характерные электрические свойства металлов и их способность изменять форму.

Как это устроено

Свойства кристаллического вещества определяются не только химическим составом, но и тем, какие частицы занимают узлы решётки и как они взаимодействуют. Узлы — это условные места, вокруг которых частицы расположены в упорядоченном порядке. Если частицы прочно связаны, их труднее разделить или сместить; если они могут перемещаться, возможен перенос электрического заряда. Поэтому тип решётки помогает объяснить наблюдаемые свойства вещества.

В молекулярном кристалле прочные связи обычно находятся внутри молекул, а сами молекулы удерживаются друг возле друга сравнительно слабыми взаимодействиями. При нагревании их часто достаточно преодолеть, не разрушая молекулы, поэтому температуры плавления и кипения обычно невысоки. Многие такие вещества летучи: отдельные молекулы легко покидают кристалл и переходят в газ. Тока обычно нет, потому что молекулы нейтральны, а подвижных заряженных частиц почти нет.

В атомном кристалле ковалентные связи объединяют атомы по всему объёму, образуя прочный каркас. Чтобы расплавить такое вещество или сильно изменить его форму, нужно разрушить значительное число этих связей. Этим объясняются высокая твёрдость и высокая температура плавления многих атомных кристаллов. Электропроводности обычно нет: электроны участвуют в связях и не могут свободно переносить заряд; существуют исключения, например графит.

В ионном кристалле разноимённые ионы притягиваются, удерживая структуру твёрдой, но при этом она может легко раскалываться. Если слои сдвинуть, рядом оказываются одноимённые заряды, и их отталкивание разрушает кристалл. В твёрдом состоянии ионы закреплены в узлах, поэтому не переносят заряд через вещество. При плавлении или растворении в воде ионы получают возможность двигаться, и расплав либо раствор проводит ток.

В металле положительные ионы удерживаются общими подвижными электронами. Под действием электрического поля эти электроны перемещаются и переносят заряд, а при передаче энергии помогают объяснить хорошую теплопроводность металлов. Металлическая связь не направлена между строго определёнными парами атомов, поэтому при смещении слоёв взаимодействие сохраняется. Это позволяет металлам гнуться, вытягиваться или прокатываться без обязательного раскалывания.

Тип кристаллической решётки и свойства веществ

Сначала найдите в таблице частицы в узлах и соответствующее им взаимодействие, а затем сопоставьте их с наблюдаемыми свойствами. Оценки «обычно» и «часто» нужны потому, что внутри одного типа решётки вещества могут различаться. Если одно свойство не даёт однозначного ответа, используйте сразу несколько признаков.

Разбор задач

Йод и возгонка

Условие. Определите тип кристаллической решётки йода и объясните, почему он легко возгоняется. Возгонка — это переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое. Для решения нужно выяснить, из каких частиц построен кристалл, и оценить, что именно требуется преодолеть при выходе частиц из него.

1. Йод в твёрдом состоянии состоит из отдельных молекул I₂, поэтому в узлах его кристалла находятся молекулы.
2. По частицам в узлах определяем тип решётки: она молекулярная, а молекулы внутри каждой пары атомов связаны химической связью.
3. При возгонке молекулы покидают кристалл; для этого нужно преодолеть сравнительно слабые взаимодействия между молекулами, а не разрушить все связи внутри них.

Ответ. У йода молекулярная решётка. Сравнительно слабые межмолекулярные взаимодействия позволяют молекулам легко переходить из кристалла в газ.

Хлорид натрия: кристалл и раствор

Условие. Сравните электропроводность твёрдого хлорида натрия и его водного раствора. Здесь недостаточно назвать вещество солью: нужно проследить, могут ли заряженные частицы двигаться в каждом состоянии. Электрический ток в веществе связан с направленным движением зарядов.

1. Хлорид натрия имеет ионную решётку: её образуют ионы Na⁺ и Cl⁻.
2. В твёрдом кристалле оба вида ионов занимают определённые места и не перемещаются по всему образцу, поэтому ток не проводят.
3. В воде кристалл растворяется, и ионы становятся подвижными. Под действием электрического поля они могут перемещаться и переносить заряд.

Ответ. Твёрдый хлорид натрия ток не проводит, а его водный раствор проводит, потому что в растворе ионы подвижны.

Алмаз, медь и углекислый газ

Условие. Укажите типы решёток алмаза, меди и твёрдого углекислого газа и объясните различия в твёрдости, электропроводности и температуре плавления. Сравнение начинают не с отдельных свойств, а с определения частиц в узлах. Затем строение связывают с прочностью связей и возможностью переноса заряда.

1. В алмазе атомы углерода соединены прочными ковалентными связями в единую сеть: решётка атомная. Поэтому алмаз очень твёрдый и имеет высокую температуру плавления; свободных носителей заряда в нём нет.
2. Медь имеет металлическую решётку: положительные ионы окружены подвижными обобществлёнными электронами. Электроны обеспечивают электропроводность, а металлическое строение допускает деформацию; температура плавления зависит от прочности связи в конкретном металле.
3. В твёрдом углекислом газе, или «сухом льду», узлы заняты молекулами CO₂, значит, решётка молекулярная. Межмолекулярные взаимодействия сравнительно слабы, поэтому вещество легко переходит в газ; подвижных зарядов для проведения тока нет.

Ответ. Алмаз — атомный, медь — металлический, твёрдый углекислый газ — молекулярный кристалл. Их свойства различаются из-за разных частиц, связей и подвижности зарядов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что всякое твёрдое вещество имеет атомную решётку. Её допускают, потому что слово «атомный» воспринимают как синоним твёрдого состояния. Но в узлах могут находиться также молекулы или ионы, а в металлах важны положительные ионы и общие электроны. Проверьте себя: выясните, какие частицы образуют кристалл, а не только то, что вещество твёрдое.

Ошибка: путать атомную и молекулярную решётки. В обоих случаях вещество может содержать атомы, поэтому различие кажется несущественным. В атомной решётке ковалентные связи образуют непрерывную сеть, а в молекулярной отдельные молекулы удерживаются межмолекулярными силами. Чтобы проверить ответ, спросите, сохраняются ли самостоятельные молекулы в кристалле.

Ошибка: ожидать, что твёрдая ионная соль проводит ток. Заряды ионов создают впечатление, будто ток должен возникать автоматически. Однако в твёрдом кристалле ионы закреплены и не могут направленно двигаться; в расплаве или растворе они подвижны. Сравните состояния вещества и укажите, какие частицы переносят заряд.

Ошибка: объяснять твёрдость металла только прочностью связи. Так упускают из виду, что механические свойства зависят также от строения и возможности смещения частиц. Металлы могут быть пластичными: их слои деформируются, а металлическое взаимодействие сохраняется. Проверяя объяснение, не приравнивайте твёрдость к хрупкости и учитывайте подвижность общих электронов.

Связь с другими темами

Для понимания решёток нужны знания о строении атома и молекулы, а также о различии химической связи и межмолекулярного взаимодействия. Эта тема связывает типы химической связи со строением твёрдых веществ: можно объяснить, почему вещества с разными решётками по-разному проводят ток и сопротивляются деформации. Такой подход пригодится при изучении простых веществ, материалов и закономерностей изменения свойств веществ.

Что запомнить

• Свойства кристалла определяются частицами в узлах и взаимодействием между ними.
• Молекулярные кристаллы обычно имеют невысокие температуры плавления и не проводят электрический ток.
• Атомные кристаллы образованы сетью прочных ковалентных связей.
• Ионные кристаллы проводят ток в расплаве и растворе, но обычно не проводят его в твёрдом состоянии.
• Металлическую электропроводность обеспечивают подвижные обобществлённые электроны.
• По одному свойству не всегда можно надёжно определить тип решётки — нужно учитывать строение вещества.