§ 10. Твёрдые вещества

Определения и обозначения

Кристаллическое вещество — вещество, частицы которого закономерно и периодически расположены в пространстве. Иными словами, порядок повторяется на большом расстоянии, а не только между соседними частицами. Это определение помогает отличить кристалл от твёрдого вещества, которое лишь сохраняет форму.

Аморфное вещество — вещество, не имеющее дальнего порядка в расположении частиц и чёткой температуры плавления. Его частицы могут быть упорядочены лишь локально, в небольших областях. При нагревании такое вещество постепенно размягчается, поэтому его нельзя описать одной точной температурой плавления.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц кристаллического вещества. Частицы мысленно представляют в виде точек, или узлов решётки; в них находятся молекулы, атомы или ионы. Понятие решётки нужно, чтобы связать внутреннее строение кристалла с его свойствами.

Элементарная ячейка — наименьшая повторяющаяся часть кристаллической решётки. Если мысленно многократно повторить её в трёх измерениях, получится модель всего кристалла. Ячейка позволяет описывать сложный порядок компактно, не перечисляя положения каждой частицы.

Как это устроено

Частицы любого вещества движутся: чем выше температура, тем интенсивнее их тепловое движение. В твёрдом состоянии частицы обычно колеблются около определённых положений, потому что силы притяжения не дают им разлететься. Равновесие этих факторов сохраняет форму тела, хотя сами частицы не замирают.

В кристаллах частицы расположены периодически, поскольку взаимодействия между ними создают устойчивое повторяющееся устройство. Поэтому кристалл часто имеет геометрически правильную форму, если его росту ничто не мешало. Аморфное тело тоже может быть твёрдым, но в нём нет дальнего периодического порядка; из-за этого оно обычно размягчается в интервале температур, а не плавится в одной точке.

В разных направлениях кристалла частицы могут быть расположены неодинаково. Поэтому измеряемые свойства — например, прочность, теплопроводность или показатель преломления — иногда зависят от направления; это явление называется анизотропией. В аморфном веществе нет упорядоченных направлений на больших расстояниях, поэтому его свойства обычно одинаковы во всех направлениях, то есть оно изотропно.

Тип решётки определяют по частицам в её узлах и по взаимодействиям между ними. В молекулярной решётке узлы занимают молекулы; в атомной — атомы, соединённые в общую структуру; в ионной — положительные и отрицательные ионы. В металлической решётке находятся атомы и катионы металла, окружённые общими подвижными электронами.

Строение объясняет различия свойств: слабые взаимодействия между молекулами обычно легче преодолеть, чем прочные связи в атомной решётке, поэтому многие молекулярные вещества легкоплавки и летучи. Ионы в твёрдом кристалле прочно притягиваются, а сдвиг слоёв сближает одноимённо заряженные ионы и вызывает хрупкое разрушение. В металлах подвижные электроны переносят заряд, а в растворе или расплаве соли его переносят подвижные ионы; поэтому проводимость зависит не только от наличия заряда, но и от возможности частиц двигаться.

Типы кристаллических решёток и свойства веществ

Таблица показывает типичные тенденции, а не правило без исключений: например, растворимость и температура плавления зависят от конкретного вещества. Сначала найдите частицы в узлах, затем сопоставьте проводимость, твёрдость и плавление. Для вывода о типе решётки используйте несколько признаков сразу.

Разбор задач

Задача 1. Распределите вещества I₂, NaCl, алмаз и Cu по типам кристаллических решёток и назовите частицы в узлах каждой решётки. Начинать следует не с внешнего вида вещества, а с того, какие частицы образуют его состав и как они взаимодействуют. После этого тип решётки определяется по частицам в узлах.

1. В I₂ частицы вещества — двухатомные молекулы йода. Следовательно, узлы заняты молекулами, а решётка молекулярная.
2. NaCl состоит из ионов Na⁺ и Cl⁻. В узлах расположены эти ионы, поэтому решётка ионная; отдельные молекулы NaCl в кристалле не выделяют.
3. Алмаз построен из атомов углерода, связанных в пространственную структуру, значит, решётка атомная. Cu — металл: его решётку образуют атомы и катионы металла среди общих подвижных электронов, значит, она металлическая.

Ответ: I₂ — молекулярная, узлы содержат молекулы I₂; NaCl — ионная, узлы содержат Na⁺ и Cl⁻; алмаз — атомная, узлы содержат атомы C; Cu — металлическая, в узлах находятся частицы металла, а между ними — общие электроны. Так мы опираемся на состав, а не угадываем тип решётки по одному свойству. Особенно важно не называть кристалл NaCl молекулярным.

Задача 2. Объясните, почему поваренная соль твёрдая и хрупкая, имеет высокую температуру плавления и проводит электрический ток только в расплаве или растворе. Чтобы ответить, нужно связать каждое наблюдение с устройством ионного кристалла. Его частицы — ионы противоположных зарядов, упорядоченно расположенные в решётке.

1. Притяжение между разноимёнными ионами удерживает их в определённых положениях. Поэтому кристалл сохраняет форму и твёрд.
2. При сдвиге слоёв решётки рядом оказываются одноимённо заряженные ионы. Они отталкиваются, и кристалл раскалывается, поэтому соль хрупкая.
3. Чтобы расплавить соль, нужно преодолеть сильное притяжение ионов, поэтому температура плавления высокая. В твёрдом кристалле ионы неподвижны относительно направленного переноса заряда, а в расплаве и растворе они перемещаются и проводят ток.

Ответ: свойства NaCl объясняются ионной решёткой и подвижностью частиц в разных состояниях. Твёрдость и высокая температура плавления связаны с притяжением ионов, хрупкость — с отталкиванием при сдвиге слоёв. Электропроводность появляется, когда ионы могут двигаться в расплаве или растворе.

Задача 3. Вещество бесцветное, легко испаряется, имеет низкую температуру плавления и не проводит электрический ток. Определите наиболее вероятный тип его кристаллической решётки и обоснуйте ответ. Данные описывают несколько свойств сразу, поэтому их нужно рассматривать вместе, а не искать один решающий признак. Также предполагается, что речь идёт о веществе в кристаллическом состоянии.

1. Низкая температура плавления и лёгкое испарение указывают на слабое взаимодействие между частицами в твёрдом веществе. Для молекулярных кристаллов это характерная картина.
2. Отсутствие электропроводности согласуется с тем, что молекулы не несут свободных зарядов и не перемещаются как ионы или электроны. Это отличает такой случай от металлов и проводящих ионных расплавов.
3. Сопоставляем все признаки: они лучше всего подходят молекулярной решётке. Бесцветность сама по себе тип решётки не определяет, поэтому решающими были летучесть, низкая температура плавления и отсутствие проводимости.

Ответ: наиболее вероятна молекулярная кристаллическая решётка. Её узлы заняты молекулами, между которыми действуют сравнительно слабые силы притяжения. Вывод вероятностный: для точного определения могут понадобиться дополнительные сведения о составе вещества.

Типичные ошибки

• Неверно считать всякое твёрдое вещество кристаллическим: стекло, многие пластмассы и смолы относятся к аморфным. Ошибку допускают, потому что обычно связывают твёрдость тела с упорядоченным строением. Проверь себя: спроси, есть ли у вещества дальний периодический порядок и чёткая температура плавления.

• Тип решётки не равен виду химической связи, поэтому называть NaCl молекулярным веществом неправильно. Путаница возникает из-за записи состава формулой NaCl, похожей на формулу молекулы. Проверь себя: в кристалле соли узлы заняты ионами Na⁺ и Cl⁻, а решётка называется ионной.

• Неверно утверждать, что все кристаллические вещества проводят ток: наличие заряженных частиц ещё не означает, что они могут двигаться. Такую ошибку допускают, смешивая заряд частиц и их подвижность. Проверь себя: выясни, есть ли в веществе подвижные электроны либо свободно перемещающиеся ионы.

• Не каждое твёрдое вещество плавится при строго заданной температуре: аморфное обычно размягчается постепенно. Заблуждение появляется, когда свойства кристаллов переносят на все твёрдые тела. Проверь себя: уточни, кристаллическое ли вещество перед тем, как говорить о точке плавления.

Связь с другими темами

Для понимания решёток нужны знания о строении атома, иона и молекулы, видах химической связи и понятии вещества. Позже эти представления помогают объяснять свойства металлов, солей, минералов, полимеров и других материалов. В практике по строению и свойствам выбирают материалы для деталей и покрытий, учитывая твёрдость, прочность, электропроводность, температуру плавления и термостойкость. Поэтому тема связывает микроскопическое устройство вещества с выбором материала для конкретной задачи.

Что запомнить

• Твёрдое состояние характеризуется малой подвижностью частиц и сохранением формы.
• Кристаллические вещества имеют дальний порядок в расположении частиц.
• Аморфные вещества не имеют правильной периодической кристаллической решётки.
• Различают молекулярную, атомную, ионную и металлическую кристаллические решётки.
• Свойства вещества определяются частицами в узлах решётки и силами взаимодействия между ними.
• Ионные расплавы и растворы электропроводны благодаря движению ионов.
• Металлы проводят электрический ток в твёрдом состоянии благодаря подвижным электронам.