§ 10. Твёрдые вещества

Определения и обозначения

Твёрдое вещество — агрегатное состояние, в котором частицы расположены близко и совершают колебания около определённых положений. Они не перемещаются по всему объёму, поэтому вещество сохраняет форму и объём. Это определение связывает наблюдаемые свойства с движением частиц.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в узлах пространственной структуры твёрдого вещества. Узлы — условные точки, в которых находятся атомы, молекулы или ионы. Понятие решётки помогает объяснить, почему разные вещества имеют неодинаковые свойства.

Аморфное вещество — твёрдое вещество, не имеющее дальнего порядка в расположении частиц и чёткой температуры плавления. При нагревании оно обычно постепенно размягчается, а не переходит в жидкость в одной точке. К аморфным веществам относятся, например, стекло и многие пластмассы.

Тип кристаллической решётки — характеристика вещества, определяемая частицами в узлах решётки и взаимодействиями между ними. Выделяют атомные, молекулярные, ионные и металлические решётки. Их различие позволяет заранее предположить твёрдость, электропроводность и температуру плавления вещества.

Как это устроено

Твёрдые вещества сохраняют форму и объём, потому что частицы удерживаются силами взаимодействия в устойчивых положениях. Энергии обычного теплового движения недостаточно, чтобы разорвать эти связи и переместить частицы далеко друг от друга. Поэтому при нагревании частицы колеблются сильнее, но до плавления сохраняют общий порядок или близкое расположение.

В кристаллическом веществе частицы образуют дальний порядок: закономерное расположение повторяется на больших расстояниях. Такой кристалл обычно имеет определённую температуру плавления, поскольку при достижении нужной энергии его структура разрушается. В аморфном веществе дальнего порядка нет, поэтому разные участки размягчаются постепенно и плавление происходит в интервале температур.

Кристаллы и аморфные тела отличаются также характером разрушения. Кристалл может раскалываться по определённым плоскостям, где разрушение структуры энергетически легче. Аморфное тело не имеет единой регулярной системы таких плоскостей, поэтому обычно разрушается более неравномерно.

Частицы в узлах решётки определяют, какие связи действуют внутри вещества. В алмазе атомы углерода соединены прочными ковалентными связями, в хлориде натрия чередуются ионы, а в йоде удерживаются отдельные молекулы I₂. Поэтому внешне одинаковое твёрдое состояние не означает одинаковых твёрдости, плавкости или проводимости.

Сила и характер взаимодействия объясняют основные физические свойства. Прочные связи повышают твёрдость и температуру плавления, а слабые взаимодействия делают вещество более летучим и легкоплавким. Растворимость зависит от того, насколько частицы растворителя способны ослабить связи в исходном веществе, а электропроводность появляется при наличии подвижных заряженных частиц.

Типы кристаллических решёток и свойства веществ

Сначала определите частицы в узлах, а затем рассмотрите связь между ними. После этого свойства из последнего столбца можно использовать как проверку вывода. Одно свойство не всегда достаточно, поэтому надёжнее учитывать их совокупность.

Разбор задач

Задача 1

Определите тип кристаллической решётки алмаза, льда, хлорида натрия и железа. Нужно не угадывать по внешнему виду, а установить частицы, образующие структуру каждого вещества. Затем сопоставьте их с четырьмя типами решёток.

1. В алмазе атомы углерода соединены в единую пространственную сеть ковалентными связями. Это атомная решётка.
2. Лёд состоит из молекул H₂O, между которыми действуют межмолекулярные взаимодействия. Это молекулярная решётка.
3. В кристалле NaCl чередуются катионы Na⁺ и анионы Cl⁻. Это ионная решётка.
4. В железе частицы металла удерживаются металлической связью при участии общих электронов. Это металлическая решётка.

Ответ: алмаз — атомная, лёд — молекулярная, хлорид натрия — ионная, железо — металлическая решётка.

Задача 2

Сравните йод, кварц и хлорид натрия по температуре плавления, твёрдости и электропроводности. Для объяснения нужно связать свойства не с названием вещества, а с типом его решётки. Сначала установим этот тип, затем сравним взаимодействия.

1. Йод имеет молекулярную решётку: молекулы I₂ удерживаются сравнительно слабыми силами. Поэтому он легче плавится, может возгоняться и электрический ток не проводит.
2. Кварц имеет атомную решётку с прочными ковалентными связями. Он очень твёрдый, плавится при высокой температуре и не проводит ток из-за отсутствия свободных носителей заряда.
3. Хлорид натрия образует ионную решётку. Сильное притяжение ионов обеспечивает высокую температуру плавления и твёрдость, но кристалл хрупок; в твёрдом состоянии ток не проводится.

Ответ: йод наиболее легкоплавок и мягок, кварц наиболее твёрд, а NaCl при плавлении или растворении получает ионную проводимость.

Задача 3

Вещество твёрдое, имеет высокую температуру плавления, не проводит ток в твёрдом состоянии, но проводит его в расплаве. Требуется определить тип решётки и обосновать вывод по совокупности признаков. Сравним эти признаки с характерными свойствами решёток.

1. Высокая температура плавления указывает на сильное взаимодействие между частицами.
2. Отсутствие проводимости в кристалле означает, что заряженные частицы закреплены и не могут направленно двигаться.
3. Проводимость расплава показывает, что после разрушения решётки заряженные частицы становятся подвижными.
4. Этой совокупности соответствует ионная решётка: в твёрдом веществе ионы неподвижны, а в расплаве свободно перемещаются.

Ответ: вещество имеет ионную кристаллическую решётку.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что все твёрдые вещества имеют кристаллическую решётку. Так думают, потому что в школьных примерах часто рассматривают кристаллы. Проверка простая: выясните, есть ли дальний порядок и чёткая температура плавления; у аморфных веществ их нет.

Ошибка 2. Путать частицы в узлах решётки: принимать молекулы за ионы или атомы. Причина — частицы слишком малы и не видны непосредственно. Сначала запишите состав вещества и тип связи, затем определите, сохраняются ли отдельные молекулы.

Ошибка 3. Утверждать, что ионные вещества проводят ток в твёрдом состоянии. Ионы в кристалле действительно заряжены, но закреплены в узлах и не перемещаются направленно. Проверьте условие проводимости: расплав или раствор должен содержать подвижные ионы.

Ошибка 4. Объяснять высокую температуру плавления только тем, что вещество твёрдое. Агрегатное состояние описывает результат, а не причину. Нужно указать силу связи между частицами: чем она больше, тем больше энергии требуется для разрушения решётки.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, образовании ионной и ковалентной связей, металлической связи и агрегатных состояниях. Именно эти сведения позволяют определить частицы в узлах и характер их взаимодействия.

Кристаллические решётки помогают объяснять физические свойства веществ: растворимость, электропроводность и выбор материалов для разных задач. Особенно полезно различать проводимость металлов, расплавов и растворов.

Дальше эти знания понадобятся при изучении полиморфизма, сплавов и материаловедения. Разные формы одного вещества или составы сплавов могут иметь различное строение и поэтому разные свойства.

Что запомнить

• В твёрдом веществе частицы совершают колебательные движения около определённых положений.
• Кристаллические вещества имеют упорядоченное строение и определённую температуру плавления.
• Аморфные вещества не имеют дальнего порядка и размягчаются в интервале температур.
• Тип решётки определяется частицами в её узлах.
• Различают атомные, молекулярные, ионные и металлические решётки.
• Строение решётки определяет основные физические свойства вещества.
• Ионные вещества проводят ток в расплавах и растворах, а металлы — в твёрдом состоянии.