Глава первая. Строение вещества

Определения и обозначения

Атом — электронейтральная частица, состоящая из ядра и электронной оболочки. В ядре находятся протоны и нейтроны, а электроны образуют оболочку. Именно атомы являются исходными частицами, из которых складываются молекулы, ионы и кристаллические структуры.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из двух или более связанных атомов, например молекула H₂O. В отличие от отдельного атома молекула имеет определённый состав и строение, а от иона отличается отсутствием общего электрического заряда.

Химическая связь — взаимодействие, удерживающее частицы в составе вещества. Выделяют ковалентную, ионную и металлическую связи. Знание типа связи позволяет объяснить, почему частицы не распадаются самопроизвольно и почему вещество обладает определёнными свойствами.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристалле. В узлах решётки могут находиться молекулы, атомы или ионы, поэтому различают молекулярные, атомные, ионные и металлические решётки. Тип решётки помогает связать микроскопическое строение с твёрдостью, температурой плавления и электропроводностью вещества.

Как это устроено

Состав атома и распределение электронов по уровням определяют его способность вступать в связи, потому что именно внешние электроны участвуют во взаимодействии. Если внешний уровень заполнен не полностью, атом может отдавать, принимать или обобществлять электроны. Число таких электронов и сила их притяжения к ядру влияют на валентность и электроотрицательность элемента.

Атомы объединяются в молекулы, ионы или кристаллические структуры, поскольку связанное состояние часто имеет меньшую энергию и большую устойчивость. При этом частицы стремятся получить более устойчивую электронную конфигурацию, но достигают её разными способами. Одни атомы образуют общие электронные пары, другие переходят в заряженное состояние, а металлы создают коллектив общих подвижных электронов.

Ковалентная связь возникает, когда атомы совместно используют одну или несколько электронных пар. При близкой электроотрицательности электронная пара распределяется примерно поровну, а при заметной разнице смещается к более электроотрицательному атому. Ионная связь формируется после перехода электронов и электростатического притяжения катионов и анионов, тогда как металлическая связь удерживает положительные ионы металла общими электронами.

Одинаковый химический состав не гарантирует одинаковые свойства, потому что атомы могут соединяться и располагаться по-разному. Так возникают аллотропные формы: например, алмаз и графит состоят только из углерода, но имеют разные структуры. В одной структуре связи образуют прочную пространственную сеть, а в другой слои с более слабым взаимодействием между ними.

Микроуровень объясняет макроскопические свойства вещества. Свободно движущиеся электроны обеспечивают проводимость металлов, а неподвижные ионы в твёрдом NaCl не переносят заряд. Прочность связей влияет на твёрдость и температуру плавления, строение частиц — на растворимость, а характер движения частиц — на агрегатное состояние.

Строение веществ и характерные свойства

В таблице сначала определите, какие частицы образуют вещество, затем сопоставьте их со связью и решёткой. По последнему столбцу можно сделать предварительный прогноз физических свойств, но для точного вывода нужно учитывать условия: твёрдое состояние, расплав или раствор.

Разбор задач

Задача 1. Частицы и структурный тип

Определим, какие частицы входят в состав воды, хлорида натрия и железа. Формулы подсказывают состав, но окончательный вывод делаем по характеру вещества и его строению.

1. Вода H₂O состоит из отдельных молекул, в каждой из которых два атома водорода связаны с атомом кислорода ковалентными связями.
2. NaCl образован катионами Na⁺ и анионами Cl⁻, расположенными в ионной кристаллической решётке, поэтому отдельных молекул хлорида натрия в кристалле нет.
3. Железо представляет металлическое вещество: его структуру образуют частицы металла, удерживаемые металлической связью.

Ответ: вода — молекулярное вещество; хлорид натрия — ионное; железо — металлическое.

Задача 2. Связь и электропроводность

Для NaCl, H₂O, SiO₂ и Cu определим тип связи и проверим, есть ли в веществе подвижные носители заряда.

1. NaCl имеет ионную решётку: в твёрдом состоянии ионы закреплены, а в расплаве становятся подвижными. Значит, кристалл ток не проводит, расплав проводит.
2. В H₂O связи внутри молекул ковалентные, но молекулярное вещество не содержит свободных заряженных частиц в чистом виде. Поэтому чистая вода проводит ток очень слабо и в твёрдом или жидком состоянии не считается хорошим проводником.
3. В SiO₂ атомы соединены прочной ковалентной сетью. Подвижных электронов или ионов нет, поэтому вещество практически не проводит ток ни в твёрдом, ни в расплавленном состоянии.
4. Cu обладает металлической связью и свободными электронами. Он проводит электрический ток и в твёрдом состоянии, и после плавления.

Ответ: NaCl проводит ток только в расплаве, H₂O — очень слабо, SiO₂ практически не проводит, Cu проводит в обоих состояниях.

Задача 3. Алмаз и графит

Обе формы состоят из атомов углерода, но их пространственное строение различается. В алмазе каждый атом связан с четырьмя соседями прочной трёхмерной ковалентной сетью, поэтому он очень твёрдый и не имеет свободных электронов. В графите атом каждого слоя связан с тремя соседями, а часть электронов может перемещаться вдоль слоёв; слабое взаимодействие между слоями облегчает их смещение.

Ответ: алмаз твёрже и почти не проводит ток, а графит мягче и проводит электричество. Причина различий — не состав, а разные структуры и распределение связей.

Типичные ошибки

Считать молекулой любую частицу вещества. Ион и отдельный атом могут быть структурными частицами, но молекулой называют именно совокупность связанных атомов, сохраняющую свойства вещества. Проверьте, есть ли у частицы молекулярное строение и общий заряд.

Определять тип связи только по агрегатному состоянию. Твёрдое, жидкое или газообразное состояние не указывает связь однозначно: твёрдыми бывают и металлы, и ионные, и молекулярные вещества. Сначала установите состав частиц и их электронное взаимодействие.

Путать связь внутри молекулы с силами между молекулами. Ковалентная связь соединяет атомы внутри H₂O, а взаимодействия между молекулами слабее и влияют, например, на кипение. При анализе уточняйте, какие именно частицы рассматриваются.

Переносить свойства по сходству формулы. Одинаковые атомы могут образовать разные структуры, как углерод в алмазе и графите. Сверьте не только состав, но и тип решётки, число связей и наличие подвижных частиц.

Связь с другими темами

Для темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках, периодической системе и электроотрицательности: они помогают предсказывать тип связи. Эти представления используются при изучении химических реакций, неорганических и органических веществ, материалов и нанотехнологий. Связь с физикой проявляется в объяснении агрегатных состояний, электрической и тепловой проводимости, твёрдости и других механических свойств.

Что запомнить

• Свойства вещества зависят не только от его состава, но и от строения.
• Атом состоит из ядра и электронной оболочки.
• Молекула сохраняет химические свойства вещества.
• Химическая связь удерживает частицы в составе вещества.
• Основные типы химической связи — ковалентная, ионная и металлическая.
• Тип кристаллической решётки определяет многие физические свойства вещества.
• Изменение строения частиц может изменить свойства при сохранении химического состава.