§ 6. Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Кристаллические решётки

Определения и обозначения

Молекулярное строение вещества — такое строение, при котором его структурными частицами являются отдельные молекулы. Внутри каждой молекулы атомы соединены химическими связями, а между молекулами действуют другие, обычно более слабые взаимодействия. Это понятие помогает понять, почему свойства вещества зависят не только от состава молекулы, но и от того, как молекулы взаимодействуют друг с другом.

Немолекулярное строение вещества означает, что вещество образовано атомами или ионами, а не отдельными молекулами. Частицы могут быть связаны в общую структуру, которая продолжается во всём кристалле. Различение молекулярного и немолекулярного строения не позволяет ошибочно считать формулу вещества описанием отдельной молекулы.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. Места, которые занимают частицы, называют узлами решётки; в них могут находиться молекулы, атомы или ионы. Понятие узлов позволяет описывать регулярное строение кристалла, не представляя его как случайное скопление частиц.

Тип кристаллической решётки определяют по частицам в её узлах и характеру связи или взаимодействия между ними. Выделяют молекулярную, ионную, атомную и металлическую решётки. Такая классификация нужна, чтобы связывать устройство кристалла с его физическими свойствами.

Как это устроено

Любое вещество состоит из частиц, но эти частицы могут быть разными по уровню организации. В одних случаях самостоятельными структурными единицами служат молекулы, в других — атомы или ионы, объединённые в общую структуру. Поэтому одна лишь химическая формула не всегда говорит, существуют ли в веществе отдельные молекулы: для этого нужно учитывать характер его строения.

В молекулярном веществе атомы внутри молекулы удерживаются химическими связями, а сами молекулы притягиваются друг к другу межмолекулярным взаимодействием. Оно обычно слабее связей внутри молекулы, поэтому при плавлении или испарении часто расходуется энергия на разделение молекул, а не на разрушение их состава. Этим объясняются сравнительно невысокие температуры плавления многих молекулярных веществ и их нередко малая твёрдость.

В кристалле частицы располагаются упорядоченно, потому что между ними действуют силы притяжения и отталкивания, соответствующие устойчивому расположению. Такое повторяющееся расположение и образует решётку, а занимаемые частицами положения называют её узлами. Регулярность характерна для кристаллических твёрдых веществ; при нагревании движение частиц усиливается, и при плавлении упорядоченная структура разрушается.

В молекулярной решётке узлы занимают молекулы, между которыми действуют межмолекулярные силы. В ионной решётке находятся катионы и анионы, удерживаемые электростатическим притяжением. В атомной решётке атомы соединены прочными ковалентными связями, а в металлической — атомы или положительные ионы металла взаимодействуют с общими подвижными электронами. Именно сочетание частиц и связей отличает эти четыре типа.

Свойства кристалла зависят от того, насколько трудно сместить его частицы или разрушить связи. Ионные кристаллы обычно твёрдые, но хрупкие: при смещении слоёв рядом оказываются одноимённо заряженные ионы, которые отталкиваются. Прочные связи атомной решётки часто обеспечивают высокую твёрдость и температуру плавления, а слабое сцепление молекул — более низкие значения этих показателей. Металлы проводят ток благодаря подвижным электронам; твёрдые ионные кристаллы обычно не проводят его, поскольку ионы закреплены в узлах.

Строение веществ и свойства кристаллов

Чтобы определить тип решётки, сначала выясните, какие частицы образуют вещество, а затем — что удерживает их вместе. По этой таблице можно также объяснить ожидаемые свойства, но формулировки «часто» и «обычно» важны: у веществ одного типа бывают исключения. Например, графит имеет атомную решётку, но мягок и проводит электрический ток.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие частицы составляют вещества H₂O, NaCl и алмаз, и разделите вещества на молекулярные и немолекулярные. Нужно отличить формулу молекулы от записи состава кристалла. Для этого выясним, есть ли в веществе отдельные молекулы или его структура образована другими частицами.

1. В обычных условиях вода состоит из молекул H₂O, поэтому её строение молекулярное. Символы H₂O обозначают отдельную молекулу из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
2. В кристалле NaCl расположены ионы Na⁺ и Cl⁻, а запись NaCl показывает их соотношение. Отдельных молекул NaCl в решётке нет.
3. Алмаз образован атомами углерода, соединёнными ковалентными связями в общую структуру. Следовательно, он также имеет немолекулярное строение.

Ответ: H₂O — молекулярное вещество, его частицы — молекулы; NaCl — немолекулярное, его частицы — ионы; алмаз — немолекулярный, его структурные частицы — атомы углерода.

Задача 2. Для льда, поваренной соли, алмаза и железа укажите тип кристаллической решётки и частицы в её узлах. Начинайте с того, какие частицы образуют каждое вещество. Затем сопоставьте их с определением соответствующей решётки.

1. Лёд состоит из молекул H₂O, поэтому в узлах его молекулярной решётки расположены молекулы воды. Между ними действуют межмолекулярные взаимодействия.
2. Поваренная соль NaCl образует ионную решётку, узлы которой занимают ионы Na⁺ и Cl⁻. Их удерживает электростатическое притяжение.
3. Алмаз имеет атомную решётку: в узлах находятся атомы углерода, связанные ковалентно. Железо образует металлическую решётку с частицами металла и общими подвижными электронами.

Ответ: лёд — молекулярная решётка, молекулы H₂O; NaCl — ионная, ионы Na⁺ и Cl⁻; алмаз — атомная, атомы C; железо — металлическая, атомы или положительные ионы Fe в окружении подвижных электронов.

Задача 3. Сравните твёрдость, температуру плавления и электропроводность йода, поваренной соли и графита. Объясните различия типом строения, не предполагая, что все вещества одной группы ведут себя одинаково.

1. Йод имеет молекулярное строение: молекулы удерживаются друг возле друга сравнительно слабыми взаимодействиями. Поэтому кристалл сравнительно мягок, а температура плавления невысока; твёрдый йод ток обычно не проводит.
2. NaCl образует ионную решётку с сильным притяжением разноимённых ионов. Соль твёрдая и хрупкая, имеет высокую по сравнению с молекулярными кристаллами температуру плавления; в твёрдом состоянии ток не проводит.
3. Графит имеет атомную решётку, но его слоистое строение облегчает скольжение слоёв, поэтому он мягкий. Внутри слоёв есть подвижные электроны, что позволяет графиту проводить ток.

Ответ: йод мягкий, сравнительно легкоплавкий и не проводит ток; NaCl твёрдый, хрупкий, тугоплавкий и в твёрдом состоянии не проводит ток; графит мягкий и проводит ток. Свойства объясняются не одной формулой, а типом решётки и особенностями связей.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любое вещество состоит из молекул. Так рассуждают, потому что формулы часто воспринимают как обозначения отдельных частиц. Однако ионные и атомные кристаллы образуют общие структуры без отдельных молекул. Проверьте себя: спросите, есть ли в веществе самостоятельные молекулы или формула лишь показывает состав и соотношение частиц.

Ошибка: путать связь внутри молекулы с взаимодействием между молекулами. Причина — оба вида взаимодействия удерживают частицы, но действуют на разных уровнях. Химическая связь соединяет атомы внутри молекулы, а межмолекулярное взаимодействие притягивает разные молекулы; первое обычно прочнее. Чтобы не ошибиться, обозначьте, какие именно частицы соединены в рассматриваемом случае.

Ошибка: называть решётку NaCl молекулярной. Запись NaCl похожа на формулу молекулы, поэтому её принимают за отдельную частицу. В действительности это формульная единица, отражающая соотношение ионов в ионном кристалле. Проверка проста: установите, находятся ли в узлах кристалла молекулы или чередующиеся катионы и анионы.

Ошибка: считать, что все твёрдые вещества обладают одинаковыми свойствами. Такое впечатление может возникнуть, если учитывать только агрегатное состояние или внешний вид образца. Но твёрдость, хрупкость, плавление и электропроводность зависят от частиц и взаимодействий в решётке. Сверьте тип решётки и наличие подвижных заряженных частиц, прежде чем делать вывод о свойствах.

Связь с другими темами

Для понимания строения веществ нужно различать атом, молекулу и ион, а также знать, как образуются химические связи. Эти знания помогают объяснять, почему одни частицы образуют молекулы, а другие — общую кристаллическую структуру. Типы решёток связывают понятие химической связи с наблюдаемыми физическими свойствами и применением веществ.

Тема также связана с агрегатными состояниями: при плавлении кристалла меняется упорядоченное расположение частиц. Сравнение молекулярных, ионных, атомных и металлических структур дополняет изучение закономерностей изменения свойств веществ. Поэтому по строению можно обосновать, где и почему вещество используют.

Что запомнить

• Строение вещества определяется тем, какие частицы его образуют.
• В молекулярных веществах структурными частицами являются молекулы.
• В узлах немолекулярных кристаллов располагаются атомы или ионы.
• Различают молекулярные, ионные, атомные и металлические кристаллические решётки.
• Тип решётки зависит от частиц в её узлах и взаимодействий между ними.
• Физические свойства твёрдых веществ связаны с их строением.