"Химия (базовый уровень)", Минченков Е.Е., Журин А.А., Оржековский П.А.
Ионные, молекулярные, атомные и металлические вещества различаются частицами в узлах кристаллической решётки и силами, которые удерживают эти частицы. От строения зависят твёрдость, температуры плавления, хрупкость и способность проводить ток. Сравнивая свойства, можно предположить тип решётки и понять поведение вещества при нагревании или растворении. Но одного признака часто недостаточно: нужно учитывать их совокупность и помнить об исключениях, например о графите.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ионное вещество состоит из положительных и отрицательных ионов, связанных электростатическим притяжением. Ионы — это частицы с электрическим зарядом, возникшие при отдаче или присоединении электронов. Притяжение разноимённых зарядов удерживает их вместе в кристалле. Это определение помогает объяснить строение солей и их поведение при растворении и плавлении.
Молекулярное вещество состоит из молекул, расположенных в узлах кристаллической решётки, а между молекулами действуют межмолекулярные силы. Молекула сохраняет состав и связи между своими атомами, даже когда вещество образует кристалл. Силы между молекулами обычно слабее химических связей внутри них. Различие важно, чтобы понимать, что именно разрушается при плавлении такого вещества.
Атомное вещество образовано атомами, соединёнными в единую прочную ковалентную сеть. Ковалентная связь возникает благодаря общим электронным парам, а не притяжению отдельных молекул друг к другу. Поэтому границы между отдельными молекулами в такой решётке обычно нет. Такое представление позволяет объяснить прочность многих атомных кристаллов.
Металлическое вещество состоит из положительных ионов металла, связанных с общими подвижными электронами. Эти электроны не принадлежат только одной паре атомов и могут перемещаться по всему кристаллу. Притяжение электронов к положительным ионам удерживает решётку вместе. Такое описание объясняет характерные свойства металлов, в том числе их способность проводить ток.
Кристаллическую решётку можно представить как упорядоченное расположение частиц в узлах. В разных веществах в этих узлах находятся ионы, молекулы, атомы или положительные ионы металла с общими электронами. Между частицами действуют силы разной природы и силы, различающиеся по величине. Именно устройство решётки и характер взаимодействий определяют, насколько легко вещество деформировать, расплавить или заставить проводить ток.
Ионные кристаллы обычно твёрдые, потому что противоположно заряженные ионы притягиваются в разных направлениях. При сдвиге слоёв рядом могут оказаться одноимённо заряженные ионы, и их отталкивание раскалывает кристалл: поэтому он хрупкий. Чтобы расплавить такую решётку, нужно ослабить сильное притяжение ионов, поэтому температуры плавления обычно высоки. В твёрдом состоянии ионы закреплены, а в расплаве или растворе могут двигаться и переносить заряд.
В молекулярном кристалле при плавлении обычно преодолеваются силы между молекулами, а не связи между атомами внутри них. Межмолекулярные взаимодействия часто сравнительно слабы, поэтому многие такие вещества плавятся и кипят при невысокой температуре и легко испаряются. При испарении молекулы покидают жидкость, оставаясь молекулами, а при плавлении теряется упорядоченное расположение кристалла. Электропроводность обычно низкая, поскольку в молекулярном веществе нет свободных ионов или электронов, которые могли бы переносить заряд.
В атомном кристалле атомы соединены в сеть ковалентных связей, поэтому для плавления или разрушения многих таких веществ приходится нарушать многочисленные прочные связи. Этим объясняются высокая твёрдость и высокие температуры плавления ряда атомных веществ. Однако строение атомных кристаллов может различаться, поэтому нельзя считать их свойства одинаковыми. Алмаз очень твёрдый и не проводит ток, а графит состоит из слоёв и проводит электричество благодаря подвижным электронам внутри них.
В металлах общие электроны могут перемещаться по кристаллу, поэтому при приложении напряжения они переносят заряд и возникает электрический ток. Электроны также быстро передают энергию от нагретых участков к холодным, что обеспечивает теплопроводность. Взаимодействие электронов со светом придаёт металлам характерный блеск. При сдвиге слоёв положительных ионов электронная система продолжает удерживать структуру, поэтому металлы обычно можно прокатывать и вытягивать, не разрушая кристалл сразу.
| Свойство | Ионные | Молекулярные | Атомные | Металлические |
|---|---|---|---|---|
| Частицы в узлах кристаллической решётки | Катионы и анионы | Молекулы | Атомы | Положительные ионы металла |
| Тип взаимодействия между частицами | Электростатическое притяжение ионов | Межмолекулярные силы | Ковалентные связи в общей сети | Притяжение ионов к общим подвижным электронам |
| Температуры плавления и кипения | Обычно высокие | Часто низкие | Обычно высокие, но есть исключения | Различаются, часто высокие |
| Твёрдость и хрупкость | Твёрдые, хрупкие | Часто мягкие | Часто твёрдые и прочные; графит мягкий | Обычно пластичные, твёрдость различается |
| Электропроводность в твёрдом состоянии | Обычно не проводят | Обычно не проводят | Обычно не проводят; графит проводит | Проводят |
| Электропроводность расплава или раствора | Расплавы и растворы проводят, если ионы подвижны | Обычно не проводят | Обычно не проводят | Расплавы проводят; растворы обычно не рассматривают |
| Примеры веществ | NaCl, KI | I₂, H₂O (лёд) | Алмаз, графит | Fe, Cu |
Таблица показывает типичные, а не абсолютно обязательные свойства: у каждого класса есть исключения. Сначала определите частицы в узлах решётки и взаимодействия между ними, затем сопоставьте с наблюдаемыми свойствами. Электропроводность всегда оценивайте для указанного состояния вещества.
Условие. Сравните температуры плавления йодида калия и йода и объясните различие строением их кристаллов. Для ответа нужно определить, какие частицы образуют каждый кристалл и какие силы удерживают их вместе. Численные значения температур для вывода не требуются: достаточно сравнить характер взаимодействий.
Ответ. Температура плавления KI значительно выше, чем у йода. Причина — ионная решётка йодида калия и более слабые межмолекулярные взаимодействия в кристалле I₂. При плавлении йода сами молекулы I₂ обычно сохраняются.
Условие. Укажите, проводит ли NaCl электрический ток в твёрдом, расплавленном или растворённом в воде состоянии. Нужно рассмотреть каждое состояние отдельно, потому что состав частиц может быть похожим, а возможность их перемещения — разной. Проводником служит не просто вещество с зарядами, а вещество с подвижными носителями заряда.
Ответ. Твёрдый хлорид натрия ток не проводит, а расплав и водный раствор проводят. Проверка рассуждения проста: в каждом состоянии нужно выяснить, могут ли заряженные ионы свободно двигаться. Если они неподвижны, переносить заряд не получается.
Условие. Вещество имеет высокую температуру плавления, твёрдое и не проводит электрический ток. Предположите тип его кристаллической решётки и объясните, почему вывод не всегда однозначен. Набор признаков нужно использовать вместе, не превращая его в безошибочное правило.
Ответ. По указанным признакам можно предположить ионную или атомную решётку, но однозначно выбрать одну нельзя. Для точного вывода нужны дополнительные сведения о частицах, растворимости и проводимости расплава или раствора. Исключения и сходство свойств не позволяют определять тип решётки только по температуре плавления.
Ошибка — считать, что ионное вещество проводит ток в любом состоянии. Её допускают, потому что в составе такого вещества есть заряженные ионы, но одного заряда недостаточно: частицы должны перемещаться. Проверяйте состояние вещества: в твёрдой решётке ионы закреплены, а в расплаве и растворе подвижны.
Ошибка — путать молекулярный и атомный кристаллы, считая их частицами соответственно молекулы и отдельные атомы без учёта связей. Причина путаницы в том, что оба вещества могут быть образованы неметаллами. Проверьте, существуют ли отдельные молекулы: если в узлах расположены молекулы, кристалл молекулярный, а если атомы соединены общей сетью — атомный.
Ошибка — объяснять низкую температуру плавления молекулярного вещества слабостью связей внутри его молекул. Такое объяснение появляется, когда смешивают химические связи внутри молекулы и силы между молекулами. При плавлении обычно нарушаются именно межмолекулярные взаимодействия, поэтому проверьте, сохраняются ли сами молекулы после перехода в жидкость.
Ошибка — утверждать, что все атомные вещества одинаково твёрды и не проводят ток. Так обобщают свойства алмаза, не учитывая, что атомы могут быть расположены и связаны по-разному. Сопоставьте примеры: графит мягче алмаза и проводит электричество благодаря подвижным электронам в слоях.
Для понимания темы нужны знания о типах химической связи, кристаллической решётке и различиях между атомами, молекулами и ионами. Эти понятия позволяют определить частицы в узлах и представить взаимодействия между ними. Без этого трудно объяснить, почему внешне похожие твёрдые вещества по-разному плавятся и проводят ток.
Эти знания пригодятся при изучении электролитов, металлов и неметаллов, а также при выборе материалов для разных задач. По строению можно объяснить, почему растворы солей проводят ток, металлы используют для проводов, а некоторые вещества подходят для твёрдых покрытий. Сопоставление свойств помогает делать выводы о строении вещества, но требует учёта исключений.
Почему твёрдый хлорид натрия не проводит электрический ток?
В кристалле NaCl ионы натрия и хлора закреплены в узлах решётки. Они не могут перемещаться по веществу и переносить заряд. При плавлении или растворении подвижность ионов появляется.
Почему раствор соли проводит ток, а раствор сахара обычно нет?
При растворении соль распадается на подвижные положительные и отрицательные ионы, которые переносят заряд. Сахар растворяется в виде нейтральных молекул, поэтому в обычном растворе нет достаточного количества подвижных заряженных частиц.
Почему молекулярные вещества часто плавятся при сравнительно низкой температуре?
При плавлении молекулярного кристалла обычно преодолеваются силы притяжения между молекулами. Ковалентные связи внутри самих молекул сохраняются. Межмолекулярные взаимодействия часто слабее связей в ионных и атомных кристаллах.
Почему графит проводит электрический ток, хотя состоит из атомов углерода?
В графите атомы углерода образуют слои, а часть электронов может перемещаться внутри слоя. Эти подвижные электроны переносят электрический заряд. Поэтому графит отличается от алмаза, где электроны участвуют в прочных связях между атомами.
Можно ли точно определить тип химической связи только по температуре плавления?
Нет: температуры плавления разных типов веществ могут перекрываться, а на них влияют строение и состав. Высокая температура плавления встречается, например, у ионных и многих атомных кристаллов. Надёжнее учитывать сразу несколько свойств и возможные исключения.
§ 6. Свойства веществ с разными типами связей
