§ 55. Твёрдые вещества

Определения и обозначения

Твёрдое состояние вещества — состояние, в котором частицы расположены близко и сохраняют устойчивое положение, хотя могут колебаться. Взаимодействия не дают им свободно разлетаться или перемещаться по всему телу. Это объясняет, почему твёрдые тела обычно сохраняют форму и объём.

Кристаллическое вещество — твёрдое вещество, частицы которого упорядоченно расположены и образуют кристаллическую решётку. Такая упорядоченность повторяется в разных частях кристалла. Понятие помогает связывать внутреннее строение вещества с его внешними свойствами.

Аморфное вещество — твёрдое вещество, в котором нет дальнего упорядоченного расположения частиц. Соседние частицы могут быть расположены закономерно, но такой порядок не повторяется на больших расстояниях. Это понятие помогает отличить аморфные тела от кристаллов.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в кристалле. В её узлах, то есть характерных местах расположения частиц, могут находиться атомы, ионы или молекулы; различают также связи и взаимодействия между ними. По этим признакам определяют тип решётки и объясняют свойства вещества.

Как это устроено

В твёрдом веществе частицы расположены близко, поэтому при попытке сдвинуть их приходится преодолевать взаимное притяжение или отталкивание. В результате частицы удерживаются около устойчивых положений, а не разлетаются и не перемещаются на большие расстояния. Тепловое движение сохраняется: оно проявляется как колебания частиц. Поэтому твёрдое тело устойчиво сохраняет форму и объём, хотя при нагревании его частицы колеблются сильнее.

В кристалле положения частиц не случайны: порядок повторяется в пространстве, как рисунок из одинаковых ячеек. Места, где располагаются частицы, называют узлами решётки. В узлах могут находиться отдельные атомы, целые молекулы или положительные и отрицательные ионы. Повторяющийся порядок помогает объяснить, почему многие кристаллы имеют ровные грани и определённые направления, вдоль которых их свойства могут различаться.

У кристаллических веществ частицы упорядочены, а у аморфных дальнего порядка нет, поэтому нагревание проявляется по-разному. Кристалл обычно плавится при определённой температуре: при дальнейшем подводе тепла его упорядоченная структура разрушается. Аморфное тело чаще постепенно размягчается в некотором интервале температур, потому что у него нет единой кристаллической структуры, которая плавилась бы сразу. По этому признаку можно сравнить два твёрдых вещества, не полагаясь только на их внешний вид.

Решётка влияет на свойства через прочность взаимодействий и возможность движения частиц. Если частицы связаны прочно, вещество обычно твёрдое и имеет высокую температуру плавления; если удерживаются слабее, плавление может происходить при более низкой температуре. Разрушение упорядоченной структуры по плоскостям может приводить к хрупкости, тогда как подвижные частицы или электроны позволяют переносить заряд. Поэтому твёрдость, хрупкость, температура плавления и электропроводность связаны со строением, но их нельзя определять по одному признаку.

Кристаллические вещества делят на атомные, молекулярные, ионные и металлические, потому что в узлах у них находятся разные частицы и действуют разные взаимодействия. В атомной решётке атомы связаны прочными связями, в молекулярной узлы занимают молекулы, в ионной — ионы. В металлической решётке частицы металла удерживаются вместе с помощью общих подвижных электронов. Такая классификация позволяет объяснять свойства вещества через его строение, а не только заучивать названия и примеры.

Типы кристаллических решёток и свойства веществ

В таблице тип решётки определяется прежде всего частицами в узлах и способом их взаимодействия. Свойства указаны как характерные, а не как безусловные правила для каждого вещества. Сравнивайте вместе состав узлов, связи и свойства, чтобы понять, почему вещество ведёт себя именно так.

Разбор задач

Задача 1. Распределите лёд, поваренную соль, алмаз и железо по типам кристаллических решёток. Чтобы не угадывать по внешнему виду, нужно определить, какие частицы образуют узлы каждого кристалла. Затем соотносим их с четырьмя типами решёток.

1. Лёд состоит из молекул воды, поэтому у него молекулярная решётка.
2. Поваренная соль построена из положительных и отрицательных ионов, значит, решётка ионная.
3. В алмазе атомы углерода связаны в единую прочную структуру, поэтому решётка атомная.
4. Железо относится к металлам, для него характерна металлическая решётка.

Ответ: лёд — молекулярная, поваренная соль — ионная, алмаз — атомная, железо — металлическая решётка. Здесь решающим оказался состав узлов, а не то, что все четыре образца твёрдые. У железа и алмаза частицы в решётке связаны иначе, поэтому их свойства тоже различаются.

Задача 2. Сравните твёрдость и температуру плавления сахара и поваренной соли, объяснив различия строением. Сахар состоит из молекул, а соль — из ионов, которые удерживаются электростатическим притяжением. Сравним прочность взаимодействий, не делая вывод только по тому, что оба вещества выглядят как кристаллы.

1. У сахара молекулы удерживаются друг около друга сравнительно слабыми взаимодействиями.
2. У соли разноимённые ионы притягиваются, образуя прочную ионную решётку.
3. Поэтому соль обычно твёрже и имеет более высокую температуру плавления, чем сахар.

Ответ: поваренная соль обычно твёрже сахара и плавится при более высокой температуре из-за прочной ионной решётки. Сахарная молекулярная решётка разрушается при нагревании легче. Следовательно, сравнение строения даёт объяснение наблюдаемым свойствам.

Задача 3. Вещество твёрдое, хрупкое, имеет высокую температуру плавления, а его расплав проводит электрический ток. Предположите тип решётки и объясните ответ. По одному признаку решётку определить было бы трудно, поэтому учтём сразу хрупкость, тугоплавкость и проводимость расплава. Особенно важен последний признак: он показывает, что в расплаве есть подвижные заряженные частицы.

1. Сочетание хрупкости и высокой температуры плавления согласуется с прочной ионной решёткой.
2. В твёрдом состоянии ионы закреплены, но при плавлении решётка разрушается.
3. Ионы получают возможность перемещаться и переносить электрический заряд.

Ответ: наиболее вероятна ионная решётка. Вывод основан на совокупности свойств и объясняется подвижностью ионов в расплаве. Одной только высокой температуры плавления было бы недостаточно для уверенного определения типа.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что частицы в твёрдом теле совсем неподвижны. Так могут думать, потому что форма тела не меняется и частицы нельзя увидеть напрямую. На самом деле частицы колеблются около устойчивых положений, а с нагреванием колебания становятся интенсивнее. Проверка: вспомните, что нагретое твёрдое тело расширяется и может перейти в жидкость.

Ошибка: смешивать кристаллическое и аморфное строение. Оба вещества могут быть твёрдыми и с виду казаться похожими, поэтому внешний вид не всегда помогает их различить. У кристалла есть дальний порядок, а у аморфного тела его нет; при нагревании аморфное вещество обычно размягчается постепенно. Проверяйте, есть ли упорядоченное повторение частиц и чёткая температура плавления.

Ошибка: определять тип решётки только по агрегатному состоянию или внешнему виду. Можно решить, что все твёрдые вещества устроены одинаково, но лёд, соль, алмаз и железо имеют разные типы решёток. Сначала выясните, какие частицы располагаются в узлах и что удерживает их вместе. Если это неизвестно, одного вида кристаллов или твёрдости недостаточно для вывода.

Ошибка: утверждать, что ионные вещества проводят ток в твёрдом состоянии. Такое заключение возникает из знания о проводимости расплавов, но состояние вещества здесь принципиально важно. В твёрдой решётке ионы закреплены и не могут перемещаться, а в расплаве или растворе они подвижны. Проверка: спросите себя, есть ли в данном состоянии заряженные частицы, способные перемещаться.

Связь с другими темами

Для понимания твёрдых тел нужно знать, что вещества состоят из частиц и что частицы взаимодействуют и движутся. Эти представления объясняют, почему частицы не исчезают из движения даже в твёрдом состоянии. Они также помогают понять, откуда берётся устойчивость формы.

Тема связана с агрегатными состояниями и плавлением: при нагревании движение частиц усиливается, а при плавлении твёрдая структура меняется. Различия между кристаллическими и аморфными телами проявляются в характере перехода к жидкости. Поэтому свойства твёрдого вещества можно объяснять его строением.

Типы решёток пригодятся при изучении металлов, солей и веществ с атомным строением. Знание частиц в узлах помогает связать внутреннюю структуру с электропроводностью, твёрдостью и другими свойствами. Это позволяет сравнивать вещества не только по составу, но и по устройству.

Что запомнить

• В твёрдом веществе частицы расположены близко и колеблются около устойчивых положений.
• Кристаллические вещества имеют упорядоченное строение.
• Аморфные вещества не имеют дальнего порядка в расположении частиц.
• Различают атомные, молекулярные, ионные и металлические решётки.
• Тип решётки влияет на свойства вещества.
• Твёрдые ионные вещества обычно не проводят электрический ток, а их расплавы проводят.