§ 18. Физические свойства веществ с различным типом химической связи

Определения и обозначения

Молекулярная кристаллическая решётка — решётка, в узлах которой находятся молекулы, а между ними действуют сравнительно слабые силы притяжения. Сами молекулы могут иметь прочные ковалентные связи внутри. Это объясняет невысокие температуры плавления многих молекулярных веществ.

Атомная кристаллическая решётка — структура, где атомы соединены в единую сеть прочными ковалентными связями. Отдельных молекул в таком кристалле не выделяют. Такое определение помогает понять твёрдость и тугоплавкость алмаза или кремния.

Ионная кристаллическая решётка — порядок расположения положительных и отрицательных ионов, удерживаемых электростатическим притяжением. Ионы чередуются так, чтобы притяжение преобладало над отталкиванием. Поэтому ионные кристаллы прочны, но при ударе могут раскалываться.

Металлическая кристаллическая решётка содержит атомы или катионы металла, между которыми перемещаются обобществлённые электроны. Эти электроны принадлежат не одной паре атомов, а всему кристаллу. Благодаря этому металлы проводят ток и сохраняют связь при смещении слоёв.

Как это устроено

У молекулярных веществ при нагревании сначала ослабевает притяжение между молекулами. Ковалентные связи внутри самих молекул обычно не разрываются при плавлении. Поэтому энергии нагревания требуется меньше, чем для разрушения общей атомной или ионной структуры, и температуры плавления и кипения часто оказываются низкими.

Атомная решётка возникает, когда ковалентные связи соединяют атомы не в отдельные частицы, а во всю пространственную сеть. Чтобы расплавить такой кристалл, нужно нарушить множество связей одновременно. Поэтому алмаз, кремний и некоторые другие вещества обычно твёрдые и тугоплавкие.

В ионном кристалле каждый ион притягивается к соседним ионам противоположного знака. Для разрушения упорядоченной структуры требуется значительная энергия, поэтому ионные вещества обычно плавятся при высоких температурах. При сдвиге слоёв рядом могут оказаться одноимённые ионы, их отталкивание раскалывает кристалл, поэтому такие вещества хрупкие.

В металлической решётке обобществлённые электроны могут перемещаться по всему кристаллу. Их движение переносит электрический заряд и энергию, поэтому металлы проводят электричество и тепло. При ударе слои атомов смещаются, но подвижные электроны продолжают удерживать частицы, что объясняет ковкость и пластичность.

Электропроводность определяется не только типом связи, но и подвижностью частиц в данном состоянии. В твёрдой соли ионы закреплены в узлах и не переносят заряд, а в расплаве или растворе они свободно перемещаются. В металлах электроны подвижны уже в твёрдом состоянии, тогда как для растворов важна возможность движения ионов.

Тип решётки и характерные физические свойства веществ

В таблице сначала определите, какие частицы находятся в узлах, затем сравните силу их взаимодействия. После этого легче объяснить твёрдость, температуры плавления и электропроводность. Примеры нужны для проверки вывода по нескольким признакам, а не по одному свойству.

Разбор задач

Сравнение льда и поваренной соли

Условие: сравните температуры плавления и твёрдость льда и поваренной соли, определите типы их решёток. Нужно связать наблюдаемые свойства с силами взаимодействия частиц.

1. Лёд состоит из молекул воды, поэтому его кристалл относят к молекулярным.
2. При плавлении льда ослабевают силы между молекулами, а не прочные связи внутри них. Значит, температура плавления сравнительно низкая, а твёрдость невелика.
3. Поваренная соль состоит из ионов натрия и хлора и имеет ионную решётку. Сильное притяжение ионов требует большего нагревания, но сдвиг слоёв вызывает хрупкое разрушение.

Ответ: лёд мягче и плавится при более низкой температуре; для него характерна молекулярная решётка, для соли — ионная.

Проводимость хлорида натрия

Условие: объясните, почему твёрдый хлорид натрия не проводит ток, а его водный раствор проводит. Требуется сравнить движение частиц в кристалле и растворе.

1. В твёрдом NaCl ионы находятся в определённых узлах и могут только колебаться около них.
2. Для возникновения тока заряженные частицы должны перемещаться направленно. Неподвижные ионы не могут переносить заряд через кристалл.
3. Вода разрушает упорядоченную ионную структуру и окружает отдельные ионы. Они становятся подвижными, поэтому раствор проводит электрический ток.

Ответ: твёрдая соль не проводит ток из-за неподвижности ионов, а водный раствор проводит благодаря их свободному движению.

Определение решёток по свойствам

Условие: даны сера, кремний, медь и хлорид натрия. По твёрдости, электропроводности и поведению при нагревании определите тип решётки каждого вещества.

1. Сера обычно мягкая, легко плавится и не проводит ток. Это признаки молекулярной решётки.
2. Кремний очень твёрдый, тугоплавкий и в обычном состоянии не является хорошим проводником. Связь атомов во всей структуре указывает на атомную решётку.
3. Медь проводит ток уже в твёрдом состоянии и деформируется без раскалывания. Следовательно, у неё металлическая решётка.
4. Хлорид натрия твёрдый, хрупкий, тугоплавкий и проводит ток только в расплаве или растворе. Это ионная решётка.

Ответ: сера — молекулярная, кремний — атомная, медь — металлическая, хлорид натрия — ионная решётка. Вывод сделан по совокупности признаков.

Типичные ошибки

Любая ковалентная связь означает атомную решётку. Так ошибаются, потому что забывают о молекулах: в сере ковалентные связи соединяют атомы внутри отдельных молекул. Проверьте, образуют ли связи единую сеть кристалла или только самостоятельные частицы.

Металлическую связь определяют только по блеску. Блеск может быть внешним признаком, но сам по себе не доказывает наличие металлической решётки. Проверьте электропроводность, теплопроводность и способность вещества к пластической деформации.

Ионные вещества проводят ток в твёрдом состоянии. Это неверно: ионы в кристалле закреплены и не могут переносить заряд. Спросите себя, есть ли у заряженных частиц возможность перемещаться.

Все вещества одного типа решётки совершенно одинаковы. Тип связи задаёт общую закономерность, но состав и строение меняют конкретные свойства. Поэтому делайте вывод по нескольким признакам и учитывайте возможные исключения.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны различия между атомами, молекулами и ионами, а также знания о ковалентной, ионной и металлической связях. Эти представления связывают строение вещества с его наблюдаемыми свойствами.

Знания пригодятся при изучении металлов, электролитов и неметаллов. По типу решётки можно объяснять применение материалов: проводников, тугоплавких веществ, хрупких кристаллов и легко плавящихся соединений.

Что запомнить

• Свойства кристаллических веществ зависят от частиц в узлах решётки и взаимодействия между ними.
• Молекулярные вещества обычно имеют сравнительно низкие температуры плавления и кипения.
• Атомные кристаллы обычно твёрдые и тугоплавкие.
• Ионные кристаллы обычно твёрдые и хрупкие.
• Твёрдые ионные вещества не проводят ток, но их расплавы и растворы могут проводить.
• Металлы проводят электрический ток благодаря подвижным электронам.