"Химия. Профильный уровень (в 2 частях)", Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н.
Твёрдые вещества различаются тем, как в них расположены частицы. В кристаллах их расположение закономерно повторяется, а в аморфных веществах нет порядка на больших расстояниях. Это различие объясняет, почему соль плавится при определённой температуре, а стекло постепенно размягчается, и почему свойства кристалла могут зависеть от направления. Кристаллическая решётка помогает описать внутреннее строение вещества и связать его с твёрдостью, электропроводностью, температурой плавления и растворимостью.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аморфное состояние — состояние вещества, в котором частицы не образуют упорядоченной структуры на больших расстояниях. Ближний порядок при этом возможен: ближайшие частицы расположены не случайно, но рисунок не повторяется по всему телу. К аморфным материалам относят стекло и многие пластмассы. Это понятие помогает отличить их строение от строения кристаллов.
Кристаллическое состояние — состояние вещества, при котором частицы закономерно расположены и это расположение повторяется в пространстве. Упорядочение может отражаться в правильной форме кристалла, если условия его роста не мешали этому. Оно также связано с тем, что свойства кристалла иногда зависят от направления. Понятие нужно, чтобы связать внутреннее строение с наблюдаемыми свойствами.
Кристаллическая решётка — модель, показывающая, как частицы размещены внутри кристалла. Точки, изображающие частицы или их группы, называют узлами; ими могут быть заняты атомы, ионы либо молекулы. Поэтому по узлам решётки различают, например, ионные и молекулярные кристаллы. Такая модель упрощает описание структуры и взаимодействий в веществе.
Элементарная ячейка — наименьшая часть кристаллической структуры, многократное повторение которой формирует решётку. Она содержит характерное расположение узлов, позволяющее представить строение всего кристалла. Это похоже на повторяющийся фрагмент узора, но в трёх измерениях. Ячейка нужна для компактного описания кристалла.
В кристалле расположение частиц не просто упорядочено локально: один и тот же структурный рисунок повторяется на больших расстояниях. Такой порядок возникает потому, что частицы взаимодействуют и занимают устойчивые положения, соответствующие строению вещества. При повторении ячеек формируется внутренняя структура всего кристалла. В аморфном теле устойчивые положения ближайших частиц возможны, но общего повторяющегося рисунка нет.
У кристалла переход в жидкое состояние происходит при определённой температуре: при нагревании частицы колеблются сильнее, и при достижении нужной энергии упорядоченная структура разрушается. У аморфного вещества нет единой дальнеупорядоченной решётки, которая распадалась бы одновременно. Поэтому при нагревании оно постепенно становится податливее и размягчается в интервале температур. Это различие помогает распознавать состояние вещества по его поведению при нагревании.
В кристалле порядок может быть разным в разных направлениях, поэтому измеряемые свойства — например, прочность или теплопроводность — иногда зависят от направления. Это явление называют анизотропией. В аморфном веществе дальний порядок отсутствует, и свойства обычно одинаковы во всех направлениях; такое поведение называют изотропией. Значит, различие свойств связано не с внешней формой образца, а с его внутренней структурой.
В ионной решётке узлы заняты катионами и анионами, которые удерживаются электростатическим притяжением. В атомной решётке находятся атомы, связанные прочными ковалентными связями. В молекулярной решётке узлы занимают молекулы, а между ними действуют межмолекулярные силы. В металлической решётке расположены атомы или положительные ионы металла; их удерживает притяжение к обобществлённым подвижным электронам.
Тип решётки влияет на свойства, потому что разные частицы и взаимодействия требуют разной энергии для разрушения структуры. Ионные и атомные кристаллы часто имеют высокие температуры плавления, а молекулярные обычно плавятся легче из-за сравнительно слабых взаимодействий между молекулами. Ионные кристаллы хрупкие: при смещении слоёв рядом могут оказаться одноимённо заряженные ионы, и кристалл раскалывается. В твёрдых ионных веществах носители заряда закреплены, в расплавах и растворах ионы подвижны; в металлах ток переносят электроны. Растворимость тоже зависит от строения: например, полярные растворители часто растворяют ионные вещества, но универсального правила только по типу решётки недостаточно.
| Состояние или тип решётки | Структура и частицы | Связи или взаимодействия | Характерные свойства и примеры |
|---|---|---|---|
| Кристаллическое состояние в целом | Частицы закономерно повторяются в пространстве | Зависят от частиц и типа решётки | Определённая температура плавления; возможна анизотропия; NaCl, алмаз, металлы |
| Аморфное состояние | Нет дальнего порядка; возможен ближний порядок | Зависят от состава вещества | Постепенное размягчение, обычно изотропность; стекло |
| Ионная решётка | Катионы и анионы | Электростатическое притяжение | Обычно твёрдые и хрупкие; ток проводят в расплаве и растворе; NaCl |
| Атомная решётка | Атомы | Ковалентные связи | Часто высокая твёрдость и температура плавления; алмаз |
| Молекулярная решётка | Молекулы | Межмолекулярные взаимодействия | Часто сравнительно низкие температуры плавления; твёрдый I₂ |
| Металлическая решётка | Атомы или положительные ионы и обобществлённые электроны | Притяжение между ионами и электронами | Электропроводность и пластичность; железо, медь |
Сначала определите, какие частицы находятся в узлах, а затем сопоставьте их с характерными свойствами и взаимодействиями. Таблица показывает типичные признаки, но слова «обычно» и «часто» важны: конкретные свойства зависят также от состава и строения вещества. Для вывода используйте несколько признаков одновременно.
Условие. Стекло при нагревании постепенно размягчается, а поваренная соль плавится при определённой температуре. Нужно определить, к какому состоянию относится каждое вещество. Сравним наблюдаемый характер плавления с признаками строения.
Ответ: стекло — аморфный материал, поваренная соль — кристаллическое вещество.
Условие. Даны твёрдые вещества NaCl, I₂ и алмаз. Требуется определить тип решётки каждого вещества и частицы в её узлах. Для этого нужно установить, какие частицы образуют вещество и как они представлены в твёрдом кристалле.
Ответ: NaCl — ионная решётка с ионами в узлах; I₂ — молекулярная с молекулами I₂; алмаз — атомная с атомами углерода.
Условие. Вещество хрупкое, имеет высокую температуру плавления и не проводит ток в твёрдом состоянии. Его расплав проводит электрический ток. По совокупности признаков предположим тип решётки и обоснуем вывод.
Ответ: вероятнее всего, вещество имеет ионную решётку. Вывод обоснован тем, что ток проходит в расплаве, где ионы могут двигаться, но не в твёрдом кристалле.
Считать любой твёрдый материал кристаллическим — ошибка: сохранение формы не доказывает наличие дальнего порядка. Её допускают, потому что аморфное стекло тоже выглядит твёрдым и сохраняет форму. Проверьте себя по характеру плавления и внутреннему строению: аморфные вещества обычно постепенно размягчаются.
Путать решётку с внешней формой кристалла — значит смешивать внутреннее строение и вид образца. Правильные грани могут помогать представить кристалл, но решётка описывает закономерное размещение частиц внутри него. Проверка простая: спросите, идёт ли речь о внешнем контуре или о повторяющихся положениях частиц.
Предположение, что в узлах любой решётки находятся атомы, неверно: в них могут располагаться ионы или молекулы. Ошибка возникает, когда слово «частицы» автоматически заменяют словом «атомы». Чтобы проверить ответ, определите состав вещества и частицы, которые сохраняются в кристалле: например, в NaCl это ионы, а в твёрдом I₂ — молекулы.
Утверждать, что ионное вещество проводит ток в твёрдом состоянии, неверно: ионы там закреплены в решётке. Часто смешивают наличие заряженных частиц с их способностью перемещаться. Проверьте, есть ли подвижные носители заряда: в расплаве или растворе ионы могут двигаться, поэтому такие системы проводят ток.
Для понимания темы нужны знания об агрегатных состояниях, строении атомов и молекул, химической связи и межмолекулярных взаимодействиях. Эти понятия помогают определить частицы в узлах и силы, которые удерживают их вместе. Представления о решётках применяются при объяснении физических свойств, растворимости и электропроводности веществ. Они связывают изучение металлов, солей и простых веществ с химией материалов и материаловедением.
Чем аморфное вещество отличается от кристаллического?
В кристалле частицы образуют упорядоченную структуру, которая повторяется на больших расстояниях. В аморфном веществе дальнего порядка нет. Поэтому кристаллы обычно плавятся при определённой температуре, а аморфные материалы постепенно размягчаются.
Почему у кристаллического вещества есть определённая температура плавления?
В кристалле частицы расположены закономерно и удерживаются определёнными взаимодействиями. При нагревании в определённой точке энергии становится достаточно, чтобы разрушить упорядоченную структуру. Поэтому переход из твёрдого состояния в жидкое происходит при конкретной температуре.
Что находится в узлах кристаллической решётки?
В узлах могут находиться атомы, ионы или молекулы — это зависит от типа решётки. Например, в NaCl расположены ионы Na⁺ и Cl⁻, а в кристалле йода — молекулы I₂. Поэтому нельзя считать, что узлы любой решётки заняты только атомами.
Как определить тип кристаллической решётки по свойствам вещества?
Нужно учитывать не один признак, а их сочетание: твёрдость, температуру плавления, электропроводность и растворимость. Например, хрупкое вещество с высокой температурой плавления, которое проводит ток только в расплаве, вероятно, имеет ионную решётку. Свойства следует объяснить тем, какие частицы находятся в узлах и как они взаимодействуют.
Почему твёрдая соль не проводит электрический ток, а её расплав проводит?
В твёрдой соли ионы закреплены в узлах решётки и не могут свободно перемещаться. При плавлении решётка разрушается, и ионы становятся подвижными. Их направленное движение переносит электрический заряд.
§ 10. Аморфное и кристаллическое состояния веществ. Кристаллические решетки
