§ 8. Вещества молекулярного и немолекулярного строения

Определения и обозначения

Молекула — частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из одного или нескольких атомов, соединённых химическими связями: например, молекула воды H₂O образована двумя атомами водорода и одним атомом кислорода. Это понятие нужно, чтобы отличать целую частицу вещества от отдельных атомов, из которых она составлена.

Вещество молекулярного строения — вещество, состоящее из отдельных молекул. К таким веществам относятся кислород O₂, вода H₂O и углекислый газ CO₂. Термин помогает описать, какие именно частицы сохраняются как самостоятельные единицы внутри вещества.

Вещество немолекулярного строения — вещество, в котором нет отдельных молекул, а частицы образуют общую связанную структуру. Её могут образовывать атомы, как в железе, или ионы, как в хлориде натрия. Такое определение нужно, чтобы не принимать запись химической формулы за изображение отдельной молекулы.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. В узлах решётки могут находиться молекулы, атомы или ионы, в зависимости от вещества. Это понятие показывает, как частицы размещены в пространстве, а не только какие частицы входят в состав.

Как это устроено

Любое вещество состоит из частиц, но само наличие частиц ещё не говорит, каким будет его строение. Частицы могут оставаться отдельными молекулами или соединяться в общую структуру. Различие возникает из-за состава вещества и того, какие связи или взаимодействия действуют между его частицами.

В молекулярных веществах атомы внутри каждой молекулы соединены химическими связями, а соседние молекулы притягиваются друг к другу. Эти взаимодействия обычно слабее связей внутри молекул, поэтому для разделения молекул часто требуется меньше энергии, чем для разрушения прочной общей структуры. Именно поэтому многие молекулярные вещества плавятся и кипят при сравнительно низких температурах. Однако это общая тенденция, а не закон для любого вещества.

В немолекулярных веществах атомы или ионы связаны в единую структуру, которая может распространяться на весь кристалл. Например, в хлориде натрия чередуются положительные и отрицательные ионы, а в металле атомы удерживаются металлической связью. Поэтому нельзя указать отдельную молекулу, которая была бы самостоятельной частицей такого вещества. Чтобы расплавить многие из них, нужно ослабить связи во всей структуре, что требует значительной энергии.

Строение помогает объяснять свойства, потому что плавление и кипение связаны с изменением расположения и взаимодействия частиц. У многих молекулярных веществ температуры плавления и кипения ниже, чем у веществ с прочной немолекулярной структурой. Но по одной температуре нельзя точно определить тип строения: на результат влияют состав и сила взаимодействий, а у некоторых веществ наблюдаются исключения. Поэтому физические свойства рассматривают вместе с другими сведениями о веществе.

Число атомов в формуле само по себе не определяет, молекулярное вещество или нет. Формула CO₂ обозначает молекулу углекислого газа, но запись NaCl передаёт соотношение ионов в кристалле, а не отдельную молекулу. Чтобы сделать вывод, нужно знать, существуют ли в веществе самостоятельные молекулы или частицы входят в общую структуру. Формула сообщает о составе, но не всегда показывает устройство вещества.

Сравнение веществ молекулярного и немолекулярного строения

Сначала сравните, какие частицы входят в состав вещества, а затем — как они связаны и расположены. Сведения о температурах плавления и кипения помогают предположить тип строения, но сами по себе не доказывают его. Примеры показывают, что к молекулярным веществам относятся не только газы и жидкости, но и твёрдая сера.

Разбор задач

Задача 1. Распределите кислород, воду и углекислый газ по типу строения и укажите частицы, из которых они состоят. Нужно выяснить, существуют ли в каждом веществе отдельные молекулы. Формулы помогают увидеть состав этих частиц, но решающим будет именно наличие самостоятельных молекул.

1. Кислород имеет формулу O₂: два атома кислорода образуют отдельную молекулу. Поэтому кислород имеет молекулярное строение.
2. Вода имеет формулу H₂O: в каждой молекуле соединены два атома водорода и один атом кислорода. Вещество состоит из отдельных молекул воды.
3. Углекислый газ имеет формулу CO₂: каждая его молекула содержит один атом углерода и два атома кислорода. Следовательно, он также имеет молекулярное строение.

Ответ: кислород, вода и углекислый газ — вещества молекулярного строения. Их частицы — молекулы O₂, H₂O и CO₂ соответственно. Количество атомов в каждой молекуле разное, но во всех трёх случаях молекулы существуют как отдельные частицы.

Задача 2. Определите тип строения хлорида натрия, железа, серы и углекислого газа и назовите частицы их структуры. Не следует считать, что каждая формула изображает молекулу: формула иногда обозначает состав вещества или соотношение частиц. Сопоставим примеры с известными видами строения.

1. В хлориде натрия NaCl — ионная структура из ионов натрия и хлора; отдельных молекул NaCl в кристалле нет. Это немолекулярное вещество.
2. Железо Fe имеет немолекулярное строение: атомы образуют общую металлическую структуру. Запись Fe обозначает химический элемент и состав вещества, а не отдельную молекулу.
3. Сера в обычном твёрдом состоянии состоит из молекул S₈. Значит, это молекулярное вещество, хотя оно твёрдое.
4. Углекислый газ CO₂ состоит из отдельных молекул CO₂, поэтому его строение молекулярное.

Ответ: NaCl — ионы, немолекулярное строение; Fe — атомы в общей структуре, немолекулярное; S₈ и CO₂ — отдельные молекулы, молекулярное строение. Сравнение показывает, почему по числу символов в формуле нельзя угадывать наличие молекул. Необходимо знать, какие частицы в действительности образуют вещество.

Задача 3. Два твёрдых вещества близкой массы плавятся при разных температурах: одно — сравнительно низкой, другое — очень высокой. Какое вероятнее молекулярное и в чём ограничение вывода? При плавлении частицы получают возможность менять взаимное расположение, поэтому нужно ослабить удерживающие их взаимодействия. Сравним, сколько энергии обычно требуется для этого в двух типах строения.

1. В молекулярном веществе при плавлении обычно преодолеваются взаимодействия между молекулами, которые сравнительно слабы. Поэтому низкая температура плавления позволяет предположить молекулярное строение.
2. В немолекулярном веществе часто нужно ослабить связи в общей структуре. Для многих таких веществ это требует высокой температуры плавления.
3. Проверяем ограничение: температура зависит не только от типа строения, но и от конкретного состава и взаимодействий. Следовательно, один признак позволяет выдвинуть предположение, но не установить строение безошибочно.

Ответ: вероятнее молекулярное строение имеет вещество с более низкой температурой плавления. Это обоснованное предположение, а не окончательное доказательство: для точного вывода нужны сведения о частицах и строении вещества. Близкая масса образцов сама по себе не определяет их температуры плавления.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что формула из нескольких атомов обязательно обозначает молекулу. Так думают, потому что формулу легко принять за картинку одной частицы, хотя она может показывать состав повторяющихся частиц решётки. Например, NaCl обозначает соотношение ионов в структуре, а не отдельную молекулу. Проверьте себя: выясните, существуют ли в веществе самостоятельные молекулы.

Ошибка: смешивать молекулу с атомом. Атом — частица химического элемента, а молекула состоит из одного или нескольких связанных атомов; это не взаимозаменяемые понятия. Путаница возникает, когда строение описывают слишком кратко, например называют железо молекулой Fe. Проверка простая: укажите, какие именно частицы образуют вещество — атомы, молекулы или ионы.

Ошибка: называть кристаллической решёткой только расположение молекул. Такую мысль могут вызвать примеры молекулярных кристаллов, но в узлах решётки бывают и атомы, и ионы. Проверьте себя, назвав частицы конкретного вещества: у NaCl это ионы, а в железе — атомы в металлической структуре. Решётка описывает упорядоченное расположение частиц, а не один их определённый вид.

Ошибка: считать, что все молекулярные вещества обязательно газы или жидкости. Это предположение возникает из-за примеров кислорода и воды, однако сера — твёрдое вещество, состоящее из молекул S₈. Агрегатное состояние зависит от состава и взаимодействий между частицами, а не только от типа строения. Проверяйте строение по сведениям о частицах, а не по тому, твёрдое вещество или нет.

Связь с другими темами

Для изучения строения нужно знать, что вещества состоят из атомов, молекул или ионов, и уметь читать химические формулы. Эти знания помогают отличать состав молекулы от соотношения частиц в решётке. Тема пригодится при объяснении физических свойств, например температур плавления, а также при дальнейшем изучении химической связи. Понимание частиц и их расположения станет основой для сравнения разных видов кристаллических решёток.

Что запомнить

• Вещества различаются не только составом, но и строением.
• Молекулярные вещества состоят из отдельных молекул.
• В немолекулярных веществах частицы образуют общую структуру.
• В узлах кристаллической решётки могут располагаться молекулы, атомы или ионы.
• Строение влияет на физические свойства вещества.
• Химическая формула сама по себе не всегда показывает, что вещество состоит из отдельных молекул.