"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. В её узлах могут находиться ионы, молекулы, атомы или частицы металла, а между ними действуют разные силы. От вида частиц и прочности их взаимодействия зависят твёрдость, хрупкость, температуры плавления и способность проводить электрический ток. Поэтому по строению решётки можно объяснить, почему соль, лёд, алмаз и медь ведут себя по-разному.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. Узлами называют места этой структуры, в которых находятся частицы. Такое представление помогает описывать строение кристалла и связывать его устройство со свойствами.
Ионная кристаллическая решётка — решётка, в узлах которой находятся положительные и отрицательные ионы, связанные электростатическим притяжением. Ионы — заряженные частицы, образовавшиеся из атомов или групп атомов. Это определение помогает объяснить, почему такие кристаллы прочны, но могут раскалываться.
Молекулярная кристаллическая решётка — решётка, в узлах которой расположены молекулы, а между ними действуют межмолекулярные силы. Эти силы удерживают молекулы рядом, но обычно слабее химических связей внутри них. По этой особенности можно понять, почему многие молекулярные вещества легко плавятся и размягчаются.
Атомная кристаллическая решётка — решётка, в узлах которой находятся атомы, соединённые прочными ковалентными связями. Ковалентная связь образуется благодаря общим электронным парам атомов. Определение помогает объяснить высокую прочность таких веществ, например алмаза.
Металлическая кристаллическая решётка — решётка, в узлах которой находятся атомы или положительные ионы металла, а между ними перемещаются общие электроны. Эти электроны не принадлежат только одной паре атомов и могут двигаться по кристаллу. Такое строение объясняет характерные для металлов электрические и тепловые свойства.
В твёрдом кристаллическом веществе частицы расположены не случайно, а повторяют определённый порядок. Если мысленно отметить положения частиц, получится пространственная сетка, а точки, где частицы находятся, будут её узлами. Узел — не пустое отверстие, а условное место частицы в общей структуре. Благодаря повторяющемуся расположению весь кристалл сохраняет упорядоченное строение.
Тип частиц в узлах и способ их взаимодействия задают, насколько трудно изменить строение вещества. Ионы удерживаются электрическим притяжением, атомы в атомной решётке — ковалентными связями, а молекулы — сравнительно слабым притяжением между собой. В металлах общие электроны могут перемещаться между частицами. Чем сильнее связи или взаимодействия, тем обычно больше энергии нужно, чтобы разрушить порядок решётки или расплавить вещество; подвижность частиц и электронов определяет возможность проводить ток.
Ионные вещества обычно твёрдые и имеют высокие температуры плавления, потому что разноимённые ионы сильно притягиваются во всех направлениях. Но такой кристалл хрупок: при сдвиге его слоёв друг к другу могут приблизиться одноимённые ионы, которые отталкиваются, и кристалл раскалывается. В твёрдом состоянии ионы закреплены и не переносят заряд. В расплаве или растворе они могут перемещаться, поэтому ионное вещество проводит электрический ток.
В молекулярных кристаллах частицы внутри каждой молекулы связаны, но притяжение между соседними молекулами сравнительно слабое. Поэтому на разделение молекул при плавлении или кипении обычно требуется меньше энергии, чем на разрушение прочных атомных или ионных структур. Этим объясняются сравнительно низкие температуры плавления и кипения и мягкость многих таких веществ. Свободных заряженных частиц в них обычно нет, поэтому электропроводность слабая.
Атомные кристаллы удерживаются прочными ковалентными связями, образующими непрерывную структуру, поэтому они часто твёрдые и плавятся при высокой температуре. В металлических кристаллах подвижные общие электроны переносят электрический заряд и тепловую энергию, обеспечивая электропроводность и теплопроводность. Они также помогают слоям частиц смещаться, не разрушая взаимодействие между ними сразу, поэтому металлы способны менять форму — быть пластичными. Электропроводность атомных веществ не одинакова: например, алмаз не проводит ток, а графит проводит.
| Тип решётки | Частицы в узлах | Связь или взаимодействие | Характерные свойства | Примеры веществ |
|---|---|---|---|---|
| Ионная | Положительные и отрицательные ионы | Электростатическое притяжение ионов | Твёрдые, хрупкие; обычно высокая температура плавления; проводят ток в расплаве и растворе | NaCl, MgO |
| Молекулярная | Молекулы | Сравнительно слабые межмолекулярные силы | Часто мягкие; сравнительно низкие температуры плавления и кипения; обычно не проводят ток | Йод, лёд |
| Атомная | Атомы | Прочные ковалентные связи | Обычно твёрдые, с высокой температурой плавления; электропроводность зависит от строения | Алмаз, графит |
| Металлическая | Атомы или положительные ионы металла | Притяжение частиц металла и общих подвижных электронов | Проводят электрический ток и тепло; пластичны | Медь, железо |
Сначала сравни частицу в узлах и тип взаимодействия, затем проверь, объясняют ли они свойства вещества. По одному признаку тип решётки определять рискованно: например, электропроводность графита не означает, что его решётка металлическая. Сопоставление нескольких признаков обычно даёт более надёжный вывод.
Задача 1. Определите тип кристаллической решётки поваренной соли NaCl и укажите, какие частицы находятся в её узлах.
Рассматриваем состав: натрий — металл, хлор — неметалл. При образовании соли возникают заряженные частицы: ионы Na⁺ и Cl⁻.
Соотносим найденные частицы с определением: в ионной решётке узлы заняты положительными и отрицательными ионами. Следовательно, у NaCl ионная кристаллическая решётка.
Ответ: решётка ионная; в узлах находятся ионы Na⁺ и Cl⁻.
Задача 2. Вещество твёрдое, хрупкое, имеет высокую температуру плавления и проводит электрический ток только в расплаве. Определите наиболее вероятный тип его решётки и объясните вывод.
Собираем признаки вместе: твёрдость и высокая температура плавления указывают на сильное притяжение частиц в кристалле, а хрупкость характерна для строения, в котором сдвиг слоёв приводит к отталкиванию частиц.
Учитываем электропроводность: ток появляется в расплаве, значит, в нём есть заряженные частицы, которые могут перемещаться. В твёрдом веществе они, вероятно, закреплены.
Сравниваем признаки с типами решёток. Для ионной решётки характерны неподвижные в твёрдом состоянии ионы, хрупкость и проведение тока при их свободном перемещении в расплаве.
Ответ: наиболее вероятна ионная решётка. Вывод основан на совокупности свойств, а не на одном признаке.
Задача 3. Сравните алмаз, йод и медь по типу решётки, частицам в узлах и электропроводности; объясните различия в свойствах.
Алмаз имеет атомную решётку: в её узлах находятся атомы углерода, соединённые ковалентными связями. Свободных носителей заряда, способных перемещаться по кристаллу, в алмазе нет, поэтому он не проводит электрический ток.
Йод образует молекулярную решётку: в узлах находятся молекулы I₂, между которыми действуют межмолекулярные силы. Подвижных заряженных частиц обычно нет, поэтому твёрдый йод не проводит ток.
Медь имеет металлическую решётку с частицами металла и подвижными общими электронами. Эти электроны переносят заряд через кристалл, поэтому медь проводит электрический ток.
Ответ: алмаз — атомная решётка и не проводит ток; йод — молекулярная и не проводит; медь — металлическая и проводит благодаря подвижным электронам.
Ошибка: считать, что в узлах любой решётки находятся атомы. Так думают, потому что атомы знакомы как основные частицы вещества, но в узлах могут быть также ионы или молекулы. Проверяй, какая именно частица описана в модели решётки. Если заряд иона или целая молекула важны для строения, называть их просто атомами нельзя.
Ошибка: путать твёрдость и прочность с хрупкостью. Ионный кристалл может быть твёрдым, но это не значит, что его легко согнуть или что он не расколется. При смещении слоёв одноимённые ионы сближаются и отталкиваются, из-за чего кристалл разрушается. Для самопроверки различай сопротивление царапанию и способность выдерживать деформацию без раскалывания.
Ошибка: утверждать, что ионное вещество проводит ток в твёрдом состоянии. Заряженные ионы действительно могут переносить ток, поэтому это утверждение кажется логичным. Но в кристалле они закреплены в узлах и не перемещаются; подвижными становятся в расплаве или растворе. Проверяй не только наличие заряда, но и возможность движения его носителей.
Ошибка: считать, что все атомные кристаллы одинаково проводят ток. Общая для них атомная решётка не означает одинакового распределения и подвижности электронов. Например, алмаз ток не проводит, а графит проводит благодаря электронам, способным перемещаться в его структуре. Если нужно определить электропроводность, учитывай особенности строения конкретного вещества, а не только название типа решётки.
Для понимания решёток нужно различать атомы, молекулы и ионы, а также знать, что называют химической связью. Это помогает не путать сами частицы с силами, которые удерживают их в твёрдом веществе. Например, ион в узле — не то же самое, что нейтральный атом.
Тема опирается на представления об ионной, ковалентной и металлической связи. Решётка показывает, как эти взаимодействия проявляются в целом кристалле, а не только между отдельными частицами. Так становится понятнее, почему вещества с разным строением имеют разные свойства.
Связь строения со свойствами используют при изучении металлов, неметаллов и материалов. Она помогает объяснять, почему одно вещество проводят ток, а другое нет, и выбирать материал для нужной задачи. Эти знания также дополняют представление о превращениях веществ в химических реакциях.
Что называют узлами кристаллической решётки?
Узлы — это места в упорядоченной структуре кристалла, в которых расположены его частицы. Ими могут быть ионы, молекулы, атомы или частицы металла.
Как по составу вещества предположить тип его кристаллической решётки?
Состав даёт подсказку, но не всегда позволяет сделать вывод без дополнительных сведений. Соединения металла с неметаллом часто имеют ионную решётку, отдельные молекулы — молекулярную, а металлы — металлическую; строение конкретного вещества лучше проверять по его свойствам и известным данным.
Почему ионные кристаллы хрупкие?
При смещении слоёв кристалла рядом могут оказаться одноимённо заряженные ионы. Они отталкиваются, поэтому решётка раскалывается, а не легко деформируется.
Почему твёрдая поваренная соль не проводит электрический ток?
В твёрдой соли ионы закреплены в узлах решётки и не могут свободно перемещаться. В расплаве или водном растворе ионы становятся подвижными и переносят электрический заряд.
Почему графит проводит ток, хотя его относят к веществам с атомной решёткой?
В графите атомы углерода образуют слои, а часть электронов может перемещаться внутри них. Эти подвижные электроны переносят заряд, поэтому графит проводит ток, хотя имеет атомную решётку.
§ 13. Кристаллические решетки определяют свойства твердых веществ
