Углекислый газ имеет кристаллическую. История открытия элемента. Молекулярное и немолекулярное строение веществ. Строение вещества

5. Ионная и металлическая связь. Водородная связь. Валентность

5.4. Типы кристаллических решеток

Вещества в твердом состоянии могут иметь аморфное и кристаллическое строение. В аморфных веществах (стекло, полимеры) расположение частиц неупорядоченное, а в кристаллических структурные единицы (атомы, молекулы или ионы) расположены в строгом порядке.

Под кристаллической решеткой понимается каркас, который образуется, если структурные единицы кристалла соединить воображаемыми прямыми линиями. Точки пересечения этих линий называются узлами кристаллической решетки . В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, а также от типа химической связи между ними различают четыре основных вида (типа) кристаллических решеток: атомную, молекулярную, ионную и металлическую.

Вещества с атомной, ионной и металлической кристаллическими решетками имеют немолекулярное строение

В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы одинаковых или разных химических элементов (как правило, неметаллов), связанных между собой прочными ковалентными связями (см. рис. 16.1 на с. 347). Вещества с атомной решеткой называются атомными или ковалентными кристаллами.

Запомним вещества с атомной кристаллической решеткой: бор, кремний, алмаз, графит, черный и красный фосфор, карборунд SiC, оксид кремния(IV) SiO 2 .

Благодаря высокой энергии ковалентных связей вещества атомного строения имеют очень высокую температуру плавления, высокие твердость и прочность, низкую растворимость; как правило, являются диэлектриками или полупроводниками (кремний, германий). Самое твердое природное вещество - алмаз (температура плавления 3500 °С), самое тугоплавкое - графит (3700 °С); высокую температуру плавления имеют карборунд SiC (2700 °С) и кремнезем SiO 2 (1610 °С).

В узлах молекулярных кристаллов (веществ с молекулярной кристаллической решеткой, молекулярного строения) находятся молекулы (рис. 5.7, а ). Между собой молекулы связаны слабыми межмолекулярными силами (не путайте: в молекулах связь ковалентная, т.е. прочная), для разрыва которых требуется сравнительно немного энергии. Поэтому молекулярные вещества имеют небольшую прочность, малую твердость, значительную сжимаемость, низкие температуры плавления и кипения. Для них характерна летучесть, многие имеют запах, некоторые возгоняются. Молекулярные кристаллы не проводят электрический ток, могут быть растворимы в полярных и неполярных растворителях.

Молекулярную кристаллическую решетку имеют большинство веществ с ковалентной полярной или неполярной связью, за исключением перечисленных выше веществ атомного строения. Молекулярное строение более характерно для органических веществ. Примеры веществ молекулярного строения: благородные газы (для них понятия атом и молекула идентичны, можно сказать, что благородные газы состоят из одноатомных молекул), галогены (в твердом состоянии), белый фосфор P 4 , ромбическая и моноклинная сера S 8 , твердые кислород, озон, азот, вода, галогеноводороды, алканы, бензол.

Рис. 5.7. Строение кристаллической решетки углекислого газа (CO 2) в твердом состоянии (а ) и хлорида натрия (б )

Все вещества с ионной связью образуют ионные кристаллические решетки , имеют ионное строение. Это соли, основные и амфотерные оксиды, основания, бинарные соединения металлов с неметаллами (гидриды, нитриды и т.д.). В узлах ионных кристаллов находятся противоположно заряженные простые или сложные катионы и анионы, связанные между собой прочной ионной связью (рис. 5.7, б ).Благодаря прочности ионной связи ионные кристаллы обладают большой твердостью, нелетучи и не имеют запаха, для них характерны высокие температуры кипения и плавления. При комнатной температуре ионные вещества плохо проводят электрический ток и теплоту, многие хорошо растворимы в полярных растворителях, их водные растворы и расплавы проводят электрической ток (электролиты). Для ионных веществ характерны слабая деформируемость и хрупкость, так как при смещении ионов относительно друг друга между одноименно заряженными ионами возникают силы отталкивания.

Вещества с металлической связью образуют металлические кристаллические решетки (металлические кристаллы), в которых (см. рис. 5.1) связь обеспечивается свободными электронами (электронным газом).

По этой причине простые вещества металлы (и их сплавы) имеют характерный металлический блеск, очень высокие тепло- и электропроводность, они непрозрачные, ковкие и пластичные. У металлов наблюдается большой разброс температур плавления (например, при обычных условиях ртуть находится в жидком агрегатном состоянии), твердости (мягкий свинец и очень твердый хром), что обусловлено некоторыми различиями в характере металлической связи разных металлов. Как уже отмечалось, мерой прочности металлической связи может служить температура плавления металлов: чем выше t пл, тем энергия металлической связи больше. Температура плавления металлов повышается в ряду:

ртуть → щелочные металлы → щелочноземельные металлы →

→ металлы d -семейства → вольфрам.

Пример 5.4. Среди соединений хлора с элементами 3-го периода наименьшую температуру плавления имеет:

Решение. Искомое вещество - SCl 2 , так как оно имеет молекулярную кристаллическую решетку (все другие вещества - ионную).

Продолжение табл. З4

Состоят из молекул (полярных и неполярных), которые соединены между собой слабыми водородными, межмолекулярными и электростатическими силами. Поэтому молекулярные кристаллы имеют малую твердость, низкие температуры плавления, малорастворимы в воде, не проводят электрический ток и обладают высокой летучестью. Молекулярную решетку образует лед, твердый углекислый газ («сухой лед»), твердые галогенводороды, твердые простые вещества, образованные одно- (благородные газы), двух- (F 2 , Cl 2 , Br 2 , J 2 , H 2 , N 2 , O 2), трех- (O 3), четырех- (P 4), восьми- (S 8) атомными молекулами, многие кристаллические органические соединения. Состоят из атомов или ионов металлов, соединенных металлической связью. Узлы металлических решеток заняты положительными ионами, между которыми перемещаются валентные электроны, находящиеся в свободном состоянии (электронный газ). Металлическая решетка является прочной. Этим объясняются свойственные большинству металлов твердость, малая летучесть, высокая температура плавления и кипения. Она же обусловливает такие характерные свойства металлов как электро- и теплопроводность, блеск, ковкость, пластичность, непрозрачность, фотоэффект. Металлической кристаллической решеткой обладают чистые металлы и сплавы.

Кристаллы по величине электропроводности делятся на три класса:

Проводники I рода – электропроводность 10 4 - 10 6 (Ом×см) -1 –вещества с металлической кристаллической решеткой, характеризующиеся наличием «переносчиков тока» - свободно перемещающихся электронов (металлы, сплавы).

Диэлектрики (изоляторы) – электропроводность 10 -10 -10 -22 (Ом×см) -1 – вещества с атомной, молекулярной и реже ионной решеткой, обладающие большой энергией связи между частицами (алмаз, слюда, органические полимеры и др.).

Полупроводники – электропроводность 10 4 -10 -10 (Ом×см) -1 – вещества с атомной или ионной кристаллической решеткой, обладающие более слабой энергией связи между частицами, чем изоляторы. С ростом температуры электропроводность у полупроводников возрастает (серое олово, бор, кремний и др.)

Контрольные вопросы и задания

1. Охарактеризуйте двойственную природу электрона, уравнение де Бройля, принцип неопределенности Гейзенберга, волновое уравнение Шредингера.

2. Спектры атомов, как источник информации об их строении. Квантовые числа.

3. Основные принципы заполнения электронами орбиталей (принцип Паули, принцип наименьшей энергии, правило Гунда).

4. Электронные формулы и электронно-структурные схемы атомов.

5. Определение валентных возможностей элемента, исходя из строения электронных оболочек атома.

6. Охарактеризовать свойства элемента по его положению в ПСЭ.

7. Физическая сущность химической связи. Типы химической связи, ее характеристика: энергия, длина направленность.

8. Основные положения МВС и ММО. Связывающие и разрыхляющие МО. Кратность связи в ММО.

9. Типы ковалентной связи. Свойства ковалентной связи: насыщаемость, полярность, поляризуемость, направленность, гибридизация. Пространственное расположение атомов в молекуле. Кратность и делокализация связи.

10. Ионная связь, ее характеристики. Общая характеристика металлической связи, водородной связи, межмолекулярных взаимодействий.

11. Характеристика агрегатного состояния веществ.

«Йод в организме человека» - Уделяли внимание заболеваниям щитовидной железы не только медики, но и главнокомандующие. Слабый окислитель и восстановитель. Йод выполняет в организме следующие функции. Из имеющихся в природе галогенов – самый тяжёлый. ОПЫТ 1. Получение йода. Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% - на неорганические.

«Кристаллические и аморфные вещества» - Аморфные и кристаллические вещества. Нет строго определенных Тпл и Ткип. Белый фосфор Р4. Химическая связь ковалентная неполярная. Типы кристаллических решеток. Графит. В узлах решетки атом-ионы. Особенности кристаллических веществ. Химическая связь ионная. Примеры: металлы. Алмаз. Примеры: простые вещества (H2, N2, O2, F2, P4, S8, Ne, He), сложные вещества (СО2, H2O, сахар С12H22O11 и др.).

«Кристаллические решётки химия» - Типы кристаллических решеток. Алмаз - самый твёрдый природный материал. Молекулярными называют кристаллические решётки, в узлах которых располагаются молекулы. Вещество – то, из чего состоит физическое тело. Металлическими называют решётки, в узлах которых находятся атомы и ионы металла. Строение вещества.

«Йод в организме человека» - Результаты просветительской работы. Результаты эксперимента учеников 3 «А»класса. Йодная недостаточность на территории России. Можно принимать препараты, приготовленные на основе водорослей- ламинария. Обратите внимание на йодированные яйцо, молоко, сахар. Профилактика. Продукты, не дающие организму усвоить йод:

«СО2 углекислый газ» - В атмосфере Земли излучение поглощается молекулами Н2О, СО2, О3и др. Углекислый газ… Взаимодействие с водой. Что же в нем кислого? Диоксид углерода. Например, в теплицы подают газы, которые выходят из котельной. С6н12о6 + 6о2. Что такое диоксид углерода? Парниковый эффект. 6со2 + 6н2о. Реакция со щелочью.

«Применение йода» - Йодом особенно богаты морские продукты: рыба, мидии, кальмары, креветкию Йод открыл в 1811 французский химик Б.Куртуа. Хорошим источником йода являются молочные продукты, некоторые крупы, овощи и фрукты. История открытия. Название элемента происходит от греческого iodes. Применение в промышленности.

Большинство твердых веществ имеет кристаллическое строение. Кристаллическая решетка построена из повторяющихся одинаковых структурных единиц, индивидуальных для каждого кристалла. Эта структурная единица носит название “элементарная ячейка”. Другими словами, кристаллическая решетка служит отображением пространственной структуры твердого вещества.

Классифицировать кристаллические решетки можно различным образом.

I. По симметрии кристаллов решетки классифицируются на кубические, тетрагональные, ромбические, гексагональные.

Эта классификация удобна при оценке оптических свойств кристаллов, а также их каталитической активности.

II. По природе частиц , находящихся в узлах решетки и по типу химической связи между ними различают атомные, молекулярные, ионные и металлические кристаллические решетки . Тип связи в кристалле определяет различие в твердости, растворимости в воде, величине теплоты растворения и теплоты плавления, электрической проводимости.

Важной характеристикой кристалла является энергия кристаллической решетки, кДж/моль – энергия, которую необходимо затратить на разрушение данного кристалла.

Молекулярная решетка

Молекулярные кристаллы состоят из молекул, удерживаемых в определенных положениях кристаллической решетки слабыми межмолекулярными связями (вандерваальсовыми силами) или водородными связями. Эти решетки характерны для веществ с ковалентными связями.

Веществ с молекулярной решеткой очень много. Это большое число органических соединений (сахар, нафталин и др.), кристаллическая вода (лед), твердый углекислый газ (“сухой лед”), твердые галогеноводороды, иод, твердые газы, в том числе и благородные,

Минимальна энергия кристаллической решетки у веществ с неполярными и малополярными молекулами (СН 4 , СО 2 и т.п.).

Решетки, образованные более полярными молекулами, имеют и более высокую энергию кристаллической решетки. Наибольшей энергией обладают решетки с веществами, образующими водородные связи (Н 2 О, NН 3).

Из-за слабого взаимодействия между молекулами эти вещества летучи, легкоплавки, имеют небольшую твердость, не проводят электрический ток (диэлектрики) и обладают низкой теплопроводностью.

Атомная решетка

В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы одного или различных элементов, связанных между собой ковалентными связями по всем трем осям. Такие кристаллы , которые называют также ковалентными , сравнительно немногочисленны.

Примерами кристаллов этого типа могут служить алмаз, кремний, германий, олово, а также кристаллы сложных веществ, таких как нитрид бора, нитрид алюминия, кварц, карбид кремния. Все эти вещества имеют алмазоподобную решетку.

Энергия кристаллической решетки в таких веществах практически совпадает с энергией химической связи (200 – 500 кДж/моль). Это определяет и их физические свойства: высокие твердость, температура плавления и температура кипения.

Разнообразны электропроводящие свойства этих кристаллов: алмаз, кварц, нитрид бора – диэлектрики; кремний, германий – полупроводники; металлическое серое олово хорошо проводит электрический ток.

В кристаллах с атомной кристаллической решеткой нельзя выделить отдельную структурную единицу. Весь монокристалл представляет собой одну гигантскую молекулу .

Ионная решетка

В узлах ионной решетки чередуются положительные и отрицательные ионы, между которыми действуют электростатические силы. Ионные кристаллы образуют соединения с ионной связью, например, хлорид натрия NaCl, фторид калия и KF и др. В состав ионных соединений могут входить и сложные ионы, например, NO 3 - , SO 4 2 - .

Ионные кристаллы также представляют собой гигантскую молекулу, в которой каждый ион испытывает значительной воздействие со стороны всех остальных ионов.

Энергия ионной кристаллической решетки может достигать значительных величин. Так, Е (NaCl) = 770 кДж/моль, а Е (ВеО) = 4530 кДж/моль.

Ионные кристаллы имеют высокие температуры плавления и кипения и высокую прочность, но хрупки. Многие из них плохо проводят электрический ток при комнатной температуре (примерно на двадцать порядков ниже, чем у металлов), но с ростом температуры наблюдается увеличение электрической проводимости.

Металлическая решетка

Кристаллы металлов дают примеры простейших кристаллических структур.

Ионы металла в решетке металлического кристалла можно приближенно рассматривать в виде шаров. В твердых металлах эти шары упакованы с максимальной плотностью, на что указывает значительная плотность большинства металлов (от 0,97 г/см 3 у натрия, 8,92 г/см 3 у меди до 19,30 г/см 3 у вольфрама и золота). Наиболее плотная упаковка шаров в одном слое – это гексагональная упаковка, в которой каждый шар окружен шестью другими шарами (в той же плоскости). Центры любых трех соседних шаров образуют равносторонний треугольник.

Такие свойства металлов, как высокие тягучесть и ковкость, указывают на отсутствие жесткости в металлических решетках: их плоскости довольно легко сдвигаются одна относительно другой.

Валентные электроны участвуют в образовании связи со всеми атомами, свободно перемещаются по всему объему куска металла. На это указывают высокие значения электропроводимости и теплопроводности.

По энергии кристаллической решетки металлы занимают промежуточное положение между молекулярными и ковалентными кристаллами. Энергия кристаллической решетки составляет:

Таким образом, физические свойства твердых веществ существенно зависят от типа химической связи и структуры.

Структура и свойства твердых веществ

Характеристики	Кристаллы
Металлические	Ионные	Молекулярные	Атомные
Примеры	K, Al, Cr, Fe	NaCl, KNO 3	I 2 , нафталин	алмаз, кварц
Структурные частицы	Положительные ионы и подвижные электроны	Катионы и анионы	Mолекулы	Атомы
Тип химической связи	Металлическая	Ионная	В молекулах – ковалентная; между молекулами – вандерваальсовы силы и водородные связи	Между атомами – ковалентная
t плавления	Высокая	Высокая	Невысокая	Очень высокая
t кипения	Высокая	Высокая	Невысокая	Очень высокая
Механические свойства	Твердые, ковкие, тягучие	Твердые, хрупкие	Мягкие	Очень твердые
Электропроводность	Хорошие проводники	В твердом виде – диэлектрики; в расплаве или растворе – проводники	Диэлектрики	Диэлектрики (кроме графита)
Растворимость
в воде	Нерастворимы	Растворимы	Нерастворимы	Нерастворимы
в неполяр- ных раство- рителях	Нерастворимы	Нерастворимы	Растворимы	Нерастворимы

(Все определения, формулы, графики и уравнения реакций даются под запись.)

Вещество, как вам известно, может существовать в трёх агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твёрдом (рис. 70). Например, кислород, который при обычных условиях представляет собой газ, при температуре -194 °С превращается в жидкость голубого цвета, а при температуре -218,8 °С затвердевает в снегообразную массу, состоящую из кристаллов синего цвета.

Рис. 70.
Агрегатные состояния воды

Твёрдые вещества делят на кристаллические и аморфные.

Аморфные вещества не имеют чёткой температуры плавления - при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в текучее состояние. К аморфным веществам относится большинство пластмасс (например, полиэтилен), воск, шоколад, пластилин, различные смолы и жевательные резинки (рис. 71).

Рис. 71.
Аморфные вещества и материалы

Кристаллические вещества характеризуются правильным расположением составляющих их частиц в строго определённых точках пространства. При соединении этих точек прямыми линиями образуется пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой. Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки.

В узлах воображаемой кристаллической решётки могут находиться одноатомные ионы, атомы, молекулы. Эти частицы совершают колебательные движения. С повышением температуры размах этих колебаний возрастает, что приводит, как правило, к тепловому расширению тел.

В зависимости от типа частиц, расположенных в узлах кристаллической решётки, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решёток: ионные, атомные, молекулярные и металлические (табл. 6).

Таблица 6
Положение элементов в Периодической системе Д. И. Менделеева и типы кристаллических решёток их простых веществ

Простые вещества, образованные элементами, не представленными в таблице, имеют металлическую решётку.

Ионными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся ионы. Их образуют вещества с ионной связью, которой могут быть связаны как простые ионы Na + , Cl - , так и сложные , ОН - . Следовательно, ионные кристаллические решётки имеют соли, основания (щёлочи), некоторые оксиды. Например, кристалл хлорида натрия построен из чередующихся положительных ионов Na + и отрицательных Сl - , образующих решётку в форме куба (рис. 72). Связи между ионами в таком кристалле очень прочны. Поэтому вещества с ионной решёткой обладают сравнительно высокой твёрдостью и прочностью, они тугоплавки и нелетучи.

Рис. 72.
Ионная кристаллическая решётка (хлорид натрия)

Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы. В таких решётках атомы соединены между собой очень прочными ковалентными связями.

Рис. 73.
Атомная кристаллическая решётка (алмаз)

Такой тип кристаллической решётки имеет алмаз (рис. 73) - одно из аллотропных видоизменений углерода. Огранённые и отшлифованные алмазы называют бриллиантами. Их широко применяют в ювелирном деле (рис. 74).

Рис. 74.
Две императорские короны с алмазами:
а - корона Британской империи; б - Большая императорская корона Российской империи

К веществам с атомной кристаллической решёткой относятся кристаллические бор, кремний и германий, а также сложные вещества, например такие, как кремнезем, кварц, песок, горный хрусталь, в состав которых входит оксид кремния (IV) SiO 2 (рис. 75).

Рис. 75.
Атомная кристаллическая решётка (оксид кремния (IV))

Большинство веществ с атомной кристаллической решёткой имеют очень высокие температуры плавления (например, у алмаза она свыше 3500 °С, у кремния - 1415 °С, у кремнезёма - 1728 °С), они прочны и тверды, практически нерастворимы.

Молекулярными называют кристаллические решётки, в узлах которых располагаются молекулы. Химические связи в этих молекулах могут быть и ковалентными полярными (хлороводород НСl, вода Н 2 0), и ковалентными неполярными (азот N 2 , озон 0 3). Несмотря на то что атомы внутри молекул связаны очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому вещества с молекулярными кристаллическими решётками имеют малую твёрдость, низкие температуры плавления, летучи.

Примерами веществ с молекулярными кристаллическими решётками являются твёрдая вода - лёд, твёрдый оксид углерода (IV) С) 2 - «сухой лёд» (рис. 76), твёрдые хлороводород НСl и сероводород H 2 S, твёрдые простые вещества, образованные одно- (благородные газы: гелий, неон, аргон, криптон), двух- (водород Н 2 , кислород O 2 , хлор Сl 2 , азот N 2 , иод 1 2), трёх- (озон O 3), четырёх- (белый фосфор Р 4), восьмиатомными (сера S 7) молекулами. Большинство твёрдых органических соединений имеют молекулярные кристаллические решётки (нафталин, глюкоза, сахар).

Рис. 76.
Молекулярная кристаллическая решётка (углекислый газ)

Вещества с металлической связью имеют металлические кристаллические решётки (рис. 77). В узлах таких решёток находятся атомы и ионы (то атомы, то ионы, в которые легко превращаются атомы металла, отдавая свои внешние электроны в общее пользование). Такое внутреннее строение металлов определяет их характерные физические свойства: ковкость, пластичность, электро- и теплопроводность, металлический блеск.

Рис. 77.
Металлическая кристаллическая решётка (железо)

Лабораторный опыт № 13
Ознакомление с коллекцией веществ с разным типом кристаллической решётки. Изготовление моделей кристаллических решёток

Ознакомьтесь с коллекцией выданных вам образцов веществ. Запишите их формулы, охарактеризуйте физические свойства и на их основе определите тип кристаллической решётки.

Соберите модель одной из кристаллических решёток.

Для веществ, имеющих молекулярное строение, справедлив открытый французским химиком Ж. Л. Прустом (1799-1803) закон постоянства состава. В настоящее время этот закон формулируют так:

Закон Пруста - один из основных законов химии. Однако для веществ немолекулярного строения, например ионного, этот закон не всегда справедлив.

Ключевые слова и словосочетания

1. Твёрдое, жидкое и газообразное состояния вещества.
2. Твёрдые вещества: аморфные и кристаллические.
3. Кристаллические решётки: ионные, атомные, молекулярные и металлические.
4. Физические свойства веществ с различными типами кристаллических решёток.
5. Закон постоянства состава.

Работа с компьютером

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

1. В каком агрегатном состоянии будет находиться кислород при -205 °С?
2. Вспомните произведение А. Беляева «Продавец воздуха» и охарактеризуйте свойства твёрдого кислорода, используя его описание, приведённое в книге.
3. К какому типу веществ (кристаллические или аморфные) относятся пластмассы? Какие свойства пластмасс лежат в основе их промышленного применения?
4. К какому типу относится кристаллическая решетка алмаза? Перечислите характерные для алмаза физические свойства.
5. К какому типу относится кристаллическая решетка иода? Перечислите характерные для иода физические свойства.
6. Почему температура плавления металлов изменяется в очень широких пределах? Для подготовки ответа на этот вопрос используйте дополнительную литературу.
7. Почему изделие из кремния при ударе раскалывается на кусочки, а изделие из свинца только расплющивается? В каком из указанных случаев происходит разрушение химической связи, а в каком - нет? Почему?