Народна Освіта » Хімія » § 23. Будова твердих речовин та їхні властивості

НАРОДНА ОСВІТА

§ 23. Будова твердих речовин та їхні властивості

Пригадайте: у твердих речовинах та рідинах частинки (атоми та молекули) розташовані дуже щільно одна до одної, у газах молекули розташовані на відстанях, набагато більших за розміри молекул;

температура плавлення — це температура, при якій тверда речовина переходить у рідкий агрегатний стан (плавиться), температура кипіння — це температура, при якій рідка речовина стає газуватою (кипить);

плавлення та кипіння — це фізичні процеси, вони відбуваються без зміни хімічного складу речовин.

Кристалічні й аморфні речовини

Більшість речовин, що нас оточують, за звичайних умов перебувають у твердому агрегатному стані. Тверді речовини дуже різноманітні за своїми фізичними властивостями: вони мають різний колір, можуть бути дуже міцними чи крихкими, можуть проводити електричний струм, плавитися майже при кімнатній температурі або при дуже великій. Більшість фізичних властивостей речовин зумовлені їхньою внутрішньою будовою.

За внутрішньою будовою і фізичними властивостями розрізняють два стани твердих речовин — аморфний і кристалічний.

У кристалічних речовинах частинки, з яких побудовані кристали, розміщені в просторі в певному чіткому порядку. Якщо через центри цих частинок провести уявні лінії, то ми побачимо певні ґратки, які називають кристалічними ґратками. Структурні одиниці в кристалічних речовинах утворюють правильні геометричні фігури (мал. 23.1а).

 

Аморфні речовини не мають чіткої просторової структури, вони утворені з невпорядкованих частинок (атомів чи молекул). За внутрішньою будовою аморфні речовини нагадують рідини, тільки вони не можуть текти (мал. 23.1 б). На відміну від кристалічних речовин, що мають певну температуру плавлення, аморфні речовини плавляться в широкому інтервалі температур. При нагріванні вони поступово розм’якшуються, потім починають розтікатися і, нарешті, стають рідкими. Аморфним речовинам, як і рідинам, можна надати будь-якої форми.

Прикладами аморфних речовин є скло, смоли, бурштин, застиглі лаки, фарби та клеї. Деякі речовини можуть перебувати як у кристалічному, так і в аморфному станах, наприклад сірка, силіцій(ІУ) оксид тощо. Звичайна природна сірка утворює яскраві жовті кристали, а при нагріванні вона утворює аморфну смолоподібну пластичну сірку (мал. 23.2).

 

Тверді речовини мають переважно кристалічну будову. Кожна кристалічна речовина має певну, характерну для неї форму кристалів. Наприклад, кристали кухонної солі NaCl мають форму куба, калійної селітри KNOli — форму призми, алюмінієвих галунів KAI(SO1)., — форму октаедрів тощо (мал. 23.3). Якщо кристалічну речовину подрібнити, то всі кристали розпадаються на окремі шматочки, кожен з яких зберігає хоча б частково форму початкового кристалу. Це свідчить про те, що кристалічний стан характеризується упорядкованою структурою.

Залежно від частинок, що утворюють кристал, і від типу хімічного зв’язку між ними, розрізняють такі типи кристалічних ґраток: йонні, молекулярні, атомні (іноді їх називають надмолекулярним), металічні.

Йонні речовини

Йонні речовини:

• у вузлах ґраток — йони (катіони

й аніони)

• тип зв’язку — йонний

• тверді, крихкі, нелеткі

• тугоплавкі

• деякі розчиняються у воді

 

 

У вузлах йонних кристалічних ґраток розташовані йони. Різнойменні йони, з яких складаються йонні кристали, утримуються разом силами електростатичного притягання. Навколо кожного йона в йонних кристалічних ґратках перебуває певна кількість інших (протилежних за знаком) (мал. 23.4). Йонні кристалічні ґратки характерні для речовин з йонним зв’язком.

У йонних кристалах усі йони сильно притягуються один до одного. Для того щоб зрушити йони зі свого місця, необхідна велика кількість енергії. Завдяки цьому

йонні сполуки при кімнатній температурі тверді, а плавляться і киплять лише при сильному нагріванні (див. Додаток 1).

 

Речовини з йонними кристалічними ґратками нелеткі, тому не мають запаху. Йонні кристали є крихкими, оскільки навіть невеликий зсув шарів у кристалі наближає один до одного однойменно заряджені йони, відштовхування між якими призводить до послаблення притягання і, як результат, до появи тріщин у кристалі або навіть до його руйнування (мал. 23.5).

У твердому стані йонні сполуки не проводять електричний струм, оскільки всі йони жорстко закріплені на певному місці. Але якщо нагріти й розплавити такі речовини або розчинити у воді, то всі йони стають рухливими, і тому розплави йонних сполук добре проводять електричний струм.

Молекулярні речовини

Молекулярвгі

речовини:

• у вузлах ґраток — молекули

• слабка міжмолекулярна взаємодія

• крихкі, леткі

• легкоплавкі

• розчиняються

у воді та в інших розчинниках

 

У вузлах молекулярних кристалічних ґраток розташовані молекули, що зв’язані між собою слабкими міжмолекулярними силами. Наприклад, лід складається з молекул води (мал. 23.6а, с. 118), а кристали йоду (мал. 23.66, с. 118) складаються з двохатомних молекул йоду I2 (мал. 23.6в, с. 118).

Молекулярні кристалічні ґратки можуть утворювати речовини тільки з ковалентними зв’язками.

Окремі молекули, що розташовані у вузлах кристалічних ґраток, утримуються між собою слабкими міжмолекулярни-

ми взаємодіями. Значно слабкішими, ніж ковалентний зв’язок у молекулі. їх легко зруйнувати, тому речовини з молекулярними ґратками є крихкими і мають невеликі значення температур плавлення і кипіння. Багато речовин з молекулярними кристалічними ґратками за звичайних умов перебувають у рідкому або газуватому станах (хлор, хлороводень, кисень — гази; вода, сульфатна кислота, органічні розчинники — рідини).

Деякі з молекулярних речовин при нагріванні переходять з твердого в газуватий стан, минаючи рідкий (сублімують), наприклад йод, вуглекислий газ, нафталін.

Отже, речовини з молекулярними ґратками є леткими, завдяки чому деякі з них мають характерний запах. Можна навіть стверджувати, що якщо речовина має запах, то це речовина молекулярної будови.

Молекулярні речовини здатні розчинятися. Деякі з них розчиняються у воді, інші — в органічних розчинниках. Молекули не містять вільних носіїв електричного заряду, тому ані в рідкому, ані у твердому стані молекулярні речовини електричний струм зазвичай не проводять.

Речовини атомної будови

Атомні кристали мають ґратки, угворені з атомів, що сполучені один з одним міцними ковачентними зв’язками. У таких структурах неможливо виділити структурну одиницю, яку можна називати молекулою, кожний кристал є однією великою «молекулою».

Усі атоми в атомних кристалічних ґратках міцно зв’язані один з одним ковачентними зв’язками.

Речовини атомної

будови:

• у вузлах ґраток — окремі атоми

• тип зв’язку — ковалентний

• надзвичайно тверді, нелеткі

• тугоплавкі

• не розчиняються в жодному розчиннику

 

 

Щоб їх зруйнувати, необхідна велика кількість енергії. Через це речовини з атомними кристалічними ґратками мають дуже високі температури плавлення й кипіння. Вони нерозчинні у воді та в інших розчинниках.

Зсув атома зі свого місця в кристалі призводить до руйнування ковалентного зв’язку, а для цього необхідно багато енергії. Тому речовини з атомними ґратками дуже тверді, не пластичні й не крихкі.

Класичним прикладом речовини з атомними кристалічними ґратками є алмаз — найтвердіша речовина з усіх відомих (мал.

23.7«). Подібні ґратки утворюють атоми Силіцію й Оксигену у кварці (мал. 23.76).

Графіт також має атомні кристалічні ґратки, але на відміну від алмазу й кварцу в графіті атоми Карбону в кристалічних ґратках розташовані шарами, які слабо сполучені один з одним (мал. 23.8). Завдяки цьому шари легко зсунути один відносно одного, якщо прикласти навіть невелике зусилля. Цим пояснюються «пишучі» властивості графіту.

Форма кристалів у деяких речовин є настільки характерною, що за нею можна виявляти їх у суміші. Так, наприклад, у криміналістичній хімії за формою кристалів ідентифікують деякі отрути та алкалоїди (наркотичні

n Ol І ЛОМ LI

Грецьке слово кристоллос, від якого походять слова «кристал» та «кришталь», означає лід. Воно походить від грецького кріос — холод або мороз. Стародавні греки вважали, що звичайний лід, який перебуває у горах на сильному морозі, із часом кам'яніє і втрачає здатність танути. Античний філософ Apicro-тель писав, що «кристаллос народжується з води, коли вона повністю втрачає теплоту». Отже, на їхню думку, гірський кришталь — це сильно замерзлий лід.

Лінгвістично задачо

Грецькою мовою damasma означає скорення, приборкування, domoo — розтро щую, відповідно adamas — незламний. А в перекладі з французької brilliant означа· блискучий. Висловте свою думку, завдяки яким властивостям відомий мінера, алмаз на багатьох мовах називають адамантом, а оброблений алмаз називаюті діамантом або брильянтом.

Грецькою мовою аморфос означає потворний, безформний, некрасивий, ганебний мерзенний. Як на вашу думку, чому аморфні речовини отримали саме таку назву

Ознайомлення з фізичними властивостями речовин атомної, молекулярної та йонної будови

Обладнання: нагрівальний прилад, штатив із пробірками, склянки, шпатель, посудина для нагрівання (залізна ложечка, великий шпатель або пробірки з пробіркотримачем), ступка з товкачиком.

Реактиви: вода, цукор, калій сульфат (або інша сіль, що не утворює кристалогідратів), силіцій(ІУ) оксид.

І Правила безпеки:

• · використовуйте невеликі кількості реактивів;

• остерігайтеся потрапляння реактивів на одяг, шкіру, в очі;

• нагрівання здійснюйте за допомогою спеціальних тримачів.

1. Дослідження розчинності речовин у воді. Для цього в три склянки або пробірки налийте воду заввишки на ширину пальця. Шпателем внесіть у воду видані реактиви: цукор, калій сульфат та силіцій(ІУ) оксид. Визначте, чи розчиняються речовини у воді.

2. Дослідження плавлення речовин. У залізну ложечку (або пробірку) помістіть невелику кількість цукру. Внесіть ложечку

в полум’я. Визначте здатність цукру до плавлення. Повторіть дослід із калій сульфатом та силіцій(ІУ) оксидом.

3. Дослідження крихкості речовин. Крихкі речовини досить легко подрібнюються в ступці. Невелику кількість цукру помістіть у ступку та спробуйте подрібнити товкачиком. Визначте здатність цукру до подрібнення. Повторіть дослід із калій сульфатом та силіцій(ГУ) оксидом.

4. Результати досліджень оформте у вигляді таблиці та зробіть висновок щодо типу кристалічних ґраток досліджених речовин.

Речовина

Цукор

Калій сульфат

Силіцій(І\т) оксид

Розчинність у воді

     

Здатність до плавлення

     

Крихкість

     

Кристалічні ґратки

     

Дослідження фізичних властивостей речовин з різними типами кристалічних ґраток: води, кухонної солі, піску

Вам потрібні: ложка з дерев’яною ручкою, нагрівальний прилад (кухонна піч), склянка з водою, скалка (або невеликий молоточок), лід, кухонна сіль, пісок.

І Припили безпеки:

• · використовуйте невеликі кількості речовин;

• при користуванні нагрівальними приладами пам’ятайте: гарячі й холодні предмети мають однаковий вигляд.

Перед початком роботи заморозьте у морозильній камері невелику кількість води. Для цього можна використати поліетиленові формочки для приготування льоду для напоїв.

Для дослідження розчинності речовин налийте у дві чашки або склянки трохи води і помістіть у них кухонну сіль та пісок. Зробіть висновок щодо їхньої розчинності.

Для дослідження плавлення речовин невеликі порції льоду, кухонної солі та піску помістіть на ложку з дерев’яною ручкою і нагрівайте. Зробіть висновок щодо здатності речовин плавитися.

Дослідження крихкості можна виконати різними способами:

1) невеликий зразок речовини помістіть на дерев’яну дошку і спробуйте розтерти дерев’яною скалкою;

2) невелику порцію речовин розтрощіть молоточком на твердій поверхні.

Дослідіть можливість подрібнення льоду, кухонної солі та піску.

Зробіть висновок щодо типів кристалічних ґраток досліджених речовин.

Висновки

Фізичні властивості речовин зумовлені типом хімічного зв'язку та типом їхніх кристалічних ґраток:

Характеристи-ка речовин

Тип кристалічних ґраток

Йонні

Молекулярні

Атомні

Тип зв'язку

Йонний

Ковалентний (у молекулах) та слабка міжмолекулярна взаємодія

Ковалентний

Тип частинок у вузлах ґраток

Різнойменно заряджені йони

Молекули речовин, що між собою слабо взаємодіють

Атоми, що міцно сполучені один 3 одним

Температури плавлення та кипіння

Високі

Низькі

Дуже високі

Агрегатний стан за звичайних

Твердий

Гази, рідини або легкоплавкі тверді речовини

Тверді

Леткість

Нелеткі

Леткі

Нелеткі

Твердість, пластичність

Тверді, крихкі, не-пластичні

Крихкі, непластичні

Дуже тверді, непластичні, не крихкі

Здатність проводити електричний струм

У твердому стані не проводять, а розплави та розчини — проводять

У твердому стані не проводять

Більшість не проводять, деякі є провідниками (графіт) або напівпровідниками (германій)

Розчинність

Більшість розчиняються у воді

Розчиняються або у воді, або в інших органічних розчинниках

Не розчиняються у воді та в інших розчинниках

Контрольні запитання

)1. Назвіть спільні властивості твердих речовин.

2. Чим відрізняються кристалічні речовини від аморфних? Наведіть приклади кристалічних і аморфних речовин.

3. Що означає термін «кристалічні гратки»?

4. Які розрізняють типи кристалічних ґраток за типом частинок, що їх утворюють?

5. Які фізичні властивості характерні для речовин з кристалічними ґратками: а) йонними; 6) молекулярними; в) атомними?

6. Які типи хімічних зв'язків наявні в речовинах з кристалічними ґратками: а) атомними; б) йонними; в) молекулярними?

7. Якими взаємодіями утримуються: а) атоми в молекулі; б) молекули в молекулярному кристалі; в) йони в йонному кристалі; г) атоми в атомному кристалі?

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Наведіть по одному прикладу твердих речовин, які при нагріванні: а) розкладаються; б) плавляться; в) сублімують.

2. Визначте ступінь окиснення і валентність атомів Карбону в алмазі та графіті.

3. Поясніть, чому кварц SiO2 і вуглекислий газ CO2 мають зовсім різні фізичні властивості, незважаючи на подібний склад.

4. Із наведеного переліку випишіть в окремі стовпчики формули речовин з кристалічними ґратками: а) атомними; 6) йонними; в) молекулярними.

CaBr2, O2 (тв.), CuO, Br2 (тв.), C (алмаз), NaNOjf HCI (тв.), Fe2(SO4)j, CO2 (тв.), H2O (тв.).

5. Чому пластинка із силіцію або германію при сильному ударі розлітається на шматки, а з олова або свинцю тільки деформується? Поясніть, у якому випадку і чому відбувається руйнування хімічних зв'язків.

6. Порівняйте електронні конфігурації Карбону та Плюмбуму. Чому видалити електрон із зовнішнього рівня Карбону складніше, ніж Плюмбуму? Чому алмаз є неметалом, а свинець — металом?

7. Білий фосфор плавиться при 44 °С, а червоний фосфор — при значно вищій температурі. Який висновок можна зробити щодо типів їхніх кристалічних ґраток?

8. Карборунд (силіцій карбід SiC) має температуру плавлення 2830 0C и за твердістю близький до алмазу. Який тип кристалічних ґраток має ця речовина?

9. Ванілін — безбарвна кристалічна речовина з приємним запахом. Які кристалічні ґратки він має?

10. Деяка безбарвна речовина добре розчиняється у воді і має високу температуру плавлення. Висловте припущення щодо типу її кристалічних ґраток. Чи має ця речовина запах?

11. Виконайте навчальний проект № 3: «Залежність фізичних властивостей речовин від типів кристалічних ґраток».

12*. За текстом параграфа проілюструйте взаємозв'язок між складом та фізичними властивостями речовин. Поясніть логічний ланцюг: хімічний склад —» хімічний зв'язок —» кристалічні ґратки —> фізичні властивості.

13*. Знайдіть у додаткових джерелах інформацію про поширені аморфні сполуки, зокрема скло, бурштин та бітум. Які фізичні властивості дозволяють зробити висновок про їхню аморфність? Як впливають методи добування цих речовин на навколишнє середовище?

Перевірте свої знання за темою «Хімічний зв'язок і будова речовини».

 

Це матеріал з підручника Хімія 8 клас Григорович

 

Категорія: Хімія

Автор: admin от 13-09-2016, 17:59, Переглядів: 8613