Кристалічні гратки

За звичайних умов більшість речовин мають твердий агрегатний стан. Знижуючи температуру, можна перевести у твердий стан будь-яку рідку чи газувату речовину. Наприклад, за температури 0 ^cC рідка вода перетворюється на твердий лід. За температури -183 ⁰C газоподібний безбарвний кисень перетворюється на рідину. За ще нижчої температури (-223 °С) кисень стає твердим.

Більшість речовин, що перебувають у твердому агрегатному стані, мають чіткий порядок розміщення на певних відстанях структурних частинок. Розміщуючись за певним порядком, їхні структурні частинки утворюють кристали.

Кристали — це тверді тіла, структурні частинки речовини в яких розміщені в певному порядку. Тривимірне розміщення структурних частинок у кристалі називається кристалічною ґраткою речовини.

Точки, в яких розміщуються ці структурні частинки речовини у кристалі, дістали назву вузли ґратки.

Існують також тверді речовини, що не мають кристалічної будови.

їх називають аморфними. Аморфний стан мають смола, скло, каніфоль, цукровий льодяник та ін. Структурні частинки в них не утворюють кристалічної ґратки, бо розташовані хаотично. Деякі речовини можуть перебувати як в аморфному, так і в кристалічному стані, наприклад сірка.

Вам відомо, що структурними частинками речовини можуть бути атоми, молекули, йони. Залежно від структурних частинок речовини кристалічні ґратки бувають йонні, атомні, молекулярні.

ЙОННІ КРИСТАЛІЧНІ ҐРАТКИ. їх мають речовини, які утворені йонним хімічним зв’язком (мал. 35).

Розміщення йонів у них не хаотичне, а певним чином упорядковане. У вузлах йонних кристалічних ґраток перебувають катіони й аніони, розміщені почергово. Так, наприклад, у кристалі натрій хлориду кожний катіон Натрію оточують шість аніонів Хлору, і навпаки.

Як бачимо з малюнка 34, йони Натрію і Хлору в кристал кухонної солі розміщені в шаховому порядку: навколо кожного йона Na⁺ групуються йони СІ", навколо кожного йона Cl^- — йони Na⁺. Взаємне притягання йонів Na⁺ і СІ" зумовлює міцність кристала.

ВЛАСТИВОСТІ СПОЛУК З ЙОННОЮ КРИСТАЛІЧНОЮ ҐРАГКОЮ. Особливістю йонних сполук є те, що сили притягання в них діють однаково в усіх напрямах. Тому йони у вузлах кристалічної ґратки зв’язані міцно, речовини за кімнатної температури є твердими, а тепловий рух йонів — дуже незначний. Проте нагрівання речовин до температури, вищої від їх температури плавлення, збільшує тепловий рух йонів, сили притягування між ними слабшають і врешті зв’язки між йо-нами розриваються. Кристал переходить у рідкий стан.

Сили взаємодії між катіонами та аніонами у кристалі великі, тому потрібно багато енергії, щоб його розплавити, і ще більше, щоб перевести в пароподібний стан. Цим пояснюється порівняно висока твердість і тугоплавкість сполук з йонними кристалічними ґратками. Так, температура плавлення натрій хлориду — 801 °С. Йонні кристалічні ґратки перевищують за міцністю молекулярні, але поступаються атомним; багато речовин з йонним типом кристалічної ґратки добре розчиняються у воді.

АТОМНІ КРИСТАЛІЧНІ ҐРАТКИ. У вузлах атомних кристалічних ґраток перебувають атоми. Алмаз (від араб, almas — «нездоланний») — найтвердіша з відомих природних речовин. Висока твердість алмаза зумовлена особливістю його атомної кристалічної ґратки. У ній кожний атом Карбону оточений такими самими атомами, розміщеними у вершинах правильного тетраедра (мал. 36). Такі кристалічні ґратки властиві небагатьом речовинам із ковалентним зв’язком, наприклад, алмазу, карборунду SiC, силіцій(ІУ) оксиду SiO₂. Речовини з атомною ґраткою характеризуються високою твердістю, тугоплавкі й нерозчинні у воді.

МОЛЕКУЛЯРНІ KPllCTАЛІЧНІ ҐРАТКИ. У вузлах молекулярних кристалічних ґраток перебувають молекули речовин із неполярним чи полярним ковалентним зв’язком. Серед речовин із молекулярною кристалічною ґраткою е тверді за звичайних умов речовини, наприклад йод (мал. 37, а), багато органічних речовин, наприклад, цукор, глюкоза, спирт. Молекулярну кристалічну ґратку у твердому агрегатному стані мають деякі рідини (вода) та гази (хлор, вуглекислий газ, азот, кисень) (мал. 37. б). Молекули утримуються слабкими силами міжмолекулярної взаємодії, тому можуть відриватися від кристалу й переходити в газоподібний стан. Тобто потрібно небагато енергії, щоб відокремити молекули одну від одної. Пригадайте, що для цього воду достатньо злегка нагріти (не кажучи вже про кип’ятіння), парафінову свічку запалити сірником, нафталін без упаковки — покласти на деякий час у шафу.

Речовини з молекулярним типом кристалічної ґратки внаслідок слабкого притягування молекул мають низькі твердість, температуру плавлення та кипіння, леткі.

Знаючи вид хімічного зв’язку в речовині, ви тепер можете не лише схарактеризувати її кількісний та якісний склад, а й називати фізичні властивості.

Кристали утворюються внаслідок кристалізації речовин із розчинів чи розплавів. У цьому ви можете переконатися самостійно. Виділіть речовину йонної будови з розчину у вигляді красивих кристалів.

Користуючись доступними вам речовинами, проведіть у домашніх умовах дослід із вирощування кристалів.

Для проведення досліду вам знадобляться: тверді речовини (сода, кухонна сіль, мідний купорос), чиста скляна банка, нитка, олівець або схожа на нього паличка, скріпка для паперів, миска, гаряча вода, металева ложка.

1. Наповніть банку гарячою водою (щоб банка не тріснула, поставте в неї металеву ложку) й відразу ж помістіть банку в миску з гарячою водою. Це довше збереже воду в банці гарячою.

2. Додавайте невеликими порціями одну з твердих речовин у банку до того часу, доки не побачите, що речовина більше вже не розчиняється.

Розчиненням у воді ви зруйнували кристалічну ґратку речовини, і йони рівномірно розподілилися між молекулами води!

3. До одного кінця нитки прив’яжіть скріпку, другий намотайте на олівець посередині. Покладіть олівець посередині отвору банки так, щоб скріпка була занурена в розчин. Через кілька днів ви знову повернете речовині кристалічний стан — скріпка покриється кристаликами речовини.

Властивості речовин залежать від виду хімічного зв’язку та розміщення структурних частинок речовини у кристалі.

Кристалічна гратка — це тривимірне розміщення структурних частинок речовини в кристалі.

За розташуванням структурних частинок у кристалі розрізняють йонні, атомні, молекулярні та деякі інші кристалічні ґратки.

Речовини з йонною та атомною кристалічною ґраткою за звичайних умов тверді.

Серед речовин з молекулярною кристалічною ґраткою наявні тверді, рідкі та газоподібні за звичайних умов речовини.

Існує певний зв’язок між типом кристалічної ґратки та фізичними властивостями речовини.

За відомим типом кристалічної ґратки речовини можна спрогнозувати її властивості.

Особливу кристалічну будову, відмінну від розглянутих, мають метали. Більш детально металічні кристалічні ґратки ви будете вивчати у старшій школі. І все ж, що в ній особливого?

Якщо у вузлах атомних кристалічних ґраток перебувають атоми, а у вузлах йон-них — йони, то у вузлах металічних кристалічних ґраток присутні і ті, й інші структурні частинки речовини. Пригадайте, що атоми металічних елементів мають на зовнішньому енергетичному рівні найчастіше 1-2 електрони. До того ж вони неміцно зв’язані з ядром свого атома і в хімічних реакціях атом їх легко віддає. Електрони, що втратили зв'язок з ядрами своїх атомів, стають усуспільненими.

Відтак кристалічну ґратку металу можна уявити як таку, що складається з атомів, йонів (катіонів) і вільних електронів, що перебувають у хаотичному русі між структурними частинками ґратки.

Тепер вам стало зрозуміло, чим зумовлені загальні властивості металів.

Наведіть визначення кристалічної ґратки.

Які типи кристалічних ґраток вам відомі? Назвіть структурні частинки, що перебувають у вузлах цих кристалічних ґраток.

Поміркуйте: чи позначається тип кристалічної ґратки на властивостях речовин? Доведіть й аргументуйте свою відповідь.

Укажіть тип кристалічної ґратки твердої речовини, що добре розчинна у воді й має високу температуру плавлення.

А йонна Б атомна В молекулярна

Укажіть тип кристалічної ґратки речовини, якщо вона легкоплавка, має характерний запах, погано розчиняється у воді.

А металічна Б атомна В молекулярна Г йонна

Яку з речовин слід сильніше нагріти, щоб перевести з твердого стану в рідкий:

а) лід;

б) кухонну сіль;

в) алмаз?

Поясніть чому.

На підставі знань про хімічний зв’язок спрогнозуйте фізичні властивості речовин:

а) калій йодиду Kl;

б) кремнію Si;

в) амоніаку NH₃.

Виконання завдань різної складності

Запропоновані в параграфі завдання дозволять вазі перевірити вашу хімічну компетентність із теми «Хімічний зв’язок і будова речовини». Скористайтесь такою можливістю.

У молекулі води хімічний зв’язок:

А йонний

Б ковалентний полярний

В ковалентний неполярний

Г металічний

Формули речовин: H₂, N₂, O₂, F₂, PH₂, CH_i, HCl, H₂O розподіліть на групи формул:

а) з однією спільною електронною парою в молекулі;

б) із двома спільними електронними парами в молекулі;

в) із трьома спільними електронними парами в молекулі.

Речовина силан SiH₄ — газувата, погано розчинна у воді. Поміркуйте та підготуйте відповіді на запитання щодо цієї речовини:

а) які ступені окиснення атомів у молекулі? Зробіть відповідні записи;

б) скільки неспарених електронів в електронній оболонці атома Силіцію;

в) який вид хімічного зв’язку в молекулі;

г) яке число спільних електронних пар утворює атом Силіцію з атомами Гідрогену в молекулі силану і яким воно мало бути згідно з його електронною формулою в не збудженому стані;

д) за рахунок чого в атома Силіцію змінилась кількість неспарених електронів?

За потреби зверніться до тексту рубрики «Сторінки ерудити» пара-грифи 22.

Закінчіть схеми перетворень нейтральних атомів на йони:

Які частинки перебувають у вузлах кристалічних ґраток:

а) води;

б) графіту;

в) калій оксиду;

г) йоду?

В електронній оболонці атома хімічного елемента б «-електронів і 9 р-електронів. Який вид хімічного зв’язку в атомів цього елемента у сполуці з Гідрогеном?

Спрогнозуйте вид хімічного зв’язку між атомами з такими електронними формулами зовнішнього енергетичного рівня: ...3s¹ і ...Ss²SpK Напишіть схему утворення хімічного зв’язку.

Після виконання завдань оцініть свою компетентність у знаннях і розумінні поняття хімічного зв’язку в будові речовини. Поміркуйте, де в повсякденному житті ви зможете використати отримані знання.

Укажіть тип кристалічної гратки у бінарній сполуці елементів з протонними числами 3 і 17.

А атомна Б молекулярна В йонна Г металічна

Розташуйте формули оксидів за збільшенням ступеня окиснення елементів.

а) B₂O₃;

б) N₂O₅;

в) Cs₂O;

г) MnO₂.

Укажіть пари структурних частинок речовини, з якими йон Магнію має однакову електронну будову.

А Атом Аргону і катіон Калію Б Атом Неону і катіон Алюмінію В Атом Гелію і катіон Натрію Г Атом Неону й аніон Флуору

Це матеріал з підручника Хімія 8 клас Ярошенко