Головна ⇒ 📌Довідник з хімії ⇒ Будова твердих речовин та їхні властивості

Будова твердих речовин та їхні властивості

Хімія підготовка до ЗНО та ДПА
Комплексне видання

ЧАСТИНА І

ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК І БУДОВА РЕЧОВИНИ

Кристалічні й аморфні речовини

Речовини, які нас оточують, як правило, перебувають у твердому агрегатному стані. Більшість фізичних властивостей речовин обумовлюється їхньою внутрішньою будовою. За внутрішньою будовою та фізичними властивостями розрізняють два стани твердих речовин – аморфний і кристалічний.

Аморфні речовини не утворюють правильної

геометричної структури, являючи собою структури з неупорядкованим розташуванням частинок (атомів або молекул). На відміну від кристалічних речовин, які мають цілком певну температуру плавлення, аморфні речовини плавляться в широкому інтервалі температур. При нагріванні вони поступово розм’якшуються, потім починають розтікатися й, зрештою, стають рідкими. Іноді аморфні речовини розглядають як рідини з дуже великою в’язкістю. На відміну від кристалічних речовин, які характеризуються правильною повторюваністю розташування атомів на великих відстанях, в аморфних речовинах, подібно до рідин, частинки розташовані

хаотично. Прикладами аморфних речовин є скло та смоли.

Деякі речовини можуть перебувати і в кристалічному, і в аморфному станах,- наприклад сірка, силіцій(ІV) оксид тощо. Багато речовин можуть бути переведені з аморфного стану в кристалічний і навпаки. Так, аморфне скло при зберіганні “розскляновується”, тобто в ньому з’являються дрібні кристалики. Унаслідок цього старе скло при нагріванні розбивається й тріскається легше й частіше, аніж щойно виготовлене. Аморфні речовини найбільше відрізняються від кристалічних за фізичними властивостями.

Переважній більшості твердих речовин притаманна кристалічна будова. Кожна кристалічна речовина має певну, характерну для неї форму кристалів. Якщо кристалічну речовину подрібнити, то її кристали розпадуться на окремі шматочки, кожен з яких зберігатиме, хоча б частково, форму вихідного кристала.

У кристалічних речовинах частинки, з яких побудовані кристали, розташовуються в просторі в певному порядку й утворюють просторову кристалічну гратку. Кристалічна гратка побудована з однакових, постійно повторюваних структурних одиниць, індивідуальних для кожного кристала. Таку структурну одиницю називають елементарною коміркою. Найпростіша елементарна комірка містить 8 вузлів у вершинах куба.

Залежно від характеру частинок, які утворюють кристал, і від типу хімічного зв’язку між ними розрізняють чотири типи кристалічних граток: металеву, іонну, молекулярну та атомну.

Металічні структури

Атоми металічних елементів досить легко віддають електрони, тому у вузлах кристалічної гратки металів перебувають іони металів, у просторі між якими вільно пересуваються електрони, що утворюють так званий електронний газ. Розміри всіх іонів однакові, тому іони в металах розташовані максимально щільно й утворюють найпростіші кристалічні структури. Металічні структури можуть утворювати як метали, так і деякі сполуки з металічним зв’язком, наприклад нітриди Титану й Хрому.

У металічних структурах електрони вільно пересуваються по всьому кристалу й у такий спосіб обумовлюють зв’язок між усіма позитивними іонами в кристалі. Завдяки такій поведінці електронів метали проявляють добру електро – і теплопровідність. Окремі шари іонів можна легко пересувати один щодо одного, тому що у всіх вузлах кристалічної комірки перебувають позитивні іони, які з’єднуються завдяки притягуванню до електронного газу. Цим обумовлюється пластичність (ковкість) металів.

Іонні структури

Якщо у вузлах кристалічної гратки розташовані іони, то таку решітку називають іонною. Різнойменно заряджені іони, які утворюють іонні кристали, утримуються вкупі електростатичними силами. Тому структура іонної кристалічної гратки повинна забезпечувати їхню електричну нейтральність. Навколо кожного іона в іонній кристалічній гратці перебуває певна кількість інших іонів (протилежних за знаком). Так, у кристалічній гратці натрій хлориду кожен іон Na+ оточений шістьма іонами Сl-. Аналогічно, кожен іон Сl – оточений шістьма іонами Na+. Іонні кристалічні гратки характерні для речовин з іонним зв’язком.

Оскільки число зв’язків в іонних кристалах дуже велике, то всі іони міцно зв’язані один з одним. Для того щоб їх зруйнувати, необхідно витратити велику кількість енергії. Тому іонні сполуки при кімнатній температурі тверді, а плавляться й киплять лише при сильному нагріванні.

Речовини з іонною кристалічною граткою мають порівняно високу твердість. Вони нелеткі, тому не мають запаху. Але, на відміну від металічних структур, іонні кристали є крихкими, оскільки навіть невелике зміщення шарів у кристалі наближає один до одного однойменно заряджені іони, відштовхування між якими призводить до розриву іонних зв’язків і, як наслідок, до появи тріщин у кристалі або навіть до його руйнування.

Хоча в іонних кристалах є готові носії електричного заряду (катіони й аніони), у твердому стані іонні сполуки не проводять електричний струм, тому що всі іони жорстко закріплені на своєму місці й не можуть вільно пересуватися по кристалу. Але якщо нагріти й перевести іонну сполуку в рідкий стан (розплавити), то всі іони стають рухливими, і тому розплави іонних сполук добре проводять електричний струм. Електричний струм проводять не тільки їхні розплави, але й розчини. Багато іонних сполук легко розчиняються у воді.

Молекулярні структури

У вузлах молекулярних кристалічних граток розташовані молекули, які зв’язані між собою слабкими міжмолекулярними силами. Наприклад, лід складається з молекул води, які втримуються разом у кристалічній гратці водневими зв’язками. Йод також існує у вигляді молекулярних кристалів. Вузли кристалічної гратки йоду зайняті двохатомними молекулами йоду І2. Хлор і бром утворюють подібні структури при більш низьких температурах (у звичайних умовах хлор – газ, а бром – рідина). Таку саму структуру має твердий вуглекислий газ (“сухий лід”). Молекулярну структуру має ще цілий ряд неорганічних сполук (наприклад, твердий амоніак), а також більшість органічних сполук (наприклад, твердий метан, етиловий спирт, бензол, фенол, нафталін тощо). Молекулярні структури можуть утворювати речовини тільки з ковалентними зв’язками.

Окремі молекули, розташовані у вузлах кристалічної гратки, зв’язані між собою слабкими силами, значно слабшими, аніж хімічні зв’язки в молекулі. їх легко зруйнувати, тому речовини з молекулярною решіткою є крихкими й мають невисокі значення температур плавлення та кипіння. Чимало речовин з молекулярною структурою у звичайних умовах перебувають у рідкому або газоподібному станах (хлор, хлороводень, кисень – гази, вода, фтороводень, сульфатна кислота, органічні розчинники – рідини). Деякі з молекулярних речовин при нагріванні можуть переходити з твердого в газоподібний стан, оминаючи рідкий (піддаються сублімації), наприклад йод, вуглекислий газ, нафталін.

Розчинність таких речовин у воді залежить від типу зв’язку в їхніх молекулах. Речовини з ковалентним неполярним або слабко-полярним зв’язком у воді не розчиняються, а більшість речовин з ковалентним полярним зв’язком розчиняються у воді більшою або меншою мірою. Молекули речовин не містять вільних носіїв електричного заряду, тому ні в рідкому, ні у твердому стані молекулярні структури електричний струм не проводять.

Атомні структури

На відміну від іонних та металічних кристалів, які складаються з іонів, а також на відміну від молекулярних кристалів, які складаються з молекул, атомні кристали мають решітку, побудовану з атомів, з’єднаних один з одним міцними ковалентними зв’язками. У таких структурах неможливо виділити структурну одиницю, яку можна називати молекулою, кожен кристал являє собою одну велику молекулу. Саме тому такі кристали називають ще надмолекулярними.

Усі атоми в атомних структурах міцно зв’язані один з одним ковалентними зв’язками. Щоб їх зруйнувати, необхідна дуже велика кількість енергії. Саме тому речовини з атомною кристалічною граткою мають дуже високі температури плавлення й кипіння. Вони нерозчинні у воді та в інших розчинниках. Атоми в кристалічній гратці повинні розташовуватися тільки в чітко визначених місцях і на визначеній відстані один від одного. Зсув атома зі свого місця призводить до руйнування ковалентного зв’язку, а для цього потрібно багато енергії. Тому речовини з атомною решіткою дуже тверді, непластичні й некрихкі.

Атомну кристалічну гратку має алмаз – найтвердіша речовина серед усіх відомих речовин. Атоми Карбону утворюють чотири одинарні ковалентні зв’язки, спрямовані до вершин правильного тетраедра, у центрі якого розташовується атом Карбону. Таким чином, із цим центральним атомом можуть бути зв’язані чотири інші атоми Карбону. Кожен із них зв’язується ще з трьома іншими атомами Карбону і т. д. У такий спосіб утворюється тривимірна решітка, складена тільки з атомів Карбону. Подібну решітку утворюють атоми Силіцію та Оксигену у кварці.

Графіт також має атомну кристалічну гратку, але, на відміну від алмазу й кварцу, у графіті кожний атом Карбону утворює три ковалентні зв’язки з трьома іншими атомами Карбону; при цьому утворюється плоска “сітка із шестикутників”. Кожний із шарів, утворений атомами Карбону, характеризується ковалентними зв’язками всередині кожного шару, а шари зв’язані один з одним слабкими зв’язками. Через це шари можна легко змістити один щодо одного, доклавши зовсім невелике зусилля. Цим пояснюються, наприклад, “писальні” властивості графіту. На відміну від алмазу, графіт добре проводить електричний струм, але його електрони можуть пересуватися тільки в одному напрямку: вздовж площини шестикутників, а навпаки – у перпендикулярному напрямку – графіт майже не проводить електричний струм.

Будова простих речовин і місце елементів у Періодичній системі

Оскільки тип хімічного зв’язку залежить від електронної конфігурації атомів, то закономірності в будові атомів впливають і на будову та фізичні властивості утворених ними простих речовин.

Місце s – та р-елементів у Періодичній системі й типи кристалічних граток їхніх простих речовин

Період	Група
І	ІІ	III	IV	V	VI	VII	VIII
1	H2	He
2	Li	Ве	В	С	N2	O2	F2	Ne
3	Na	Mg	Аl	Si	P4	S8	Cl2	Ar
4	К	Са	Ga	Ge	As	Se	Br2	Kr
5	Rb	Sr	In	Sn	Sb	Те	I2	Xe
Тип кристалічної гратки	Металічна	Атомна	Молекулярна