Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Лашевська

§ 8. Кристалічний і аморфний стани твердих речовин. Залежність фізичних властивостей речовин від їхньої будови

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • наводити приклади аморфних і кристалічних речовин;
  • пояснювати відмінності між аморфними й кристалічними речовинами;
  • прогнозувати фізичні властивості речовин на основі їхньої будови та будову речовин на основі їхніх фізичних властивостей;
  • висловлювати судження щодо залежності між використанням речовин та їхньою будовою й властивостями.

Тверді речовини зазвичай мають кристалічну будову, якій притаманне правильне розташування частинок у строго визначених точках простору (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Кристали галіту (кам’яної солі NaCl) мають кубічну форму, їх легко розколоти за гранями куба

Яким кольором у моделі кристала галіту (рис. 8.1) позначено катіони Натрію, а яким - аніони Хлору? Обґрунтуйте свою думку

Кристали (від грец. κρύσταλλος - лід, гірський кришталь, кристал) - тіла, що мають природну зовнішню форму правильних симетричних багатогранників, зумовлену їхньою внутрішньою структурою (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Багатогранний світ кристалів. 1. Берил Аl2Ве3[Sі6О18]. 2. Гранат R2+3R3+2(SiO4)3, де R2+= Са2+, Fe2+, Mg2+, Mn2+, a R3+= Al3+, Fe3+. А - SiO4-4, тетраедр; Б - R2+; В - R3+

Аморфні речовини (від давн.-грец. α - не- і μορφή - вид, форма) не мають кристалічної структури (рис. 8.3.1) і, на відміну від кристалів, не розщеплюються з утворенням кристалічних граней (пригадайте, ви вже вивчали це на уроках фізики). Аморфними є скло, пластичні маси, смоли, бурштин тощо (рис. 8.3.2).

Рис. 8.3. 1. Модель будови аморфної речовини. 2. Бурштин - аморфна речовина

Аморфні речовини утворюються внаслідок швидкого охолодження розплавів або конденсації газу на охолоджену поверхню, тож атоми не встигають зайняти правильні положення. Згодом аморфні речовини кристалізуються (рис. 8.4).

Рис. 8.4. 1. Кристалізація сахарози (яка її молекулярна формула?) на поверхні льодяників відбувається порівняно швидко

Аморфні речовини не мають чітко визначеної температури плавлення (висловте припущення чому). Унаслідок нагрівання вони розм’якають та перетворюються на в’язку рідину.

Цікаво і пізнавально

Аморфний метал або металеве скло (bulk metallic glass, BMG) має аморфну структуру. Такі матеріали в 50 разів міцніші за пластик, удесятеро - за алюміній, утричі - за сталь. Металеве скло майже неможливо подряпати.

Висловте припущення, для чого можна використати металеве скло. Порівняйте свій прогноз з думкою автора розробки.

https://www.youtube.com/watch?v=Bd370rlvT5M

Кристалічні ґратки - модель, за допомогою якої описують внутрішню будову кристалів. Точки простору, у яких розташовані структурні частинки речовини в кристалі, називають вузлами кристалічних ґраток. Природа частинок у вузлах кристалічних ґраток та сили взаємодії між частинками визначають тип ґраток: йонні, атомні, молекулярні та металічні.

Атомні кристали. Типовим прикладом таких речовин є алмаз (рис. 8.5). Він не проводить електричний струм (поясніть чому). Це надзвичайно стійка форма існування Карбону (поясніть чому). У бору, силіцію, германію, арсену, кварцу також атомні кристалічні ґратки (спрогнозуйте властивості цих речовин, перевірте свої припущення, використавши додаткові джерела інформації).

Рис. 8.5. 1. Кристалічні ґратки алмазу. 2. Діаманти - огранені алмази

За рисунком 8.5 поясніть, якими зв’язками сполучені атоми в алмазі. Порівняйте всі щонайближчі між’ядерні відстані й усі кути між чотирма зв’язками атома Карбону в ньому. Чи є в кристалічних ґратках алмазу вільні електрони? Чому?

Речовини, що мають атомні кристалічні ґратки, плавляться за високих температур (поясніть чому). Наприклад, температура плавлення кварцу SiO2 становить 1725 °С. Атомні ґратки і в надзвичайно твердого бор(ІІІ) нітриду BN, а також у найтугоплавкішої з усіх відомих речовин - гафній карбіду HfC (3959 ± 84 °С). Речовини з атомними кристалічними ґратками майже нерозчинні в будь-яких розчинниках, мають низьку реакційну здатність (поясніть чому).

Молекулярні кристалічні ґратки побудовані з молекул (наведіть приклади речовин з молекулярними кристалічними ґратками). Зазвичай у них низькі температури плавлення й кипіння (поясніть чому). На рисунку 8.6 зображено кристалічні ґратки йоду, у вузлах яких - молекули І2. Атоми Йоду в молекулі сполучені досить міцними зв’язками (якими саме?), а молекули між собою - слабкими силами. Тому вже за незначного нагрівання йод не плавиться, а переходить з кристалічного стану в газуватий (сублімується), за охолодження пара йоду кристалізується.

Рис. 8.6. 1. Кристалічні ґратки йоду. 2. Сублімація та кристалізація йоду

Міцність молекулярних кристалів залежить від розмірів і складності молекул. Наприклад, багато органічних речовин, у молекулах яких десятки тисяч і більше атомів, узагалі не плавляться. Це зумовлено тим, що міцність зв’язків між молекулами загалом вища за міцність зв’язків усередині молекули.

Пригадайте молекулярні формули крохмалю та целюлози й поясніть, чому ці речовини починають руйнуватися раніше, ніж плавитися.

Важливо розуміти, що хімічна активність речовин молекулярної будови залежить передусім від міцності внутрішньомолекулярних зв’язків - адже саме вони руйнуються під час хімічних реакцій.

Йонні кристали зазвичай тверді, але крихкі. Поясніть цей факт за рисунком 8.7. У речовин з йонними кристалічними ґратками високі температури плавлення (поясніть чому). Також характерною ознакою йонних речовин є електропровідність їхніх розплавів і водних розчинів (поясніть чому).

Рис. 8.7. Руйнування йонних кристалічних ґраток унаслідок механічного впливу. 1. Місце впливу. 2. Зсування шарів йонів. 3. Руйнування внаслідок відштовхування між однаково зарядженими йонами

Які частинки розташовані у вузлах металічних кристалічних ґраток, а які безладно рухаються між ними, ви вже знаєте з попереднього параграфа (назвіть їх). Така особливість металічних кристалічних ґраток зумовлює блиск1, високу електро- та теплопровідність металів, їхню ковкість (рис. 8.8).

1 У металів блиск зумовлений відбиттям світлових променів від усуспільнених електронів. Він є лише в компактних масах металу. Наприклад, порошкоподібна мідь не блищить, однак після утрамбовування та шліфування її порошку поверхня металу стає блискучою. Лише порошки магнію та алюмінію блискучі.

Рис. 8.8. Фізичні властивості металів зумовлені їхньою будовою. 1. Не все те золото, що блищить. 2. Удар блискавки в блискавичник Ейфелевої вежі (Париж, Франція, 2018 рік). 3. Металева піч для обігріву приміщень та приготування їжі (буржуйка) була популярна в першій половині XX століття. 4. Куй залізо, поки гаряче

Перевагою й водночас недоліком пічки-буржуйки, корпус якої виготовляють зі сталі або чавуну, є те, що вона швидко нагрівається й не менш швидко холоне. Поясніть, чим це зумовлено!

*Кристалічна структура графіту (рис. 8.9) зовсім не схожа на структуру алмазу, хоча обидві речовини є простими речовинами Карбону. Три електрони зовнішнього енергетичного рівня кожного атома Карбону в графіті беруть участь в утворенні ковалентних (яких саме?) зв’язків з іншими атомами Карбону. Четвертий електрон кожного з них є спільним для всього атомного шару. Між атомними шарами в графіті діють слабкі сили притягання. На відміну від алмазу графіт непрозорий, має чорний колір (рис. 8.9. 2).

Рис. 8.9. 1. Кристалічні ґратки графіту. 2. Графіт - складник олівців

Поміркуйте й поясніть. 1. У якому напрямку - вертикальному чи горизонтальному - графіт є атомним, а в якому - молекулярним кристалом? 2. Чому графіт: а) має високу електропровідність; б) легко розшаровується на лусочки; в) є тугоплавкою речовиною. 3. Графен - новітній матеріал з унікальними властивостями. Якими саме? Спробуйте спрогнозувати властивості графену з огляду на те, що він має 2D-структуру, це моноатомний шар графіту. Перевірте свій прогноз, скориставшись додатковими джерелами інформації.

https://www.youtube.com/watch?v=Mrc6ld0VaYI

https://www.youtube.com/watch?v=FWENEXM5S3E

https://www.youtube.com/watch?v=4FLFy3mrjD4

ПРО ГОЛОВНЕ

• Кристалічній будові речовини на відміну від аморфної притаманне правильне розташування частинок у строго визначених точках простору.

• Природа частинок у вузлах кристалічних ґраток та сили взаємодії між частинками визначають тип ґраток: атомні, йонні, металічні, молекулярні.

• Властивості речовин залежать від їхньої будови й зумовлюють застосування.

Перевірте себе

  • 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

  • 2. Кварцове скло виготовляють плавленням кварцового піску або гірського кришталю. У чому полягає відмінність у будові кварцового скла та природного кристалу гірського кришталю?
  • 3. Які частинки розташовані у вузлах кристалічних ґраток речовин, хімічні формули яких CaO, СО2, Si, Na2CO3?
  • 4. Спрогнозуйте тип кристалічних ґраток у речовинах за описом їхніх властивостей і застосування: а) камфора (компонент мазей, крапель та інших лікарських форм) - безбарвні леткі кристали з характерним запахом; б) ванілін (ароматизатор кондитерських виробів) - безбарвні кристали з приємним запахом; в) бор нітрид BN (боразон) за твердістю наближається до алмазу, водночас він стійкіший до високих температур. Його використовують для виготовлення надтвердих абразивних матеріалів.
  • 5. Карбон(IV) оксид у твердому стані називають сухим льодом. На відміну від звичайного льоду він не тане, а випаровується. Поясніть це явище.
  • 6. Порівняйте кристалічні ґратки різних типів. Результат порівняння оформте як таблицю або діаграму Венна.
  • *7. Порівняйте кристалічні ґратки графіту з атомними, молекулярними та металічними кристалічними ґратками. Результат порівняння оформте як таблицю або діаграму Венна.

Творча майстерня

  • 8. Визначте типи кристалічних ґраток у речовинах повсякденного вжитку, підготуйте презентацію свого дослідження.

Проектуймо! Творімо!

  • 4. Застосування рідких кристалів.
  • 5. Використання речовин з різними видами хімічних зв'язків у техніці.
  • 6. Значення водневого зв'язку для організації структур біополімерів.

Тест-контроль

1. Унаслідок утворення хімічного зв’язку між двома атомами Нітрогену

А енергія поглинається

Б енергія виділяється.

В енергія спочатку поглинається, потім - виділяється.

Г енергія спочатку виділяється, потім - поглинається.

2. Унаслідок утворення хімічного зв’язку між двома атомами Нітрогену утворюється спільна електронна оболонка. Вона подібна до електронної оболонки атома

А Гелію

Б Оксигену

В Неону

Г Літію

3. Ковалентний зв’язок між атомами X-Y виникає за рахунок

А переходу електрона від Y до X.

Б сил електростатичного притягання між атомами Х та Y.

В перекривання атомних орбіталей атомів X та Y.

Г переходу пари електронів від Y до X.

4. Ковалентним зв’язком сполучені атоми

А лужних елементів

Б металічних елементів

В неметалічних елементів

Г інертних елементів

5. Ковалентним зв’язком сполучені атоми

А Натрію

Б Сульфуру й Флуору

В Неону

Г Натрію й Хлору

6. У якій речовині два типи хімічного зв’язку - йонний і ковалентний?

A SO3

Б MgF2

В КОН

Г H2SO4

7. Укажіть аморфну речовину.

А кухонна сіль

Б бурштин

В алмаз

Г йод

8. Укажіть речовину з молекулярними кристалічними ґратками.

А вода

Б натрій хлорид

В алмаз

Г графіт

9. Укажіть речовину з атомними кристалічними ґратками.

А сахароза

Б алмаз

В карбон(ІV) оксид

Г калій бромід

10. Укажіть речовину з йонними кристалічними ґратками.

А вода

Б графіт

В карбон(ІV) оксид

Г магній оксид