Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Ярошенко

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

Інформаційна довідка

• Речовини можуть перебувати у твердому, рідкому, газоподібному станах за певних тиску й температури. Існує також четвертий стан (властивий космічним тілам) — плазма.

• Агрегатний стан є наслідком взаємного розташування, теплового руху та взаємодії структурних частинок речовини.

• Речовини того чи іншого агрегатного стану відрізняються характером руху молекул і ступенем впорядкованості, розташуванням структурних частинок, які визначаються силами, що діють між ними.

• За низьких температур більшість рідких і газоподібних речовин замерзає (переходять у твердий агрегатний стан), а за високих температур тверді й рідкі речовини киплять і випаровуються (переходять у газоподібний стан).

КРИСТАЛІЧНИЙ СТАН ТВЕРДИХ РЕЧОВИН. Кристалічний стан властивий твердим речовинам. Характерним є те, що утворені з них тверді тіла зберігають форму й об'єм.

Структурні частинки речовини (молекули, атоми або йони) в кристалічному стані зберігають незмінне положення, їхнє вільне переміщення неможливе, вони лише здійснюють незначні теплові коливання з невеликою амплітудою. Тобто кристалічні тверді речовини мають чіткий порядок розміщення структурних частинок на певних відстанях. Розташовуючись у певному порядку, вони утворюють кристали. На мікроскопічному рівні кристалам притаманний дальній порядок у розташуванні частинок — чітка просторова повторюваність структурних частинок по всьому об'єму. Це означає, що тривимірна періодичність розташування структурних частинок властива всьому об'єму речовини. Таке розміщення структурних частинок у кристалі зображують у вигляді кристалічних ґраток. Тобто, кристалічні ґратки є моделлю кристала. Точки, у яких розміщуються структурні частинки у кристалі, називають вузли ґратки. Розрізняють молекулярні, атомні, металічні і йонні кристалічні ґратки. На малюнку 15, що на с. 39, зображено різні типи кристалічних ґраток речовин і приклади речовин з різними типами кристалічних ґраток.

Як бачимо, у вузлах молекулярних кристалічних ґраток розташовані молекули, атомних — атоми, йонних — йони.

Кристали — тверді тіла з упорядкованим розташуванням структурних частинок, яке періодично повторюється у просторі.

Мал. 15. Моделі кристалічних ґраток і приклади речовин з різними типами кристалічних ґраток

Як видно з малюнка, структурні частинки речовини зображують у вигляді кульок та ліній, що їх з'єднують. Лінії роблять довшими (не витримують масштаб) для кращого зорового сприйняття структурного стану речовини.

Кристалічний стан твердих речовин характеризується періодичним розташуванням у просторі атомів, молекул або йонів. Йому на мікроскопічному рівні притаманний дальній порядок (чітка просторова повторюваність структурних частинок по всьому об'єму) і тривимірна періодичність.

Кристалічні речовини мають сталі температури плавлення і кристалізації. Більшість твердих речовин мають кристалічну будову.

АМОРФНИЙ СТАН РЕЧОВИН. Аморфному стану речовин не властива чітка просторова повторюваність структурних частинок по всьому об'єму.

Аморфні речовини — це тверді речовини, які, на відміну від кристалічних, не мають чіткого порядку розташування структурних частинок.

Через відсутність в аморфних речовин чітко впорядкованої структури їх склад не можна змоделювати у вигляді кристалічної ґратки. Однак певна впорядкованість структури в аморфних речовин існує. Вона виявляється в закономірному розміщенні навколо кожної частинки її ближніх сусідів. Тобто аморфні речовини мають тільки ближній порядок.

До аморфних речовин належать скло, пластмаси, смола, каніфоль, бурштин, бітум, віск. Деякі речовини можуть перебувати як в кристалічному, так і в аморфному стані, наприклад сірка (див. § 16).

Чи позначається аморфний стан речовин на їх властивостях і властивостях виготовлених з них предметів? Так, позначається і суттєво.

Аморфні речовини здебільшого не настільки міцні, як кристалічні, і не мають постійної температури плавлення. Унаслідок нагрівання вони спершу розм'якшуються, а потім переходять у рідкий стан — перетворюються на в'язку масу. На цій властивості ґрунтується виготовлення виробів зі скла (мал. 16).

Мал. 16. Виготовлення виробів зі скла

Аморфний стан речовини менш стабільний, ніж кристалічний, тому аморфні речовини здатні самочинно переходити в кристалічний стан. За певних умов для більшості речовин можна досягти аморфного стану (виняток — метали, деякі йонні сполуки). Наприклад, кристалічний цукор кондитери перетворюють на карамель. Однак більшість твердих речовин за звичайних умов перебувають у кристалічному стані.

На відміну від кристалів, в аморфних тілах структурні частинки розташовані хаотично. Аморфні речовини входять до складу багатьох виробів (мал. 17).

Мал. 17. Вироби зі скла, пластмасові вироби, карамель (цукерки)

Аморфному стану речовин не властива чітка просторова повторюваність структурних частинок по всьому об'єму.

Працюємо з медійними джерелами

Користуючись різними інформаційними джерелами, підготуйте лепбук на тему «Використання кристалів й аморфних речовин сьогодні та в майбутньому».

Попрацюйте групами

Завдання 1. Користуючись текстом параграфа і малюнками кристалічних ґраток, установіть, що спільного та чим відрізняються між собою атомні, молекулярні, металічні та йонні ґратки.

Завдання 2. У твердому агрегатному стані вода, вуглекислий газ і йод мають молекулярні кристалічні ґратки. На їх прикладі зробіть висновок про властивості речовин з молекулярними кристалічними ґратками.

Завдання 3. Алмаз має атомні кристалічні ґратки. Пригадайте або з'ясуйте за додатковими джерелами його властивості.

Завдання 4. Кухонна сіль має йонні кристалічні ґратки. Пригадайте фізичні властивості цієї речовини.

Завдання 5. Зробіть висновок про можливість прогнозу фізичних властивостей речовин на основі їхньої будови та встановлення будови речовин на основі їхніх фізичних властивостей.

Багато органічних речовин мають молекулярні кристалічні ґратки. Наприклад, цукор, глюкоза, нафталін. У кристалах таких речовин молекули утримуються слабкими силами міжмолекулярної взаємодії, тому ці речовини легкоплавкі, з малою твердістю. Цукор або парафін стають рідкими від помірного нагрівання. Серед речовин молекулярної будови багато летких: достатньо залишити на деякий час відкритим нафталін (засіб від молі) — і його запах можна відчути на відстані.

Атомних кристалів порівняно з молекулярними та йонними мало. Крім алмазу, це силіцій Si, германій Ge, силіцій(IV) оксид SiO2, кальцій карбід СаС2, цинк сульфід ZnS та деякі інші. Атомні кристали міцні й тугоплавкі. Наприклад, у кальцій карбіду температура плавлення становить близько 2000 °С. Алмаз не лише тугоплавкий, а й має найвищу твердість.

ВЛАСТИВОСТІ ЙОННИХ КРИСТАЛІВ. У вузлах їхніх кристалічних ґраток розташовані катіони й аніони, наприклад, у солях, лугах. Між протилежно зарядженими йонами діють електростатичні сили притягання, що надає кристалу міцності. Така будова зумовлює спільні фізичні властивості речовин з йонними кристалічними ґратками. Вони проводять електричний струм у розчиненому або розплавленому стані, мають порівняно високу твердість і високу температуру плавлення, нелеткі, але крихкі. Навіть невелике зміщення шарів у кристалі наближає один до одного однойменно заряджені йони, відштовхування між якими призводить до розриву йонних зв'язків і, як наслідок, до появи тріщин у кристалі або навіть до його руйнування.

На відміну від аморфних речовин кристалічні речовини мають сталі температури плавлення і кипіння.

Цінність кристалів людина тривалий час вбачала лише в тому, що з них можна було виготовляти різноманітні прикраси (мал. 18 на с. 42).

Мал. 18. Кристалічні речовини у прикрасах

Але у наш час кристали набули широкого практичного застосування. І йдеться не лише про природні кристали. Набагато більше нині кристалів створюють учені в лабораторіях, а після перевірки властивостей налагоджують їхнє серійне виробництво, щоб використовувати у різноманітних галузях науки й техніки (фізика, хімія, біологія, медицина, матеріалознавство й інші).

Понад 50 років у Харкові діє науково-технологічний комплекс «Інститут монокристалів» Національної академії наук України. Зусиллями вчених здійснено відкриття світового рівня, вирощено монокристали значних розмірів, запропоновано нові технології. Основні напрями сучасної діяльності Інституту монокристалів стосуються фундаментальних досліджень процесів росту кристалів, пошуку нових кристалічних середовищ з функціонально-важливими властивостями, комплексних досліджень фізичних явищ в оптичних монокристалах, наносистемах. За роки існування наукові розробки співробітників цієї науково-дослідної установи 7 разів було відзначено Державною премією України в галузі науки і техніки.

МЕТАЛІЧНІ КРИСТАЛІЧНІ ҐРАТКИ. Чисті метали у твердому стані мають кристалічну будову. У вузлах їхніх кристалічних ґраток у певному геометричному порядку розташовані атоми і йони, а спільні електрони відносно вільно переміщуються по всьому кристалу, утворюючи «електронний газ».

Завдяки тому, що в металічних кристалічних ґратках електрони вільно пересуваються по всьому кристалу, метали проявляють електро- і теплопровідність. Окремі шари йонів можна легко змістити один відносно одного, тому що у вузлах кристалічної ґратки перебувають позитивні йони, які утримуються завдяки притяганню до електронного газу. Цим обумовлена ковкість і пластичність металів. Лужні метали настільки пластичні, що нагадують пластилін і легко ріжуться ножем.

Сторінка ерудита

• Можливо, вам доводилось чути про сапфірове скло. Насправді — це не скло, а надтверде кристалічне тіло. Його виготовляють зі штучних сапфірів (це різновиди корунду Аl2О3) — найтвердішої після алмазу речовини. Монокристали штучних сапфірів за твердістю близькі до алмазу і мають високу стійкість до подряпин. Із сапфірового скла виготовляють куленепробивне міцне скло, що використовується у військовій техніці, вітринах великих торговельних центрів, коштовних моделях годинників тощо. На часі — використання сапфірового скла для покриття екранів смартфонів.

• Зараз учені все частіше ведуть дослідження нанокристалів розмірами від 1 до 10 нм. У таких нанокристалів з’являються нові властивості, відмінні від властивостей макрокристалів. І ці властивості знаходять усе більше застосування. Робіть висновки самі: неорганічні нанокристали є ефективними в люмінесцентній, дисплейній і лазерній техніці, з їх використанням створюють різноманітні сенсори — високочутливі прилади, без яких сучасна техніка й електроніка не можуть обійтись. Власники смартфонів не задумуючись підтвердять, що вони набагато зручніші за кнопкові мобільні телефони.

Знаємо, розуміємо

  • 1. Які основні характеристики кристалічного стану речовини?
  • 2. Які основні характеристики аморфного стану речовини?
  • 3. Наведіть приклади тіл з кристалічним та аморфним станами речовин.
  • 4. Що називають кристалом і кристалічною ґраткою?
  • 5. Назвіть відомі вам типи кристалічних ґраток, наведіть приклади відповідних речовин.

Застосовуємо

  • 1. Укажіть фізичну характеристику речовин з йонними кристалічними ґратками.

А легкоплавкі

Б тугоплавкі

В діелектрики

Г леткі

  • 2. Укажіть фізичну властивість речовин з молекулярними кристалічними ґратками.

А тугоплавкість

Б електропровідність

В легкість намагнічування

Г леткість

  • 3. Укажіть тип кристалічних ґраток цинк оксиду.

А молекулярні

Б йонні

В атомні

Г металічні

  • 4. Укажіть тип кристалічних ґраток йоду.

А молекулярні

Б атомні

В йонні

Г металічні

  • 5. Укажіть тип кристалічних ґраток речовини, якщо вона легко переходить із твердого агрегатного стану в рідкий і не проводить електричний струм у розчині чи розплаві.

А йонні

Б атомні

В металічні

Г молекулярні

  • 6. Установіть відповідність між типом кристалічних ґраток і прикладом речовини.

Тип кристалічних ґраток

Приклад

1

йонні

А

алмаз

2

металічні

Б

йод

3

атомні

В

залізо

Г

натрій хлорид

  • 7. Установіть відповідність між типом кристалічних ґраток і прикладом речовини.

Тип кристалічних ґраток

Приклад

1

атомні

А

силіцій(ІV) оксид

2

молекулярні

Б

вода

3

йонні

В

срібло

Г

барій оксид