Хімія. 8 клас. Ярошенко

§ 22. Кристалічні ґратки

Вивчення параграфа допоможе вам:

  • називати типи кристалічних ґраток;
  • обґрунтовувати фізичні властивості речовин залежно від їхньої будови;
  • прогнозувати фізичні властивості речовин, знаючи типи кристалічних ґраток.

РІЗНОМАНІТНІСТЬ РЕЧОВИН ЗА АГРЕГАТНИМ СТАНОМ. З вивченого на уроках природознавства, хімії, фізики вам відомо, що речовини можуть перебувати в різних агрегатних станах.

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

Пригадайте, які є агрегатні стани речовини, наведіть приклади. Яка відмінність у розміщенні структурних частинок речовини в різних агрегатних станах?

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

Кристали — це тверді тіла, структурні частинки речовини в яких розміщено в певному порядку. Тривимірне розміщення структурних частинок у кристалі називається кристалічними ґратками речовини.

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

Крім кристалів є аморфні тіла. Це смола, скло, каніфоль, цукровий льодяник тощо. Структурні частинки в них не утворюють кристалічних ґраток, бо розташовані хаотично. Деякі речовини можуть перебувати і в аморфному, і в кристалічному стані, наприклад сірка.

Аморфний — той, що не має кристалічної будови. Аморфною є речовина без тривимірного розміщення структурних частинок.

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

ЙОННІ КРИСТАЛІЧНІ ҐРАТКИ. Їх мають речовини, які утворені йонним хімічним зв'язком (мал. 33).

Мал. 33. Речовини з іонним типом кристалічних ґраток

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

Як бачимо з малюнка 32, йони Натрію і Хлору в кристалі кухонної солі розміщені в шаховому порядку: навколо кожного йона Na+ групуються йони Cl-, навколо кожного йона Cl- — йони Na+. Взаємне притягання йонів Na+ і Cl- зумовлює міцність кристала.

Мал. 32. Моделі кристалів натрій хлориду: а — кристалічні ґратки; б — упаковка йонів у кристалі

ВЛАСТИВОСТІ СПОЛУК З ЙОННОЮ КРИСТАЛІЧНОЮ ҐРАТКОЮ. Особливістю йонних сполук є те, що сили притягання в них діють однаково в усіх напрямах. Тому йони у вузлах кристалічних ґраток зв'язані міцно, речовини за кімнатної температури тверді, а тепловий рух іонів дуже незначний. Проте нагрівання речовин до температури, вищої від їх температури плавлення, збільшує тепловий рух іонів, сила притягування між ними слабшає і врешті зв'язки між іонами розриваються. Речовина переходить у рідкий стан.

Сила взаємодії між катіонами та аніонами у кристалі велика, тому потрібно багато енергії, щоб його розплавити, і ще більше, щоб перевести в пароподібний стан. Цим пояснюється порівняно висока твердість і тугоплавкість сполук з іонними кристалічними ґратками. Так, температура плавлення натрій хлориду — 801 °С. Йонні кристалічні ґратки перевищують за міцністю молекулярні, але поступаються атомним; багато речовин з іонним типом кристалічних ґраток 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 атомних кристалічних ґраток, де кожний атом Карбону оточений такими самими атомами, розміщеними на вершинах правильного тетраедра (мал. 34). Такі кристалічні ґратки властиві небагатьом речовинам із ковалентним зв'язком, наприклад алмазу, карборунду SiC, силіцій(ІV) оксиду SiO2. Речовини з атомними кристалічними ґратками характеризуються високою твердістю, тугоплавкі й нерозчинні у воді.

Мал. 34. Алмаз і його кристалічні ґратки

МОЛЕКУЛЯРНІ КРИСТАЛІЧНІ ҐРАТКИ. У вузлах молекулярних кристалічних ґраток перебувають молекули речовин із неполярним чи полярним ковалентним зв'язками. Серед речовин із молекулярними кристалічними ґратками є тверді за звичайних умов речовини, наприклад йод (мал. 35, а), багато органічних речовин, наприклад, цукор, глюкоза, спирт. Молекулярні кристалічні ґратки у твердому агрегатному стані мають деякі рідини (вода) та гази (хлор, вуглекислий газ (мал. 35, б), азот, кисень). Молекули утримуються слабкими силами міжмолекулярної взаємодії, тому можуть відриватися від кристала 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 — залишити на деякий час без упаковки.

Мал. 35. Моделі кристалічних ґраток: а — йоду; б — вуглекислого газу

Речовини з молекулярним типом кристалічних ґраток унаслідок слабкого притягування молекул мають низькі твердість, температуру плавлення та кипіння, леткі.

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

Хімія — це життя: сторінка природодослідника

Лабораторний дослід 1. Ознайомлення з фізичними властивостями речовин атомної молекулярної та йонної будови

Для проведення досліду вам знадобляться речовини (їх ви отримаєте від учителя), а також вода, спиртівка, скляний посуд, пробіркотримач.

Завдання. Ознайомтеся з фізичними властивостями виданих речовин і зробіть висновок про залежність властивостей від типів кристалічних ґраток речовин.

Домашній експеримент

Завдання. Виростіть кристали речовини йонної будови.

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 доти, доки не побачите, що речовина більше не розчиняється.

Розчиненням у воді ви зруйнували кристалічні ґратки речовини, і йони рівномірно розподілилися між молекулами води!

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

Стисло про основне

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

• Кристалічні ґратки — це тривимірне розміщення структурних частинок речовини в кристалі.

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

• Речовини з іонною та атомною кристалічними ґратками за звичайних умов тверді.

• Серед речовин із молекулярними кристалічними ґратками наявні тверді, рідкі та газоподібні за звичайних умов речовини.

• Є певний зв'язок між типом кристалічних ґраток та фізичними властивостями речовин.

• За відомим типом кристалічних ґраток можна спрогнозувати властивості речовин.

Сторінка ерудита

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 іонних — іони, то у вузлах металічних кристалічних ґраток наявні й 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 із ядром свого атома і в хімічних реакціях атом їх легко віддає. Електрони, що втратили зв'язок з ядрами своїх атомів, стають спільними.

Відтак кристалічні ґратки металу можна уявити як такі, що складаються з атомів, іонів (катіонів) і вільних електронів, які перебувають у хаотичному русі між структурними частинками ґраток.

Знаємо, розуміємо

1. Дайте визначення кристалічних ґраток.

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

3. Поміркуйте, чи позначається тип кристалічних ґраток на властивостях речовин. Доведіть й аргументуйте свою відповідь.

Застосовуємо

69. Зазначте тип кристалічних ґраток твердої речовини, що добре розчинна у воді й має високу температуру плавлення.

  • А йонна
  • Б атомна
  • В молекулярна

70. Зазначте тип кристалічних ґраток речовини, якщо вона легкоплавка, має характерний запах, погано розчиняється у воді.

  • А металічні
  • Б атомні
  • В молекулярні
  • Г йонні

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

  • а) лід;
  • б) кухонну сіль;
  • в) йод?

Поясніть чому.

72. На підставі знань про хімічний зв'язок спрогнозуйте фізичні властивості речовин:

  • а) калій йодиду КІ;
  • б) силіцію Si;
  • в) амоніаку NH3.