ЧАСТЬ И

ОБЩАЯ ХИМИЯ

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Строение твердых веществ и их свойства

Кристаллические и аморфные вещества

Вещества, которые нас окружают, как правило, находятся в твердом агрегатном состоянии. Большинство физических свойств веществ обусловливается их внутренней строением. По внутреннему строению и физическим свойствам различают два состояния твердых веществ - аморфный и кристаллический.

Аморфные вещества не образуют правильной геометрической структуры, представляя собой структуры с неупорядкованим расположением частиц (атомов или молекул). В отличие от кристаллических веществ, которые имеют вполне определенную температуру плавления, аморфные вещества плавятся в широком интервале температур. При нагревании они постепенно размягчаются, затем начинают растекаться и, в конце концов, становятся жидкими. Иногда аморфные вещества рассматривают как жидкости с очень большой вязкостью. В отличие от кристаллических веществ, которые характеризуются правильной повторяемостью расположение атомов на больших расстояниях, в аморфных веществах, подобно жидкостей, частицы расположены хаотично. Примерами аморфных веществ являются стекло и смолы.

Некоторые вещества могут находиться и в кристаллическом, и в аморфном состояниях, например сера, кремний(ИV) оксид т.д. Многие вещества могут быть переведены из аморфного состояния в кристаллическое и наоборот. Так, аморфное стекло при хранении «розскляновується», т.е. в нем появляются мелкие кристаллики. Вследствие этого старое стекло при нагревании разбивается и трескается легче и чаще, чем только что изготовленное. Аморфные вещества больше всего отличаются от кристаллических за физическими свойствами.

Подавляющем большинства твердых веществ присуща кристаллическое строение. Каждая кристаллическая вещество имеет определенную, характерную для нее форму кристаллов. Если кристаллическое вещество измельчить, то ее кристаллы распадутся на отдельные кусочки, каждый из которых сохранять, хотя бы частично, форму исходного кристалла.

В кристаллических веществах частицы, из которых построены кристаллы, располагаются в пространстве в определенном порядке и образуют пространственную кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка построена из одинаковых, постоянно повторяющихся структурных единиц, индивидуальных для каждого кристалла. Такую структурную единицу называют элементарной ячейкой. Простейшая элементарная ячейка содержит 8 узлов в вершинах куба.

В зависимости от характера частиц, образующих кристалл, и от типа химической связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: металлическую, ионную, молекулярную и атомную.

Металлические структуры

Атомы металлических элементов довольно легко отдают электроны, поэтому в узлах кристаллической решетки металлов находятся ионы металлов, в пространстве между которыми свободно передвигаются электроны, образуют так называемый электронный газ. Размеры всех ионов одинаковы, поэтому ионы в металлах расположены максимально плотно и образуют простейшие кристаллические структуры. Металлические структуры могут образовывать как металлы, так и некоторые соединения с металлической связью, например нитриды Титана и Хрома.

В металлических структурах электроны свободно перемещаются по всему кристаллу и в такой способ обусловливают связь между всеми положительными ионами в кристалле. Благодаря такому поведению электронов металлы проявляют хорошую электро - и теплопроводность. Отдельные слои ионов можно легко передвигать относительно друг друга, потому что во всех узлах кристаллической ячейки находятся положительные ионы, которые соединяются благодаря притягуванню до электронного газа. Этим обуславливается пластичность (ковкость) металлов.

Ионные структуры

Если в узлах кристаллической решетки расположены ионы, то такую решетку называют ионной. Разноименно заряженные ионы, которые образуют ионные кристаллы, содержащихся вместе электростатическими силами. Поэтому структура ионной кристаллической решетки должна обеспечивать их электрическую нейтральность. Вокруг каждого иона в ионной кристаллической решетке находится определенное количество других ионов (противоположных по знаком). Так, в кристаллической решетке натрий хлорида каждый ион Na⁺ окружен шестью ионами Сl^-. Аналогично, каждый ион Сl^- окружен шестью ионами Na⁺. Ионні кристаллические решетки характерны для веществ с ионной связью.

Поскольку число связей в ионных кристаллах очень большое, то все ионы прочно связаны друг с одним. Для того чтобы их разрушить, необходимо потратить большое количество энергии. Поэтому ионные соединения при комнатной температуре твердые, а плавятся и кипят только при сильном нагревании.

Вещества с ионной кристаллической решеткой имеют сравнительно высокую твердость. Они нелетучие, поэтому не имеют запаха. Но, в отличие от металлических структур, ионные кристаллы являются хрупкими, поскольку даже небольшое смещение слоев в кристалле приближает друг к одного одноименно заряженные ионы, отталкивание между которыми приводит к разрыву ионных связей и, как следствие, к появлению трещин в кристалле или даже к его разрушению.

Хотя в ионных кристаллах есть готовые носители электрического заряда (катионы и анионы), в твердом состоянии ионные соединения не проводят электрический ток, потому что все ионы жестко закреплены на своем месте и не могут свободно передвигаться по кристаллу. Но если нагреть и перевести ионное соединение в жидкое состояние (расплавить), то все ионы становятся подвижными, и поэтому расплавы ионных соединений хорошо проводят электрический ток. Электрический ток проводят не только их расплавы, но и растворы. Многие ионных соединений легко растворяются в воде.

Молекулярные структуры

В узлах молекулярных кристаллических решеток находятся молекулы, связанные между собой слабыми межмолекулярными силами. Например, лед состоит из молекул воды, которые удерживаются вместе в кристаллической решетке водородными связями. Йод также существует в виде молекулярных кристаллов. Узлы кристаллической решетки йода заняты двохатомними молекулами йода И₂. Хлор и бром образуют подобные структуры при более низких температурах (в обычных условиях хлор - газ, бром - жидкость). Такую же структуру имеет твердый углекислый газ (сухой лед»). Молекулярную структуру имеет еще целый ряд неорганических соединений (например, твердый аммиак), а также большинство органических соединений (например, твердый метан, этиловый спирт, бензол, фенол, нафталин и т.д.). Молекулярные структуры могут образовывать вещества только с ковалентними связями.

Отдельные молекулы, расположенные в узлах кристаллической решетки, связанные между собой слабыми силами, значительно слабее, чем химические связи в молекулі. их легко разрушить, поэтому вещества с молекулярной решеткой являются хрупкими и имеют невысокие значения температур плавления и кипения. Немало веществ с молекулярной структурой в обычных условиях находятся в жидком или газообразном состояниях (хлор, хлороводень, кислород - газы, вода, фтороводорода, сульфатная кислота, органические растворители - жидкости). Некоторые из молекулярных веществ при нагревании могут переходить из твердого в газообразное состояние, минуя жидкое (подвергаются сублимации), например йод, углекислый газ, нафталин.

Растворимость таких веществ в воде зависит от типа связи в их молекулах. Вещества с ковалентным неполярным или слабо-полярным связью в воде не растворяются, а большинство веществ с ковалентным полярным связью растворяются в воде большей или меньшей степени. Молекулы веществ не содержат свободных носителей электрического заряда, поэтому ни в жидком, ни в твердом состоянии молекулярные структуры электрический ток не проводят.

Атомные структуры

На отличие от ионных и металлических кристаллов, которые состоят из ионов, а также на отличие от молекулярных кристаллов, состоящих из молекул, атомные кристаллы имеют решетку, построенную из атомов, соединенных друг с другом прочными ковалентними связями. В таких структурах невозможно выделить структурную единицу, которую можно называть молекулой, каждый кристалл представляет собой одну большую молекулу. Именно поэтому такие кристаллы называют еще надмолекулярними.

Все атомы в атомных структурах крепко связаны друг с другом ковалентними связями. Чтобы их разрушить, необходимо очень большое количество энергии. Именно поэтому вещества с атомной кристаллической решеткой имеют очень высокие температуры плавления и кипения. Они нерастворимы в воде и в других растворителях. Атомы в кристаллической решетке должны располагаться только в строго определенных местах и на определенной расстоянии друг от друга. Смещение атома со своего места приводит к разрушению ковалентной связи, а для этого нужно много энергии. Поэтому вещества с атомной решеткой очень твердые, непластичні и некрихкі.

Атомную кристаллическую решетку имеет алмаз - самое твердое вещество из всех известных веществ. Атомы Углерода образуют четыре одинарные ковалентные связи, направленные к вершин правильного тетраэдра, в центре которого располагается атом Углерода. Таким образом, с этим центральным атомом могут быть связаны четыре другие атомы Карбона. Каждый из них связывается еще с тремя другими атомами Углерода и т. д. В таким образом образуется трехмерная решетка, составленная только из атомов Углерода. Подобную решетку образуют атомы Кремния и Кислорода в кварце.

Графит также имеет атомную кристаллическую решетку, но, в отличие от алмаза и кварца, в графите каждый атом Углерода образует три ковалентные связи с тремя другими атомами Углерода; при этом образуется плоская сетка из шестиугольников». Каждый из слоев, образованный атомами Углерода, характеризуется ковалентними связями внутри каждого слоя, а слои связаны друг с другом слабыми связями. Через это слои можно легко сместить друг относительно друга, приложив совсем небольшое усилия. Этим объясняются, например, «писальні» свойства графита. В отличие от алмаза, графит хорошо проводит электрический ток, но его электроны могут передвигаться только в одном направлении: вдоль плоскости шестиугольников, а наоборот - в перпендикулярном направлении - графит почти не проводит электрический ток.

Строение простых веществ и место элементов в Периодической системе

Поскольку тип химической связи зависит от электронной конфигурации атомов, то закономерности в строении атомов влияют и на строение и физические свойства образованных ими простых веществ.

Место s- и р-элементов в Периодической системе и типы кристаллических решеток их простых веществ