Вещества молекулярного и немолекулярного строения: типы кристаллических решёток

Почему углекислый газ при комнатной температуре — газ, а оксид кремния SiO₂ с похожей формулой — твёрдый песок, плавящийся выше 1700 °C? Почему сахар плавится на сковородке, а соль — нет, почему металлы проводят ток, а алмаз — нет? Свойства вещества определяются тем, из каких частиц оно состоит и как эти частицы связаны между собой. Эта статья выстраивает цепочку «химическая связь → строение вещества → свойства» шаг за шагом.

Порядок изложения: агрегатные состояния и силы между частицами → типы химической связи и межмолекулярного взаимодействия → вещества молекулярного и немолекулярного строения → кристаллические и аморфные вещества → четыре типа кристаллических решёток и свойства веществ → как определить тип решётки по формуле → межмолекулярные силы и водородная связь подробно → типичные ошибки → раздел для олимпиад (элементарная ячейка, плотность, радиус атома) → задания с разбором.

• 1. Агрегатные состояния и силы между частицами
• 2. Типы химической связи и межмолекулярного взаимодействия
• 3. Молекулярное и немолекулярное строение
• 4. Кристаллические и аморфные вещества
• 5. Четыре типа кристаллических решёток
• 6. Как определить тип решётки
• 7. Межмолекулярные силы
• 8. Водородная связь
• 9. Типичные ошибки
• 10. Для олимпиад: элементарная ячейка
• Задания с разбором

1. Агрегатные состояния и силы между частицами

Частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) постоянно движутся и при этом притягиваются друг к другу. Агрегатное состояние определяется соотношением этих двух факторов:

• в газе энергия движения много больше энергии притяжения: частицы далеко друг от друга и движутся свободно, газ занимает весь предоставленный объём;
• в жидкости притяжение удерживает частицы вместе, но они могут перемещаться друг относительно друга — жидкость сохраняет объём, но не форму;
• в твёрдом теле притяжение велико, частицы лишь колеблются около своих положений — сохраняются и форма, и объём.

Чем сильнее притяжение между частицами, тем выше температуры плавления и кипения: чтобы «разорвать» связи, нужно больше энергии теплового движения. Поэтому, зная, какие силы удерживают частицы, можно предсказать свойства вещества.

2. Типы химической связи и межмолекулярного взаимодействия

Частицы вещества удерживаются силами разной природы и разной прочности.

Главный вывод таблицы: химические связи (ковалентная, ионная, металлическая) в десятки и сотни раз прочнее межмолекулярных сил. Поэтому важно, какие силы приходится преодолевать при плавлении: если только межмолекулярные — температура плавления низкая, если химические связи — высокая.

3. Молекулярное и немолекулярное строение

Вещества молекулярного строения состоят из молекул. Внутри молекулы атомы связаны прочными ковалентными связями, а сами молекулы притягиваются друг к другу слабыми межмолекулярными силами. При плавлении и кипении молекулы не разрушаются — преодолевается лишь межмолекулярное притяжение. Поэтому у таких веществ низкие температуры плавления и кипения: многие при комнатной температуре — газы (O₂, N₂, CO₂, NH₃, CH₄) или жидкости (H₂O, спирт, бром), а твёрдые легко плавятся или возгоняются (иод, сахар, нафталин, сера).

Вещества немолекулярного строения не содержат отдельных молекул. Вся их структура — единая сетка атомов или ионов, связанных химическими связями. Чтобы расплавить такое вещество, нужно разорвать часть химических связей, поэтому температуры плавления высоки (металлы — с широким диапазоном). Для таких веществ формула показывает не состав молекулы, а соотношение атомов: SiO₂ — на каждый атом кремния два атома кислорода.

4. Кристаллические и аморфные вещества

Твёрдые вещества бывают кристаллическими и аморфными.

• В кристаллических веществах частицы расположены упорядоченно, в определённых точках пространства, повторяющихся во всех направлениях. Кристалл плавится при определённой температуре, а его свойства часто зависят от направления (кристалл слюды легко расщепляется на пластинки).
• В аморфных веществах (стекло, смолы, многие пластмассы, опал) порядок есть лишь на малых расстояниях. При нагревании они размягчаются постепенно, в интервале температур, и их свойства одинаковы во всех направлениях.

Одно и то же вещество может быть и кристаллическим, и аморфным: кварц и кварцевое стекло — оба SiO₂; сахар-рафинад и леденец — оба сахароза.

Кристаллическая решётка — пространственное упорядоченное расположение частиц в кристалле. Точки, в которых находятся частицы, называют узлами решётки. Тип решётки определяется тем, какие частицы находятся в узлах и какими силами они связаны.

5. Четыре типа кристаллических решёток

Молекулярная решётка

В узлах — молекулы, связанные межмолекулярными силами (у воды, спиртов, аммиака — также водородными связями). Свойства: низкие температуры плавления и кипения, малая твёрдость, летучесть (у многих есть запах), отсутствие электропроводности. Примеры: лёд, иод, сухой лёд (CO₂), сера, белый фосфор, сахароза, нафталин, большинство органических веществ, все газы в твёрдом состоянии, фуллерен C₆₀.

Атомная (ковалентная) решётка

В узлах — атомы, связанные ковалентными связями во всём объёме кристалла: кристалл — как бы одна гигантская молекула. Свойства: очень высокие температуры плавления (у алмаза около 3500 °C при давлении, кварца — 1713 °C), большая твёрдость (алмаз — самое твёрдое природное вещество), нерастворимость в воде; как правило, не проводят ток. Примеры: алмаз, графит (атомная решётка из слоёв), кремний, бор, германий, красный и чёрный фосфор, кварц SiO₂, карбид кремния SiC (карборунд), нитрид бора BN.

Ионная решётка

В узлах — чередующиеся катионы и анионы, удерживаемые электростатическим притяжением. Каждый ион окружён ионами противоположного знака: в NaCl — шестью. Свойства: высокие температуры плавления (NaCl — 801 °C, MgO — 2825 °C), твёрдость и хрупкость (при сдвиге слоёв одноимённые ионы оказываются рядом и отталкиваются — кристалл раскалывается); многие растворимы в воде; твёрдые не проводят ток, а расплавы и растворы — проводят (ионы становятся подвижными). Примеры: соли (NaCl, K₂SO₄, NH₄Cl), щёлочи (NaOH), оксиды активных металлов (CaO, Na₂O), гидриды активных металлов (NaH).

Металлическая решётка

В узлах — атомы и катионы металла, между ними свободно движутся общие электроны. Свойства: металлический блеск (электроны отражают свет), высокая электро- и теплопроводность (подвижные электроны), пластичность (слои могут сдвигаться, связь при этом не рвётся — электроны «склеивают» слои в любом положении). Температуры плавления — от −39 °C у ртути до 3422 °C у вольфрама. Примеры: металлы и сплавы.

6. Как определить тип решётки

1. Металл или сплав → металлическая решётка.
2. Соединение металла с неметаллом (соли, оксиды и гидроксиды активных металлов), а также соли аммония → ионная. Хлорид аммония NH₄Cl состоит только из неметаллов, но построен из ионов NH₄⁺ и Cl⁻.
3. Только неметаллы → чаще всего молекулярная (H₂O, CO₂, HCl, I₂, S₈, органические вещества). Исключения с атомной решёткой нужно знать наизусть: C (алмаз, графит), Si, B, Ge, красный и чёрный P, SiO₂, SiC, BN.

Повторить тему можно в уроках ОГЭ «Кристаллические решётки» и «Молекулярная и металлическая решётки», в уроке ЕГЭ «Кристаллические решётки».

7. Межмолекулярные силы

У веществ молекулярного строения температуры плавления и кипения определяются силой межмолекулярного притяжения. Оно тем больше:

• чем больше молекула и чем больше в ней электронов: электронное облако крупной молекулы легче деформируется, и возникают более сильные мгновенные диполи. Поэтому фтор и хлор — газы, бром — жидкость, иод — твёрдое вещество; в ряду алканов метан, этан, пропан, бутан — газы, пентан — жидкость, начиная с C₁₇ — твёрдые парафины;
• чем полярнее молекула: полярные молекулы притягиваются как диполи;
• чем больше поверхность контакта молекул: у разветвлённых изомеров температура кипения ниже, чем у неразветвлённых.

8. Водородная связь

Если атом водорода связан с очень электроотрицательным атомом (фтор, кислород, азот), электронная пара сильно смещена от водорода, и на нём возникает заметный положительный заряд. Такой атом водорода притягивается к неподелённой электронной паре атома F, O или N соседней молекулы. Это водородная связь: она слабее ковалентной в 10–20 раз, но значительно сильнее обычного межмолекулярного взаимодействия.

Водородные связи объясняют «аномалии» воды:

• вода кипит при 100 °C, хотя по аналогии с H₂S (−60 °C), H₂Se (−41 °C), H₂Te (−2 °C) должна была бы кипеть около −80 °C;
• лёд легче воды: в кристалле льда каждая молекула воды связана водородными связями с четырьмя соседними, образуя ажурную структуру с пустотами; при плавлении часть связей рвётся, молекулы заполняют пустоты, и плотность растёт;
• наибольшая плотность воды — при 4 °C, поэтому водоёмы замерзают сверху, а у дна зимой сохраняется вода с температурой около 4 °C.

Водородные связи объясняют также высокие температуры кипения HF (20 °C против −85 °C у HCl) и NH₃, хорошую растворимость в воде спиртов, сахаров, аммиака. В живых организмах водородные связи удерживают две цепи ДНК и определяют пространственную форму белков.

9. Типичные ошибки

10. Для олимпиад: элементарная ячейка

Кристалл можно представить как бесконечное повторение одного маленького фрагмента — элементарной ячейки. Зная её размер и содержимое, можно рассчитать плотность вещества или радиус атома.

Подсчёт частиц в кубической ячейке. Частица в вершине куба принадлежит восьми соседним ячейкам (вклад 1/8), на ребре — четырём (1/4), на грани — двум (1/2), внутри — одной (1).

ρ = Z·M / (N_A·a³), где Z — число формульных единиц в ячейке, a — ребро ячейки.

Для NaCl (a = 0,564 нм, Z = 4): ρ = 4·58,44 / (6,022·10²³·(0,564·10⁻⁷ см)³) ≈ 2,16 г/см³ — совпадает с измеренной плотностью поваренной соли.

В ячейке хлорида цезия крупный ион цезия окружён восемью хлорид-ионами, а в хлориде натрия маленький ион натрия — шестью: координационное число зависит от отношения радиусов катиона и аниона.

Задания с разбором

Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.

Задание 1

Выберите два вещества с молекулярной кристаллической решёткой: 1) хлорид натрия; 2) иод; 3) алмаз; 4) сахароза; 5) медь.

Задание 2

Установите соответствие между веществом и типом кристаллической решётки: А — ионная, Б — атомная, В — молекулярная, Г — металлическая. 1) SiO₂; 2) NH₄NO₃; 3) CO₂; 4) Fe; 5) SiC; 6) C₂H₅OH.

Задание 3

Почему углекислый газ при обычных условиях — газ, а оксид кремния(IV) — твёрдое вещество с очень высокой температурой плавления?

Задание 4

Вещество хрупкое, плавится при 801 °C, растворимо в воде; твёрдое оно не проводит электрический ток, а раствор и расплав проводят. Какой у него тип решётки? Объясните все свойства.

Задание 5

Почему металлы пластичны, а ионные кристаллы хрупки?

Задание 6

Почему лёд плавает на воде? Почему вода кипит при гораздо более высокой температуре, чем сероводород?

Задание 7

Расположите вещества в порядке возрастания температуры плавления: 1) Cl₂; 2) NaCl; 3) I₂; 4) алмаз.

Задание 8

Почему графит, в отличие от алмаза, мягкий и проводит электрический ток, хотя оба — простые вещества углерода с атомной решёткой?

Задание 9 (олимпиадное)

Ребро кубической элементарной ячейки хлорида натрия — 0,564 нм, в ячейке 4 формульные единицы. Рассчитайте плотность NaCl.

Задание 10 (олимпиадное)

Медь кристаллизуется в гранецентрированной кубической решётке с ребром 0,3615 нм. Рассчитайте плотность меди. Каков радиус атома меди, если атомы касаются друг друга вдоль диагонали грани?

Задание 11 (олимпиадное)

Железо (α-форма) имеет объёмно-центрированную кубическую решётку и плотность 7,87 г/см³. Найдите ребро ячейки и радиус атома железа (атомы касаются вдоль диагонали куба).

Задание 12 (олимпиадное)

Фуллерен C₆₀ — аллотропная модификация углерода. Какой у него тип кристаллической решётки? Почему он растворяется в толуоле, а алмаз и графит — нет?