1. Текст для самостійного вивчення
Будова і властивості твердих речовин
( текст для всіх груп)
Розрізняють два стани твердих речовин – кристалічний і аморфний.
Кристалічний стан характеризується впорядкованою структурою.
Упорядкованість у кристалах зумовлюється правильним геометричним
розташуванням частинок , з яких складається тверда речовина . Кожна
кристалічна речовина має певну , характерну форму . Кристали кухонної солі
мають форму куба. калійної селітри – форму призми, алюмінієвих квасців –
форму октаедрів і т. д.
Аморфні речовини не утворюють правильної геометричної структури і
складаються із невпорядковано розташованих молекул. На відміну від
кристалічних речовин, що мають певну температуру плавлення, аморфні
речовини плавляться в широкому інтервалі температур. При нагріванні вони
поступово розм’якшуються , потім починають розтікатися , і нарешті стають
рідкими. Іноді аморфні речовини розглядають як рідини з дуже великою
в’язкістю. Іншими словами , на відміну від кристалічних речовин , що
характеризуються далеким порядком, тобто правильною повторюваністю
розташування атомів на великих відстанях , аморфні речовини , подібно до
рідин, мають тільки ближній порядок. Прикладами аморфних речовин
можуть бути скло і смола. Деякі речовини можуть перебувати як у
кристалічному , так і в аморфному станах, - наприклад, сульфур, силіцій ( ІУ)
оксид та інш.
Багато речовин можуть бути переведені з аморфного стану в
кристалічний і навпаки. Так , аморфне скло після витримки при певній
температурі „ розскловується” , тобто в ньому з’являються дрібні кристалики
й скло мутніє. Аморфні речовини сильно відрізняються від кристалічних за
своїми фізичними властивостями.
Переважна більшість твердих речовин має кристалічну будову.
Кристалічна структура. У кристалічних речовинах частинки, з яких
побудовані кристали, розміщені в просторі в певному порядку й утворюють
просторову кристалічну решітку. Звичайно на малюнках частинки в
кристалічній решітці з’єднуються уявними лініями . Кристалічна решітка
побудована з повторюваних однакових структурних одиниць, індивідуальних
для кожного кристала. Така структурна одиниця називається елементарною
ячейкою. Усього існує 14 типів кристалічних решіток ( куб, призма, октаедр і
т. д .).
У залежності від характеру частинок , що утворюють кристал, і типу
хімічного зв’язку між ними розрізняють чотири класи кристалічних решіток:
металічні, іонні, молекулярні й атомні ( останні іноді називають
макромолекулярними). Кристали кожного з цих класів можуть мати кожен з
14 типів кристалічних решіток.
2. Металічна кристалічна решітка
( текст для першої групи)
У вузлах кристалічної решітки металів знаходяться атоми. Атоми в
металах упаковані максимально щільно й утворюють найпростіші
кристалічні структури. Атоми спрощено уявляють у вигляді куль. Упакувати
кулі так, щоб вони заповнили весь простір без проміжків, неможливо . Якщо
проміжки зведені до мінімуму, говорять про щільно упаковані структури.
Особливий характер металічного зв’язку обумовлює такі найважливіші
властивості металів, як високу температуру плавлення, ковкість,
електропровідність, теплопровідність.
Іонна кристалічна решітка
( текст для другої групи)
Якщо у вузлах кристалічної решітки розташовані іони , то така решітка
називається іонною. Різнойменні іони , з яких складаються іонні кристали ,
з’єднані одне з одним електростатичними силами. Тому структура іонної
кристалічної решітки повинна забезпечувати їхню електричну нейтральність.
Навколо кожного іона в іонній кристалічній решітці знаходиться певна
кількість інших . протилежних за знаком іонів. Так, у кристалічній решітці
натрій хлориду кожен іон натрію оточений шістьма іонами хлору.
Аналогічно кожен іон хлору оточений шістьма іонами натрію.
Речовини з іонною кристалічною решіткою мають порівняно високу
твердість , вони досить тугоплавкі і малолеткі. Електричний струм
проводять не тільки їх розплави , але і розчини, багато іонних сполук легко
розчиняються у воді. На відміну від металів , іонні кристали є крихкими ,
оскільки навіть невеликі зрушення в кристалічній решітці наближають одне
до одного однойменно заряджені іони, відштовхування між якими приводить
до розриву іонних зв’язків і, як результат, до появи тріщин у кристалі чи до
його руйнування.
Молекулярна кристалічна решітка
( текст для третьої групи)
Молекулярні кристали складають молекули, зв’язані між собою
слабкими міжмолекулярними силами. Наприклад, лід складається з молекул
води, утримуваних у кристалічній решітці водневими зв’язками . Як інший
приклад можна вказати структуру кристалів йоду, що існує у вигляді
молекулярних кристалів до 30 град. Цельсія. Вузли кристалічної решітки
кристалів йоду зайняті двоатомними молекулами йоду . Хлор і бром
утворюють подібні структури при більш низьких температурах . Таку саму
структуру має ще низка неорганічних сполук ( наприклад, твердий амоніак),
а також більшість органічних сполук ( наприклад, тверді бензол, фенол,
нафталін білки і т.д. ).
3. Атомна ( макромолекулярна ) кристалічна решітка
( текст для четвертої групи)
Макромолекулярні кристали мають решітку, побудовану з атомів. Такі
кристали ще називають атомними. Макромолекулярні кристали у свою
чергу , можна підрозділити на три типи: каркасні структури, ланцюжкові
структури та шаруваті структури.
Каркасну структуру має алмаз – одна з найтвердіших речовин. Атом
карбону може утворити чотири одинарні ковалентні зв’язки. спрямовані до
вершини правильного тетраедра . у центрі якого розташовується атом
карбону. Таким чином , з цим центральним атомом можуть бути зв’язані
чотири інші атоми карбону. Кожен з них володіє ще трьома неспареними
електронами , що можуть утворювати зв’язок із трьома атомами карбону, і
т.д. У такий спосіб будується тривимірна решітка , що складається винятково
з атомів Карбону . Усі зв’язки однакові , як і кути, що утворюються між
атомами.
Щоб зруйнувати кристали з атомно – ковалентною решіткою ,
подібною до алмазу, необхідно зруйнувати безліч міцних ковалентних
зв’язків , тому такі кристали є твердими речовинами з високою
температурою плавлення. Так, температура плавлення алмаза становить 3500
град. Цельсія.
Шаруваті структури. Кристали з такою структурою можна розглядати
як двовимірні макромолекули. Шаруваті структури характеризуються
ковалентними зв’язками усередині кожного шару і слабкими зв’язками між
шарами. Класичним прикладом речовини з шаруватою структурою є графіт –
інша алотропна форма Карбону. У межах кожного шару кожен атом Карбону
утворить три ковалентні зв’язки з трьома іншими атомами Карбону ; при
цьому утвориться плоска „ сітка із шестикутників”. Четвертий валентний
електрон кожного з атомів Карбону не локалізований – у результаті ці
електрони сприяють слабким взаємодіям між шарами шестикутників,
утворюючи зв’язки , „схожі на металічні”.
Оскільки площини в графіті з’єднуються тільки міжмолекулярними
силами, їх легко змусити ковзати відносно одна одної навіть невеликим
зусиллям. Цим пояснюються , наприклад, „пишучі” властивості графіту.
На відміну від алмаза , графіт добре проводить електричний струм. Під
впливом електричного поля нелокалізовані електрони легко можуть
переміщатися уздовж площини шестикутників; у перпендикулярному
напрямку графіт практично не проводить електричний струм.
Ланцюжкові структури. Деякі речовини утворюють структури , схожі
на ланцюжки. Як приклад можна навести сульфур(УІ) оксид, що
кристалізується у вигляді тонких блискучих голок (SO3). Ланцюжкову
структуру мають багато аморфних речовин, наприклад деякі силікатні
матеріали (азбест).
