Пригадайте: типи хімічних зв'язків (за § 5-8).

Речовини металічної будови

У металах існує металічний зв’язок, який зумовлює загальні фізичні властивості металів та сплавів. Розміри всіх йонів однакові, тому катіони в металах упаковані максимально щільно й утворюють найпростіші кристалічні ґратки. Металічні структури утворюють як метали, так і деякі сполуки з металічним зв’язком, наприклад нітриди Титану та Хрому.

Завдяки вільному пересуванню електронів для металів характерні електропровідність та теплопровідність.

Окремі шари йонів можна без наслідків пересувати один відносно одного, тому що в усіх вузлах кристалічних ґраток містяться катіони, які утримуються разом через притягання до «електронного газу». Цим зумовлена пластичність (ковкість) металів (мал. 10.1, с. 56).

Особливості взаємодії світла з вільними електронами на поверхні металічного кристала надають металічний блиск металам (мал. 10.2).

Зазвичай чим більше валентних електронів в атомів металічних елементів, тим міцніші кристалічні ґратки, тим міцніший та твердіший метал, тим вища його температура плавлення (кипіння).

Речовини йонної будови

Йонні речовини мають кристалічні ґратки, у вузлах яких розташовані різнойменно заряджені йони (мал. 5.2 та 5.3, с. 34-35). Йонні кристалічні ґратки характерні для речовин із йонним зв’язком — солей, лугів, оксидів активних металічних елементів (NaCl, NaNO₃, K₂SO₄, KOH, NaOH, CaO).

Йонні речовини:

• у вузлах ґраток — йони (катіони й аніони);

• тип зв’язку — йонний;

• тверді, крихкі, нелеткі;

• тугоплавкі;

• деякі розчиняються у воді

Йонні сполуки за кімнатної температури тверді, а плавляться і киплять лише під час сильного нагрівання. Це пояснюється тим, що йони в кристалі сильно притягуються один до одного, і, щоб зрушити їх, необхідно багато енергії.

Утім, незважаючи на твердість, йонні речовини крихкі. Це зумовлене будовою кристала: навіть незначний зсув наближає один до одного однойменно заряджені йони, і вони починають відштовхуватися. Наслідком цього є тріщини в кристалі й навіть його руйнування (мал. 10.3).

Через те що йони в кристалічних ґратках закріплені на певному місці й утримуються разом силами електростатичного притягання, йонні речовини не проводять електричний струм. Але якщо розплавити такі речовини або розчинити у воді, то йони стають рухливими, і тому розплави та розчини йонних сполук добре проводять електричний струм.

Будовою кристалічних ґраток пояснюється також те, що йонні сполуки нелеткі, тому вони не мають запаху.

Речовини молекулярної будови

У вузлах молекулярних кристалічних ґраток розташовані молекули, що з’єднані між собою слабкою міжмолекулярною взаємодією. Наприклад, лід складається з молекул води, а кристали брому (мал. 10.4, а) — з двохатомних молекул брому Br₂ (мал. 10.4, б).

Молекулярні кристалічні ґратки характерні для речовин тільки з ковалентними зв’язками (полярними й неполярними). Вони властиві також більшості органічних сполук, а також деяким неорганічним речовинам (кисню, хлору, азоту тощо).

Особливістю молекулярних речовин є те, що всередині молекул атоми сполучені дуже міцними ковалентними зв’язками, а самі молекули утримуються між собою слабкими міжмолекулярними взаємодіями. Таку структуру легко зруйнувати, тому речовини з молекулярними ґратками крихкі, мають невисокі температури плавлення й кипіння.

Особливістю будови пояснюється також леткість молекулярних сполук, деякі з них мають характерний запах. Можна навіть стверджувати, що якщо речовина має запах, то це речовина молекулярної будови.

За звичайних умов багато речовин із молекулярними кристалічними ґратками перебувають у рідкому (вода, сульфатна кислота,

органічні розчинники тощо) або газуватому станах (озон, хлороводень, водень тощо). Деякі молекулярні речовини за нагрівання сублімують — переходять із твердого в газуватий стан, минаючи рідкий, наприклад, йод, вуглекислий газ, нафталін.

Речовини молекулярної будови здатні розчинятися. Деякі з них розчиняються у воді, інші — в органічних розчинниках.

Молекули не містять вільних носіїв електричного заряду, тому ані в рідкому, ані у твердому стані молекулярні речовини електричний струм зазвичай не проводять. Але деякі молекулярні речовини, зокрема органічні та неорганічні кислоти, у розчинах дисоціюють, тому їх розчини проводять електричний струм.

Речовини атомної будови

У вузлах атомних кристалічних ґраток розташовані атоми, що сполучені один з одним міцними ковалентними зв’язками. Щоб зруйнувати ці ковалентні зв’язки, необхідна значна енергія. Цим пояснюється міцність атомного кристала та високі температури плавлення й кипіння речовин атомної будови. Такі речовини досить тверді, непластичні й некрихкі.

Будовою кристалічних ґраток зумовлена також нерозчинність цих речовин у воді та в інших розчинниках.

Класичним прикладом речовини атомної будови є алмаз — найтвердіша речовина з усіх відомих (мал. 10.5, а).

Графіт також має атомні кристалічні ґратки, але, на відміну від алмазу, у графіті атоми Карбону розташовані шарами, що слабко сполучені один з одним (мал. 10.5, б). Завдяки цьому шари легко зсунути один відносно одного. Цим пояснюються «писальні» властивості графіту.

Речовинами атомної будови є також германій, бор, кварц SiO₂, карборунд SiC.

Атомні кристали поділяють на три типи: каркасні, ланцюжкові й шаруваті структури. Алмаз та кварц відносять до каркасних структур, тому що окремі атоми утворюють тривимірний каркас із атомів. У графіті атоми розташовуються шарами, тому цей тип кристалічних ґраток відносять до шаруватих структур. Деякі речовини утворюють структури, схожі на ланцюжки. Наприклад, сульфур(УІ) оксид утворює тонкі блискучі голки, що кристалізуються у вигляді ланцюжків (SO₃)_n. Ланцюжкову структуру мають також деякі силікатні матеріали, зокрема азбест.

Будова простих речовин і положення елементів у Періодичній системі

Тип хімічного зв’язку в речовинах зумовлює будову і фізичні властивості твердих речовин. Оскільки тип хімічного зв’язку залежить від електронної конфігурації атомів, то закономірності в будові атомів елементів позначаються на будові й фізичних властивостях простих речовин, утворених ними.

З малюнка 10.6 видно, що на початку періодів розташовані металічні елементи, які утворюють прості речовини з металічними кристалічними ґратками. Завершують кожний період неметалічні елементи, які утворюють прості речовини з молекулярними кристалічними ґратками. Елементи, що розташовані в середині періоду (як металічні, так і немета-лічні), утворюють прості речовини з атомними кристалічними ґратками.

Ключова ідея

Внутрішній уміст зумовлює зовнішню поведінку.

Контрольні запитання

128. Схарактеризуйте фізичні властивості речовин із кристалічними ґратками: а) металічними; б) йонними; в) молекулярними; г) атомними.

129. Які типи хімічних зв'язків характерні для речовин із кристалічними ґратками: а) атомними; б) йонними; в) молекулярними?

130. Якими хімічними зв'язками утримуються: а) атоми в молекулі; б) молекули в молекулярному кристалі; в) йони в йонному кристалі; г) атоми в атомному кристалі?

131. Схарактеризуйте положення в Періодичній системі s- та p-елементів, прості речовини яких мають кристалічні ґратки: а) металічні; б) атомні; в) молекулярні.

Завдання для засвоєння матеріалу

132. Поясніть, чому кварц SiO₂ і вуглекислий газ CO₂ мають зовсім різні фізичні властивості, незважаючи на подібний склад.

133. з наведеного переліку випишіть окремо формули речовин із різними кристалічними ґратками: MgBr₂, Zn, F₂ (тв.), ZnO, Cl₂ (тв.), Si, Ca, KNO₃, HBr (тв.), Cr₂(SO₄)₃, SiO₂ (тв.), Li₂O (тв.).

134. Порівняйте електронні конфігурації Карбону та Плюмбуму. Чому видалити електрон із зовнішнього рівня Карбону важче, ніж у Плюмбуму? Чому алмаз є неметалом, а свинець — металом?

135. Певна безбарвна речовина добре розчиняється у воді й має високу температуру плавлення. Висловте припущення щодо її кристалічних ґраток. Чи може ця речовина мати запах?

136. Обґрунтуйте, які особливості будови зумовлюють таке застосування наведених речовин: мідь — виготовлення електричних дротів, золото — фольга для золочення, алмаз — розрізання скла.

137. Чи можна замінити: а) алюміній на силіцій для виготовлення дротів; б) графіт на алюміній з метою виготовлення електродів для виробництва алюмінію; в) силіцій(^) оксид на карбон(^) оксид для виготовлення скла; г) алмаз на графіт для виготовлення бурів для свердління? Відповідь обґрунтуйте.

138. Схарактеризуйте періодичність зміни кристалічних ґраток твердих простих речовин, утворених s- та p-елементами.

Завдання з розвитку критичного мислення

139. Більшість металів під час нагрівання розм'якшуються, саме тому їх можна кувати. Чи є цей факт ознакою того, що метали — аморфні речовини?

140. За текстом параграфа проілюструйте взаємозв'язок між складом та фізичними властивостями речовин. Поясніть логічний ланцюг: хімічний склад ^ хімічний зв'язок ^ кристалічні ґратки ^ фізичні властивості.

141. Як ви вважаєте, чим можна обґрунтувати періодичність зміни кристалічних ґраток простих речовин, утворених s- та p-елементами?

142. Багато молекулярних та йонних речовин розчиняються у воді або інших органічних розчинниках. На відміну від них металічні речовини можуть розчинятися тільки в інших рідких металах або їхніх сплавах. Чим, на вашу думку, це можна пояснити?

Перевірте свої знання за темою «Хімічний зв’язок і будова речовин», виконавши тестові завдання на сайті.

 

Це матеріал з підручника Хімія 11 клас Григорович