Кристалічний стан речовини

Залежно від відстані між частинками та енергій їх взаємодії речовини можуть існувати в газоподібному, рідкому або твердому станах. Твердий і рідкий стани, як уже зазначалось, називають конденсованим станом.

Твердий стан речовини характеризується тим, що між’ядерні відстані наближаються до розмірів частинок, а середня потенціальна енергія притягання між ними значно перевищує їх середню кінетичну енергію. Тверді речовини можуть існувати в кристалічному або аморфному станах.

Кристалічні речовини мають упорядковану просторову структуру, у якій частинки (атоми, молекули, іони) досить регулярно чергуються у просторі. Розміщення частинок у кристалі можна зобразити за допомогою кристалічної решітки в її вузлах (точках перетину умовних прямих ліній, що утворюють просторовий каркас) розміщені ядра частинок, які складають кристал.

Фізико-хімічні властивості речовин у кристалічному стані залежать від типу зв’язку між частинками, які знаходяться у вузлах кристалічної решітки. За характером взаємодії між ними розрізняють: атомну, іонну, молекулярну та металічну кристалічні решітки.

У вузлах атомної решітки знаходяться окремі атоми, зв’язані міцними ковалентними зв’язками (полярними чи неполярними). Речовини з атомною решіткою мають високі твердість та міцність. Вони нелеткі, мають високі температури плавлення, практично нерозчинні у жодному з розчинників, не проводять електричний струм. До таких речовин належать алмаз, кремній, германій, бор, а також багато бінарних сполук: B₂O₃, SiO₂, Al₂O₃, BN, AlN, Si₃N₄, B₄C₃, SiC та інші.

Речовини з молекулярним типом кристалічної решітки побудовані з молекул,

зв’язаних силами Ван-дер-Ваальса. Такі речовини легкоплавкі, леткі, не проводять електричного струму. Їхні властивості можуть змінюватися в широких межах залежно від полярності молекул, які містяться у вузлах решітки, а також від наявності і відсутності водневого зв’язку. Молекулярну кристалічну решітку мають речовини, які за звичайних умов є рідинами або газами (наприклад, кристалічні водень, кисень, галогени, інертні гази, вуглекислий газ, вода, більшість органічних сполук та ін.).

Сполуки, в яких реалізується іонний зв’язок, а у вузлах знаходяться протилежно заряджені іони, мають іонну кристалічну решітку. Такі речовини характеризуються досить високими температурами плавлення і кипіння, значною твердістю. Іонні решітки міцніші за молекулярні, проте слабкіші за атомні. Розчиняючись у полярних розчинниках (наприклад, у воді), речовини з іонною кристалічною решіткою дисоціюють на іони, тому їх розчини проводять електричний струм. Іонну решітку мають, наприклад, солі, сильні мінеральні кислоти, луги тощо.

Металічна кристалічна решітка поширена для металів, сплавів і деяких бінарних сполук металів з неметалами. У вузлах решітки знаходяться катіони й атоми металів, зв’язок між якими здійснюється електронами, що належать усьому кристалу. Для таких речовин характерні високі електро- і теплопровідності, металічний блиск, пластичність, ковкість.

Реальні кристали найчастіше мають змішані типи решіток, наприклад, кристалічна решітка графіту складається з атомів вуглецю, зв’язаних ковалентним і частково металічним зв’язками. Саме тому він тугоплавкий, нелеткий та проводить електричний струм. М’якість графіту зумовлена пошаровою будовою кристалічної решітки.

7.5. Запитання для самостійної підготовки

1. У чому полягає причина утворення хімічного зв’язку? Яка його природа?

2. Який хімічний зв’язок називають ковалентним? Чим можна пояснити напрямленість і насиченість ковалентного зв’язку?

3. Як за допомогою методу валентних зв’язків (МВЗ) можна обґрунтувати утворення ковалентного зв’язку?

4. Який ковалентний зв’язок називають полярним? Що є кількісною мірою полярності зв’язку? Що таке поляризованість зв’язку?

5. Який механізм утворення хімічного зв’язку називають донорно-акцепторним? Чим він відрізняється від обмінного механізму?

6. Що таке кратність хімічного зв’язку? У чому відмінність між s- та p-зв’язками?

7. Що розуміють під гібридизацією атомних орбіталей? Орбіталі якого типу підлягають гібридизації під час утворення молекул: CH₃Cl, AlH₃, CaCl₂?

8. Чому під час утворення молекули SnCl₄ відбувається гібридизація атомних орбіталей центрального атома, а під час утворення молекули SnCl₂ - ні? Обґрунтуйте геометричні форми молекул.

9. Який хімічний зв’язок називають іонним? Які властивості йонного зв’язку відрізняють його від ковалентного?

10. Що таке електронегативність ЕН? Як можна оцінити частку йонного зв’язку в молекулі за допомогою величин ЕН взаємодіючих атомів?

11. Що таке диполь? Що називають дипольним моментом молекули? Яка з наведених молекул - HCl, HBr або HІ - і чому має найбільше значення дипольного моменту?

12. Які молекули називають полярними? Чи може неполярна молекула мати полярні ковалентні зв’язки між атомами? Наведіть приклади.

13. Що називають міжмолекулярною взаємодією? Які взаємодії належать до орієнтаційних, індукційних та дисперсійних?

14. Який хімічний зв’язок називають водневим? Як впливає наявність водневого зв’язку на фізичні властивості речовин? Наведіть приклади.

15. Поясніть залежність фізичних властивостей речовин у кристалічному стані від типу зв’язку між частинками в кристалах. Наведіть приклади.

16. Що називається аморфним станом речовини? Чим він відрізняється від кристалічного?

17. Що називають ступенем окиснення та як його визначають? Наведіть приклади.

18. Чим відрізняються поняття валентності та ступеня окиснення? Наведіть приклади сполук, у яких ступінь окиснення елемента відрізняється від його валентності.

19. Наведіть приклади речовин, у кристалах яких реалізується металічний зв’язок. Чому метали мають високі тепло- та електропровідність?

20. Які фізичні властивості характерні для речовин з а) атомною; б) іонною; в) молекулярною і г) металічною кристалічними решітками?