I. Строение вещества
В химические взаимодействия вступают не отдельные атомы или молекулы, а вещества. Наша задача познакомиться со строением вещества.
При низких температурах для веществ устойчиво твёрдое состояние.
☼ Самым твёрдым веществом в природе является алмаз. Он считается царём всех самоцветов и драгоценных камней. Да и само его название означает по-гречески «несокрушимый». На алмазы с давних пор смотрели как на чудодейственные камни. Считалось, что человек, носящий алмазы, не знает болезней желудка, на него не действует яд, он сохраняет до глубокой старости память и весёлое расположение духа, пользуется царской милостью.
☼ Алмаз, подвергнутый ювелирной обработке – огранке, шлифовке, называют бриллиантом.
При плавлении в результате тепловых колебаний порядок частиц нарушается, они становятся подвижными, при этом характер химической связи не нарушается. Таким образом, между твёрдым и жидким состояниями принципиальных различий нет.
У жидкости появляется текучесть (т. е. способность принимать форму сосуда).
II. Жидкие кристаллы
Жидкие кристаллы открыты в конце XIX века, но изучены в последние 20-25 лет. Многие показывающие устройства современной техники, например некоторые электронные часы, мини-ЭВМ, работают на жидких кристаллах.
В общем-то слова «жидкие кристаллы» звучат не менее необычно, чем «горячий лёд» . Однако на самом деле и лёд может быть горячим, т.к. при давлении более 10000 атм. водяной лёд плавится при температуре выше 2000 С. Необычность сочетания «жидкие кристаллы» состоит в том, что жидкое состояние указывает на подвижность структуры, а кристалл предполагает строгую упорядоченность.
Если вещество состоит из многоатомных молекул вытянутой или пластинчатой формы и имеющих несимметричное строение, то при его плавлении эти молекулы ориентируются определённым образом друг относительно друга (их длинные оси располагаются параллельно). При этом молекулы могут свободно перемещаться параллельно самим себе, т.е. система приобретает свойство текучести, характерное для жидкости. В то же время система сохраняет упорядоченную структуру, обусловливающую свойства, характерное для кристаллов.
Высокая подвижность такой структуры даёт возможность управлять ею путём очень слабых воздействий (тепловых, электрических и др.), т.е. целенаправленно изменять свойства вещества, в том числе оптические, с очень малыми затратами энергии, что и используется в современной технике.
III. Типы кристаллических решёток
Любое химическое вещество образованно большим числом одинаковых частиц, которые связаны между собою.
При низких температурах, когда тепловое движение затруднено, частицы строго ориентируются в пространстве и образуют кристаллическую решётку.
Кристаллическая решетка – это структура с геометрически правильным расположением частиц в пространстве.
В самой кристаллической решетке различают узлы и межузловое пространство.
Одно и то же вещество в зависимости от условий (p, t,…) существует в различных кристаллических формах (т.е. имеют разные кристаллические решетки) – аллотропных модификациях, которые отличаются по свойствам.
Например, известно четыре модификации углерода – графит, алмаз, карбин и лонсдейлит.
☼ Четвёртая разновидность кристаллического углерода «лонсдейлит» мало кому известна. Он обнаружен в метеоритах и получен искусственно, а строение его ещё изучается.
☼ Сажу, кокс, древесный уголь относили к аморфным полимерам углерода. Однако теперь стало известно, что это тоже кристаллические вещества.
☼ Кстати, в саже обнаружили блестящие чёрные частицы, которые назвали «зеркальным углеродом». Зеркальный углерод химически инертен, термостоек, непроницаем для газов и жидкостей, обладает гладкой поверхностью и абсолютной совместимостью с живыми тканями.
☼ Название графита происходит от итальянского «граффитто» - пишу, рисую. Графит представляет собой тёмно – серые кристаллы со слабым металлическим блеском, имеет слоистую решётку. Отдельные слои атомов в кристалле графита, связанные между собой сравнительно слабо, легко отделяются друг от друга.
Таблица: Свойства веществ с различной кристаллической решёткой
Если скорость роста кристаллов мала при охлаждении – образуется стеклообразное состояние (аморфное).
Взаимосвязь между положением элемента в Периодической системе и кристаллической решёткой его простого вещества
Между положением элемента в периодической системе и кристаллической решёткой его соответствующего простого вещества существует тесная взаимосвязь.
Простые вещества остальных элементов имеют металлическую кристаллическую решётку.
Атомная кристаллическая решётка — это кристаллическая решётка, в узлах которой находятся отдельные атомы. Атомы в таких решётках соединены между собой прочными ковалентными связями.
Примером может служить алмаз — одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами.
Ионная кристаллическая решётка образована ионами, связанными друг с другом электростатическим взаимодействием.
Такая кристаллическая решётка характерна, например, для поваренной соли — хлорида натрия.
Молекулярная кристаллическая решётка — это кристаллическая решётка, в узлах которой находятся молекулы какого–либо вещества.
IV. Закрепление
Задание №1. Какой тип кристаллической решётки у следующих широко используемых в быту веществ: вода, уксусная кислота (CH3COOH), сахар (C12H22O11), калийное удобрение (KCl), речной песок (SiO2) – температура плавления 1710 0C, аммиак (NH3), поваренная соль? Сделайте обобщённый вывод: по каким свойствам вещества можно определить тип его кристаллической решётки?
Задание №2. По формулам приведённых веществ: SiC, CS2, NaBr, C2H2 - определите тип кристаллической решётки (ионная, молекулярная) каждого соединения и на основе этого опишите физические свойства каждого из четырёх веществ.
V. Тренажеры
Тренажёр №1. "Кристаллические решётки"
Тренажёр №2. "Тестовые задания"
VI. Выполните тест
1) Вещества, имеющие молекулярную кристаллическую решётку, как правило:
a) тугоплавки и хорошо растворимы в воде
б) легкоплавки и летучи
в) тверды и электропроводны
г) теплопроводны и пластичны
2) Понятия «молекула» не применимо по отношению к структурной единице вещества:
a) вода
б) кислород
в) алмаз
г) озон
3) Атомная кристаллическая решётка характерна для:
a) алюминия и графита
б) серы и йода
в) оксида кремния и хлорида натрия
г) алмаза и бора
4) Если вещество хорошо растворимо в воде, имеет высокую температуру плавления, электропроводно, то его кристаллическая решётка:
а) молекулярная
б) атомная
в) ионная
г) металлическая