4.6. Тверді тіла. Типи кристалічних граток

Тверді тіла перебувають у двох станах: аморфному і кристалічному. Аморфний стан характеризується хаотичним розміщенням частинок у просторі. Для аморфного стану характерна ізотропія властивостей, тобто фізичні властивості у різних напрямках однакові. Прикладом аморфного стану можуть бути скло, смола, пластмаса, твердий клей тощо. У кристалічному стані молекули, атоми чи іони речовин знаходяться тільки в певних точках простору, що мають назву вузлів кристалічної гратки.

Для кристалічного стану характерна анізотропія властивостей кристалу (міцність, електро- і теплопровідність, оптичні властивості тощо) у різних напрямках різні.

Типи кристалічних граток. Залежно від природи частинок, що містяться у вузлах кристалічної гратки, а також від характеру сил між ними, розрізняють такі основні типи кристалічних граток: молекулярні, атомні, іонні й металічні (табл.4.1).

Приклади речовин з різним типом кристалічних граток:

- молекулярні

а) неполярні молекули: Cl₂, F₂, Br₂, I₂, O₂, N₂, P₄, S₈, CH₄, C₂H₂, CO₂ тощо.

б) полярні молекули: H₂O, NH₃, HF, HCl, H₂S, P₂O₅ SO₃ та ін.

- атомні: C, Sі, As, Se, Sb, Te, SiC, BN та інші;

- іонні: оксиди лужних і лужноземельних металів, галоген іди, сульфіди та інші солі;

- металічні: Fe, Co, Ag, Cu, Al, Na та інші метали.

Для кристалічного стану речовини характерні явища ізо- і поліморфізму.

Ізоморфізм – це явище полягає в тому, що різні хімічні речовини мають однакову кристалічну гратку. Наприклад, галуни: KAl(SO₄)₂·12H₂O; KFe(SO₄)₂·12H₂O.

Поліморфізм – це явище, коли одна й та сама речовина має кілька кристалічних структур. Наприклад, оксид цинку має різні кристалічні гратки і відповідно забарвлення кристалів біле й жовте.

Таблиця 4.1

Основні характеристики кристалічних граток

№ з/п	Характеристика	Типи кристалічних граток
		молекулярні	атомні	іонні	металічні
1.	У вузлах кристалічних граток знаходяться	молекули речовин	атоми	іони протилежних знаків	іони металів
2.	Природа зв’язку	сили Ван-дер-Ваальса	хімічна (ковалентний зв’язок)	електрична (кулонівська взаємодія)	металічна
3.	Енергія зв’язку	мала (5-10 кДж/моль для неполярних; 15-20 кДж/моль для полярних)	сотні кДж/моль	сотні кДж/моль	сотні кДж/моль
4.	Температура плавлення	низька	висока	висока	різна
5.	Твердість	мала	висока	міцніші за молекулярні, проте слабкіші за атомні	різна (переважно висока)
6.	Електропровідність	відсутня	відсутня	висока (у розчинах і росплавах)	висока електро- і теплопровідність

4.7. Запитання та задачі для самоконтролю

1. Що таке ковалентний зв'язок і чим зумовлено його утворення?

2. На чому грунтується метод ВЗ?

3. Які механізми утворення ковалентного зв'язку розрізняють у методі ВЗ?

4. Що розуміють під насичуваністю та напрямленістю ковалентного зв'язку?

5. Як виникають σ-, π- і δ-зв'язки і електрони яких орбіталей можуть брати участь у їх утворенні?

6. Сформулювати поняття про σ - і π -зв'язування. Що таке кратні зв'язки? Охарактеризувати причину напрямленості σ -зв'язків і причину відсутності напрямленості у π -зв'язків.

7. Що розуміють під гібридизацією атомних орбіталей і з чим вона пов'язана?

8. Яким геометричним формам відповідають частинки з sp-, sp² -, sp³-гібридизацією орбіталей центрального атома?

9. Накреслити орбітальну діаграму молекули Н₂О, користуючись s- і р-орбіталями; використовуючи гібридні sp -орбіталі.

10. Вказати усі можливі валентності для Нітрогену, Сульфуру, Хлору.

11. Електронна формула має закінчення 3d⁵4s². Визначте порядковий номер цього елементу.

12. Складіть електронні схеми будови молекул N₂, Н₂, НС1.

13. Що називають кратністю зв'язку? Чому вона дорівнює, якщо від двох взаємодіючих атомів в її утворенні брало участь:

а) 2е; б) 4е; в) 6е? Наведіть відповідні приклади.

14. У якій сполуці найбільше виражена полярність зв'язку: H₂S; СН₄; РН₃; НС1; NH₃; H₂O?

15. Наведіть приклади, коли атоми одного й того самого елемента утворюють різні види хімічного зв'язку: йонний, ковалентний полярний і ковалентний неполярний.

16. Чи може довжина зв'язку дорівнювати сумі радіусів двох атомів, які її утворюють? Покажіть і поясніть на прикладі молекули Н₂, знаючи, що г(Н) = 0,053 нм, а d(H - Н)= 0,074 нм.

17. Які типи зв'язків є у таких молекулах: NaF, Li₂O, К₂С0₃, Н₂0, Вг₂.

18. У якій із наведених нижче сполук зв'язок найбільше і найменше полярний: NaJ, NaBr, CsJ?

19. Чому Кальцій не виявляє валентності 3, а Фосфор -6, Нітроген - 5?

20. Чому кут Н-О-Н в молекулі води дорівнює 107°, а не 90?

21. Зобразіть перекривання електронних орбіталей у молекулах: a) F₂; б) HF; в) H₂S; г) РН₃.

22. Кути між зв'язками у молекулах типу СХ₄ і ВХ₃ становлять відповідно 109,5° і 120°. Що можна сказати про геометрію таких молекул?

23. Яким має бути кут між зв'язками у молекулі води, якщо врахувати, що валентні орбіталі центрального атома Оксигену гібридизовані і за яким типом?

24. Який тип гібридизації атомних орбіталей Нітро­гену в молекулі NH₃? Яка структура молекули і кут між зв'язками?

25. В основному чи збудженому стані перебувають атоми Фосфору, Сульфуру і Арсену під час утворення молекул РС1₃ і РС1₅, H₂S і SO₂, AsH₃ і H₃AsO₄?

26. Які умови необхідні для виникнення водневого зв’язку?

27. Які речовини здатні утворювати водневі зв’язки?

28. Як впливає водневий зв'язок на температуру кипіння рідин і на властивості льоду?

29. Які види взаємодії можуть виявлятися між молекулами і від яких факторів вони залежать?

30. Охарактеризувати диполь-дипольну взаємодію.

31. Які особливості дисперсійних сил взаємодії між частинками?

32. Назвати найхарактерніші ознаки твердих тіл.

33. У чому полягає відмінність між кристалічними і аморфними тілами.

34. Дати визначення анізотропності кристала.

35. Назвати типи кристалічних граток і навести приклади речовин до кожного з них.

36. У чому полягає принципова відмінність властивостей іонного та ковалентного зв’язку?

37. Які особливості металічного зв’язку порівняно з іншими типами хімічного зв’язку?