Кристаллические решётки. Зависимость свойств веществ от типа решётки

Цели урока

• Определять тип кристаллической решётки по формуле или описанию свойств
• Прогнозировать температуру плавления, твёрдость, электропроводность
• Понимать влияние межмолекулярных сил на свойства молекулярных кристаллов

Зачем это нужно на ЕГЭ

Задание 4 часто содержит вопросы о связи между типом кристаллической решётки и физическими свойствами. Типичные формулировки: «Вещество хорошо растворимо в воде, проводит ток в расплаве — какой тип решётки?», «Какое из веществ имеет молекулярную решётку?». Понимание решёток нужно и для объяснения свойств конкретных веществ в заданиях высокого уровня.

Теория

Четыре типа кристаллических решёток

В кристалле частицы расположены упорядоченно — в узлах кристаллической решётки. Тип решётки определяется тем, какие частицы находятся в узлах и какие силы их удерживают.

1. Ионная кристаллическая решётка

В узлах: катионы и анионы. Связь: электростатическое притяжение (ионная связь).

Свойства:

• Высокие температуры плавления и кипения ($NaCl$ — 801 °C, $MgO$ — 2852 °C)
• Твёрдые, но хрупкие (при ударе слои сдвигаются, одноимённые ионы оказываются рядом → раскол)
• Нелетучие (низкое давление пара)
• Проводят ток в расплаве и растворе (ионы подвижны), но не в твёрдом состоянии
• Многие растворимы в воде (полярный растворитель гидратирует ионы)

Примеры: $NaCl$, $KBr$, $CaCl_2$, $NaOH$, $KOH$, $Na_2SO_4$, $CaO$, $BaO$.

2. Атомная (ковалентная) кристаллическая решётка

В узлах: атомы. Связь: ковалентная (прочная, направленная).

Свойства:

• Очень высокие температуры плавления (алмаз ~ 3500 °C, $SiC$ — 2730 °C, $SiO_2$ — 1713 °C)
• Очень твёрдые (алмаз — самое твёрдое вещество)
• Нерастворимы в воде и большинстве растворителей
• Как правило, не проводят ток (исключение — графит, где один из четырёх валентных электронов углерода делокализован)
• Нелетучие

Примеры: алмаз C, кремний Si, кварц $SiO_2$, карборунд $SiC$, бор B, нитрид бора $BN$ (алмазоподобная форма).

Важно: графит — особый случай. Он имеет слоистую структуру: внутри каждого слоя связи ковалентные + делокализованные электроны (как в металле), между слоями — слабые ван-дер-ваальсовы силы. Поэтому графит мягкий (слои скользят), проводит ток (вдоль слоёв) и используется как смазка и электрод.

3. Молекулярная кристаллическая решётка

В узлах: молекулы (полярные или неполярные). Связь между узлами: межмолекулярные силы (ван-дер-ваальсовы, водородные).

Свойства:

• Низкие температуры плавления и кипения (лёд 0 °C, $I_2$ — 113 °C, $CO_2$ возгоняется при −78 °C)
• Мягкие, часто летучие (характерный запах — признак молекулярной решётки)
• Не проводят ток (нет свободных зарядов)
• Растворимость зависит от полярности: полярные молекулы → в полярных растворителях, неполярные → в неполярных

Примеры: лёд $H_2O$, сухой лёд $CO_2$, иод $I_2$, нафталин $C_{10}H_8$, сахар $C_{12}H_{22}O_{11}$, сера $S_8$, белый фосфор $P_4$, органические вещества.

Признаки молекулярного строения: низкая $t_{\text{пл}}$, летучесть (запах), легко возгоняются.

4. Металлическая кристаллическая решётка

В узлах: положительные ионы (катионы) металла. Связь: металлическая (электронный газ).

Свойства:

• Температуры плавления сильно различаются (Hg −39 °C, Ga 30 °C, Fe 1538 °C, W 3422 °C)
• Проводят электрический ток и тепло
• Пластичные (ковкие, тягучие)
• Металлический блеск, непрозрачные
• Нерастворимы в воде (кроме щелочных металлов, которые реагируют с водой)

Примеры: все металлы в свободном виде (Fe, Cu, Al, Au, Na) и сплавы (сталь, бронза, латунь).

Сводная таблица

Как определить тип решётки по формуле

1. Простое вещество-металл → металлическая
2. Металл + неметалл → как правило, ионная (соли, оксиды, основания активных металлов)
3. Только неметаллы → молекулярная (чаще) или атомная (редко)
   • Атомная: алмаз C, Si, $SiO_2$, $SiC$, $BN$, $B_2O_3$ — запомните этот список
   • Молекулярная: все остальные ($H_2O$, $CO_2$, $SO_2$, $NH_3$, $P_4$, $S_8$, все газы, органика)

Аморфные вещества

Не все твёрдые вещества кристаллические. Аморфные вещества не имеют дальнего порядка в расположении частиц (стекло, пластмассы, резина, смола). У них нет чёткой температуры плавления — они размягчаются постепенно. Аморфные вещества изотропны (свойства одинаковы во всех направлениях), в отличие от кристаллов.

Примеры

Пример 1. Определение решётки по свойствам

Задача: Вещество — бесцветный кристалл, растворяется в воде, раствор проводит ток, $t_{\text{пл}} = 770$ °C. Определите тип решётки.

Решение: Высокая $t_{\text{пл}}$, растворимость, проводимость в растворе → ионная решётка. Вероятно, это соль (например, $KCl$, $t_{\text{пл}} = 770$ °C).

Пример 2. Определение по формуле

Задача: Определите тип решётки: $CO_2$, $SiO_2$, $Na_2O$, $Cu$.

Решение:

• $CO_2$ — два неметалла, не из «особого списка» → молекулярная (сухой лёд)
• $SiO_2$ — кремний + кислород, но $SiO_2$ входит в «атомный список» → атомная (кварц)
• $Na_2O$ — металл + неметалл → ионная
• $Cu$ — чистый металл → металлическая

Пример 3. Сравнение температур плавления

Задача: Расположите в порядке возрастания $t_{\text{пл}}$: $NaCl$, $H_2O$, $SiO_2$, $Na$.

Решение:

• $H_2O$ — молекулярная решётка → 0 °C
• $Na$ — металлическая → 98 °C
• $NaCl$ — ионная → 801 °C
• $SiO_2$ — атомная → 1713 °C

Порядок: $H_2O < Na < NaCl < SiO_2$.

Вопросы для самопроверки

1. Почему алмаз и графит — аллотропные модификации углерода — имеют столь разные свойства? Какой тип решётки у каждого?
2. Вещество имеет характерный запах и низкую температуру плавления. Какой тип решётки наиболее вероятен?
3. Почему $SiO_2$ (кварц) имеет атомную решётку, а $CO_2$ — молекулярную, хотя оба содержат элемент IV группы и кислород?
4. Объясните, почему $NaCl$ хрупкий, а медь — пластичная.
5. Какие типы решёток проводят электрический ток? В каком состоянии?

Краткий конспект

• Ионная: ионы в узлах, высокая $t_{\text{пл}}$, хрупкие, ток в растворе/расплаве ($NaCl$, $KOH$, $CaO$)
• Атомная: атомы + ковалентные связи, очень высокая $t_{\text{пл}}$, очень твёрдые (алмаз, $SiO_2$, $SiC$)
• Молекулярная: молекулы + слабые межмолекулярные силы, низкая $t_{\text{пл}}$, летучие, мягкие ($H_2O$, $CO_2$, $I_2$, органика)
• Металлическая: катионы + электронный газ, пластичные, блестящие, проводят ток (Fe, Cu, Na)
• Определение: металл → металлическая; металл+неметалл → ионная; неметаллы → молекулярная (обычно) или атомная (алмаз, Si, $SiO_2$, $SiC$, $BN$)

Что изучать дальше

Знание кристаллических решёток завершает блок о строении вещества. Дальше вы изучите классификацию химических реакций (урок 9), кинетику и равновесие, а систематизацию классов неорганических веществ начнёте с урока 13 «Оксиды: классификация, свойства и получение».