Чем отличается молекулярное и немолекулярное строение

Урок №8. Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Кристаллические решетки

Молекулярные вещества

Молекулярные вещества имеют низкие температуры плавления и кипения и находятся в стандартных условиях в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Вода – самое известное и весьма распространенное вещество на нашей планете: поверхность Земли на 3 / 4 покрыта водой, человек на 65 % состоит из воды, без воды невозможна жизнь, так как в водном растворе протекают все клеточные процессы организма. Вода – молекулярное вещество. Это одно из немногих веществ, которое в природных условиях встречается в твердом, жидком и газообразном состояниях, и единственное вещество, для которого в каждом из этих состояний есть свое название. Особенностями строения воды вызваны ее необычные свойства. Например, при замерзании вода увеличивается в объеме, поэтому лед плавает в своем расплаве – жидкой воде, а наибольшая плотность воды наблюдается при 4 o С, поэтому зимой большие водоемы до дна не промерзают. На свойствах воды основана и сама шкала температур Цельсия (0 o – температура замерзания, 100 o – температура кипения). С причинами этих явлений и с химическими свойствами воды вы познакомитесь позже.

Немолекулярные вещества

Немолекулярные вещества находятся в стандартных условиях в твердом агрегатном состоянии и имеют высокие температуры плавления и кипения.

Железо – серебристо-белый, блестящий, ковкий металл. Это немолекулярное вещество. Среди металлов железо занимает второе место после алюминия по распространенности в природе и первое место по значению для человечества. вместе с другим металлом – никелем – оно образует ядро нашей планеты. Чистое железо не имеет широкого практического применения. Знаменитая Кутубская колонна, расположенная в окрестностях Дели, высотой около семи метров и весом 6,5 т, имеющая возраст почти 2800 лет (она поставлена в IX в. до н. э.) – один из немногих примеров использования чистого железа (99,72 %); возможно, что именно чистотой материала и объясняется долговечность и коррозионная устойчивость этого сооружения.

Источник

1.3.3. Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решётки. Зависимость свойств веществ от их состава и строения.

Для большинства веществ характерна способность в зависимости от условий находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком или газообразном.

Например, вода при нормальном давлении в интервале температур 0-100 o C является жидкостью, при температуре выше 100 о С способна существовать только в газообразном состоянии, а при температуре менее 0 о С представляет собой твердое вещество.

Вещества в твердом состоянии различают аморфные и кристаллические.

Характерными признаками аморфных веществ является отсутствие четкой температуры плавления: их текучесть плавно увеличивается с ростом температуры. К аморфным веществам относятся такие соединения, как воск, парафин, большинство пластмасс, стекло и т.д.

Все же кристаллические вещества обладают конкретной температурой плавления, т.е. вещество с кристаллическим строением переходит из твердого состоянии в жидкое не постепенно, а резко, при достижении конкретной температуры. В качестве примера кристаллических веществ можно привести поваренную соль, сахар, лед.

Разница в физических свойствах аморфных и кристаллических твердых веществ обусловлена прежде всего особенностями строения таких веществ. В чем заключается разница между веществом в аморфном и кристаллическом состоянии, проще всего понять из следующей иллюстрации:

Как можно заметить, в аморфном веществе, в отличие от кристаллического, отсутствует какой-либо порядок в расположении частиц. Если же в кристаллическом веществе мысленно соединить прямой два близкорасположенных друг к другу атома, то можно обнаружить, что на этой линии на строго определенных промежутках будут лежать одни и те же частицы:

Таким образом, в случае кристаллических веществах можно говорить о таком понятии, как кристаллическая решетка.

Кристаллической решеткой называют пространственный каркас, соединяющий точки пространства, в которых находятся частицы, образующие кристалл.

Точки пространства, в которых находятся образующие кристалл частицы, называют узлами кристаллической решетки.

В зависимости от того, какие частицы находятся в узлах кристаллической решетки, различают: молекулярную, атомную, ионную и металлическую кристаллические решетки.

В узлах молекулярной кристаллической решетки

находятся молекулы, внутри которых атомы связаны прочными ковалентными связями, однако сами молекулы удерживаются друг возле друга слабыми межмолекулярными силами. Вследствие таких слабых межмолекулярных взаимодействий кристаллы с молекулярной решеткой являются непрочными. Такие вещества от веществ с иными типами строения отличаются существенно более низкими температурами плавления и кипения, не проводят электрический ток, могут как растворяться, так и не растворяться в различных растворителях. Растворы таких соединений могут как проводить, так и не проводить электрический ток в зависимости от класса соединения. К соединениям с молекулярной кристаллической решеткой относятся многие простые вещества — неметаллы (отвержденные H₂, O₂, Cl₂, ромбическая сера S₈, белый фосфор P₄), а также многие сложные вещества – водородные соединения неметаллов, кислоты, оксиды неметаллов, большинство органических веществ. Следует отметить, что, если вещество находится в газообразном или жидком состоянии, говорить о молекулярной кристаллической решетке неуместно: корректнее использовать термин — молекулярный тип строения.

Кристаллическая решетка алмаза как пример атомной решетки

В узлах атомной кристаллической решетки

находятся атомы. При этом все узлы такой кристаллической решетки «сшиты» между собой посредством прочных ковалентных связей в единый кристалл. Фактически, такой кристалл является одной гигантской молекулой. Вследствие особенностей строения все вещества с атомной кристаллической решеткой являются твердыми, обладают высокими температурами плавления, химически мало активны, не растворимы ни в воде, ни в органических растворителях, а их расплавы не проводят электрический ток. Следует запомнить, что к веществам с атомным типом строения из простых веществ относятся бор B, углерод C (алмаз и графит), кремний Si, из сложных веществ — диоксид кремния SiO₂ (кварц), карбид кремния SiC, нитрид бора BN.

У веществ с ионной кристаллической решеткой

в узлах решетки находятся ионы, связанные друг с другом посредством ионных связей.

Поскольку ионные связи достаточно прочны, вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью и тугоплавкостью. Чаще всего они растворимы в воде, а их растворы, как и расплавы проводят электрический ток.

К веществам с ионным типом кристаллической решетки относятся соли металлов и аммония (NH₄ + ), основания, оксиды металлов. Верным признаком ионного строения вещества является наличие в его составе одновременно атомов типичного металла и неметалла.

Кристаллическая решетка хлорида натрия как пример ионной решетки

Металлическая кристаллическая решетка

наблюдается в кристаллах свободных металлов, например, натрия Na, железа Fe, магния Mg и т.д. В случае металлической кристаллической решетки, в ее узлах находятся катионы и атомы металлов, между которыми движутся электроны. При этом движущиеся электроны периодически присоединяются к катионам, таким образом нейтрализуя их заряд, а отдельные нейтральные атомы металлов взамен «отпускают» часть своих электронов, превращаясь, в свою очередь, в катионы. Фактически, «свободные» электроны принадлежат не отдельным атомам, а всему кристаллу.

Металлическая кристаллическая решетка

Такие особенности строения приводят к тому, что металлы хорошо проводят тепло и электрический ток, часто обладают высокой пластичностью (ковкостью).
Разброс значений температур плавления металлов очень велик. Так, например, температура плавления ртути составляет примерно минус 39 о С (жидкая в обычных условиях), а вольфрама — 3422 °C. Следует отметить, что в обычных условиях все металлы, кроме ртути, являются твердыми веществами.

Источник

Атомы и молекулы

Любые тела и предметы состоят из молекул — мелких частиц, на которые можно раздробить вещество физическими методами (например, растворением). Из этого вытекает определение молекулы: это самая мелкая частица вещества, сохраняющая его химические свойства.

Атомы — это мельчайшие частицы, сохраняющие свойства химического элемента, из них составляются молекулы. Атомы выделяются из молекул химическими методами.

Химические вещества могут быть газообразными, жидкими и твердыми. Частицы твердых веществ расположены ближе, а газов — дальше друг от друга, и они находятся в постоянном движении. Чем выше температура тела, тем быстрее движение молекул и атомов в нем, называемое броуновским, и тем больше расстояние между частицами. Внутри этого «бульона» постоянно действуют силы взаимного притяжения и отталкивания частиц, которые выражены тем сильнее, чем меньше разделяющее их расстояние.

Виды веществ

Вещества определяются как молекулярные и немолекулярные, в зависимости от того, из каких частиц они состоят. Разные типы частиц создают разные виды взаимосвязей, и это определяет физические и химические свойства соединений.

Имеющие молекулярное строение

Здесь связи между отдельными молекулами относительно слабые, поэтому легко разрываются при нагреве, причем тем легче, чем меньше молекулярная масса. Поэтому такие вещества плавятся при низких температурах и в нормальных условиях многие из них находятся в жидком или газообразном состоянии.

Это могут быть простые вещества: сера (S8), азот (N2), кислород (O2) и сложные, например, оксиды азота с разной валентностью (N2O, NO, N2O5, NO3), углекислый газ (CO2), серная кислота (H2SO4).

Самый известный пример такого рода — вода. Человеческое тело содержит около 65% воды. Даже шкала Цельсия привязана к ее плавлению (0°С) и кипению (100°С). В нормальных условиях это жидкость, но в природе встречается во всех трех агрегатных состояниях в виде снега или льда, воды и пара.

Электрическая полярность молекулы задает воде интересные особенности. Например, ее удельная теплоемкость настолько велика, что это делает ее одним из главных регуляторов климата Земли. Интересно, что наибольшей плотности она достигает не в виде льда, а в жидком состоянии, при 4 °C. Поэтому возле дна скапливается самая тяжелая вода, не достигающая замерзания, а более легкий твердый лед выталкивается наверх.

Еще один пример — йод. В нормальных условиях он имеет форму кристаллов, а при нагревании сразу переходит в газообразное состояние, что называется возгонкой.

Строящиеся из немолекулярных частиц

Целые классы соединений состоят не из молекул, а из атомов или ионов. Поскольку электрические связи разнозаряженных ионов или ковалентные атомные связи крепче, чем межмолекулярные, они разрушаются при нагреве гораздо труднее. Поэтому такие вещества, как правило, имеют твердую форму и высокие температуры плавления и кипения. Их определяют как вещества немолекулярного строения.

Примеры:

Таблица молекулярного и немолекулярного строения вещества:

Аморфные и кристаллические вещества

Твердые вещества могут быть аморфными или кристаллическими.

Кристаллические отличаются тем, что их структурные единицы располагаются в повторяющемся порядке, образуя кристаллические решетки.

Аморфные соединения имеют в своем составе длинные тяжелые молекулы, которые не помещаются в правильные структуры кристаллических решеток, и поэтому переход из твердого состояния в жидкое у них совершается постепенно, без четкой границы. То есть аморфные вещества не имеют точно определенной температуры плавления. Очень знакомый пример такого типа — пластилин, который используется в мягком, а не твердом или жидком состоянии. Также это различные пластмассы, смолы, стекло.

Пластичность и мягкость разогретого стекла дает возможность лепить из него, как из пластилина, только не руками, а инструментами. Стеклянная посуда, лампочки, трубки, оконное стекло — все это было бы невозможно сделать из кристаллических веществ. А как выручают человека полиэтиленовые бутылки и фасовочные пакетики!

Еще один близкий пример — сахарная карамель. Она при нагревании становится тягучей, мягкой, как и все аморфные вещества. А если дать карамели залежаться в сухом помещении несколько месяцев, ее поверхность покроется белым налетом маленьких кристаллов сахара. То есть некоторые аморфные вещества способны переходить в кристаллическую форму.

Типы кристаллических решеток

Разные виды частиц образуют разные кристаллические решетки. Существует 4 их типа:

Ионный тип кристалла

Это вид решетки, образуемый ионами — частицами, несущими на себе разноименные электрические заряды, чередующиеся в узлах решетки. Электроотрицательность анионов притягивает к себе положительно заряженные катионы, что придает решетке твердость. Поэтому такие соединения тугоплавки, зато хрупки, обладают хорошей растворимостью в воде и электропроводностью. Это основания, основные оксиды, органические и неорганические соли.

Пример такого кристалла — обычная поваренная соль, хлорид натрия. Его кубическая решетка сформирована катионами Na+ и анионами Cl-.

Атомная решетка

Этот вид кристаллов сформирован атомами, образующими между собой полярные и неполярные ковалентные связи. Такие связи очень прочны, поэтому эти вещества обладают высокой твердостью, тугоплавки и не растворяются в воде. В природе они мало распространены.

Характерный пример — углерод, имеющий две аллотропных формы, и обе — атомного типа.

Кристалл графита имеет слоистую структуру, атомы в слоях расположены по углам шестиугольника, расстояние между слоями значительно больше и межатомные связи слабее, чем внутри слоя. Поэтому кристалл хрупкий, легко расслаивается и крошится. Благодаря этому свойству, графит используется в карандашах или в виде графитовой смазки.

Алмаз — очень плотный кристалл кубической формы, среди природных минералов имеет наивысшую твердость. Образуется такая форма углерода из графита при очень высоких температуре и давлении.

Другие примеры: бор (B), германий (Ge), кремний (Si), оксид кремния (SiO2), карбид (B4C) и нитрид (BN) бора.

Состоящая из молекул

Такая решетка имеет в узлах молекулы. Силы межмолекулярного притяжения относительно слабее, и это определяет свойства веществ с молекулярной кристаллической решеткой — их кристаллы непрочные, плавятся при низких температурах, не электропроводны.

Примеры веществ с молекулярной кристаллической решеткой: полярной ковалентной связью обладает вода (H2O); а соединения неполярной ковалентной связью — твердый оксид углерода (CO2), сера (S8).

Очень интересно, что сера образует два вида кристаллов. В нормальных условиях кристаллы серы имеют интересную усечённо-ромбическую форму, а при 96 °C и выше вырастают длинные игольчатые кристаллы.

Также молекулярные кристаллы образуют многие из твердых органических соединений с достаточно сложной формулой: сахар, глюкоза.

Металлическая решетка

Эта решетка выделяется из общего ряда необычностью строения. Атомы металла, расположенные в узлах решетки, легко расстаются с внешними электронами, что превращает атом в катион, а свободно блуждающие электроны создают делокализованное электронное облако. Эта необычность определяет характерные особенности металлов: ковкость, пластичность, металлический блеск, электро- и теплопроводность.

Ионы более химически активны, чем электронейтральные атомы, этим объясняется способность металлов к поверхностному окислению. Окислы некоторых металлов, например, алюминия, образуют пленку, защищающую поверхность от контакта с кислородом воздуха. Такая особенность даже используется для защиты металлических изделий. Металлы, окислы которых образуют рыхлую структуру (например, железо), подвержены коррозии в гораздо большей степени. Примеры: железо (Fe), серебро (Ag), медь (Cu), алюминий (Al).

Источник

Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решетки. Зависимость свойств веществ от их состава и строения

Содержание:

Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решетки

Неорганические и органические соединения отличаются по строению. Меньше веществ, образованных молекулами. Гораздо чаще встречается немолекулярные соединения. Частицы веществ могут быть упорядочены расположены в пространстве, образуют кристаллическую решетку. Тип структуры влияет на свойства различных химических соединений.

Молекулярное и немолекулярное строение веществ

Представления о существовании атомов возникли в древности. Греческое название переводится как «неделимые». Долгое время термины «атом», «корпускула», «молекула» были почти синонимами. Ясность внесли химики всего мира в 1860 году. Ученые приняли решение называть атомами мельчайшие частицы вещества. Они могут входить в состав молекул и немолекулярных структур.

Строение — это характеристика структурных единиц вещества, их расположение в пространстве (кристаллическая решетка).

Типы веществ по строению

Типы

Общие признаки

Тип кристаллической решетки

Вещества молекулярного строения.

Мельчайшие структурные единицы (частицы) — молекулы.

Вещества немолекулярного строения.

Мельчайшие структурные частицы — атомы или ионы.

Атомная, ионная или металлическая.

Неметаллы, их соединения — вещества преимущественно молекулярного строения. Водород, кислород, азот, хлор, моно- и диоксид углерода, аммиак состоят из молекул сравнительно небольшого размера. Состав отражают формулы Н₂, О₂, N₂, Cl₂, СО, СО₂, NH₃. Наиболее распространенное вещество молекулярного строения — вода (Н₂О) (Рис. 1).

Агрегатное состояние при разных температурах отличается. В обычных условиях эти вещества являются газами. Вода при комнатной температуре — жидкость, при 0°С — превращается в лед, имеющий кристаллическое строение. При 100°С образуется газ (пар).

Сахар и другие твердые органические вещества тоже состоят из молекул. Состав глюкозы отражает формула С₆Н₁₂О₆. На рис. 2 показано пространственное расположение атомов в молекуле.

Немолекулярных соединений в природе гораздо больше. К этой группе относятся инертные газы, алмаз, графит (аллотропные видоизменения, модификации углерода), минерал кварц, различные соли, металлы. Это преимущественно твердые вещества (при комнатной температуре). Исключение — ртуть, жидкий металл, затвердевающий лишь при –30°С. Среди веществ немолекулярного строения встречаются наиболее твердые и тугоплавкие, обладающие высокой тепло- и электропроводностью.

Кристаллические решетки: типы и примеры

Структурные частицы природных и искусственно полученных веществ находятся в определенных точках пространства, на расстоянии друг от друга. Упорядоченное расположение называют кристаллической решеткой. В ее узлах находятся атомы, ионы или молекулы. На рисунках они обычно изображены кружочками. Черточками между ними условно обозначают химические связи.

Шаро-стержневые объемные модели тоже помогают лучше представить расположение структурных единиц в пространстве. Шарики символизируют частицы вещества, стержни между ними — химическую связь, как на рис. 3.

Вещества кристаллического строения широко распространены, имеют большое практическое значение. Они встречаются в природе, находят применение в промышленности, медицине, сельском хозяйстве, быту. (Рис. 4).

Рассмотрим особенности четырех основных типов кристаллической решетки.

Атомная

Такие кристаллические структуры распространены среди простых веществ. В узлах находятся атомы. Примеры веществ: графит и алмаз (аллотропные видоизменения, модификации углерода), кремний.

Прочную атомную кристаллическую решетку также имеют горный хрусталь и кварц (минералы состоят из диоксида кремния). Отличие от простых веществ существенное — в узлах находятся атомы кремния и кислорода, т. е. разных элементов.

Вещества атомного строения обычно твердые (за исключением графита), нерастворимые в воде, тугоплавкие, являются изоляторами или полупроводниками.

Молекулярная

В узлах кристаллической решетки — молекулы. Простые вещества с этим типом пространственного строения: S₈ — кристаллическая сера, Р₄ — белый фосфор, Br₂ — бром, I₂ — кристаллический йод. Н₂О в виде льда, СО₂ («сухой лед») — сложные вещества с молекулярной кристаллической решеткой.

Силы притяжения между структурными единицами относительно слабые, поэтому связи легко разрушаются. Например, йод возгоняется — переходит из твердого состояния в газообразное при комнатной температуре. (Рис. 5, 6).

Твердые органические соединения тоже имеют преимущественно молекулярную решетку. Это непрочные структуры, которые разрушаются при повышении температуры, растворении в воде.

Ионная

В узлах расположены ионы — заряженные частицы. Классический пример вещества с этим типом кристаллической решеткой — поваренная соль или хлорид натрия. (Рис. 7).

Катионы — положительно заряженные частицы. В электрическом поле они перемещаются к отрицательному полюсу источника тока (катоду). Отрицательные ионы движутся к аноду, имеющему заряд «+».

Ионная решетка характерна для солей, оксидов и гидроксидов металлов I–III групп периодической системы, большой группы соединений металлических элемент из других групп. Такие вещества обычно твердые и тугоплавкие.

Ионы высвобождаются при расплавлении и растворении. Расплавы и растворы являются электролитами, проводниками электрического тока, более слабыми, по сравнению с металлами.

Металлическая

Есть значительные отличия от трех предыдущих типов кристаллического строения. В узлах расположены нейтральные атомы и катионы. Между ними беспорядочно движутся электроны, образующие так называемый «электронный газ». (Рис. 8).

Металлы, их сплавы — твердые вещества, имеющие металлический блеск. Они тугоплавкие, обладают высокой тепло- и электропроводностью.

Все известные соединения состоят из атомов, молекул либо ионов. Упорядоченное расположение структурных единиц в пространстве — кристаллическая решетка. Физические свойства веществ во многом определяются типом соединения частиц.

Труднее разрушается атомная, легче — молекулярная кристаллическая решетка. Чтобы «освободить» частицы в составе ионного кристалла, достаточно растворить или расплавить вещество. Особенностью металлической решетки является наличие «электронного газа», высокая электропроводность веществ.

Источник