Страница 8 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Как зависят свойства вещества от строения его кристаллической решётки?

Свойства вещества напрямую определяются типом его кристаллической решётки, то есть взаимным расположением частиц (атомов, ионов, молекул) в кристалле, и характером химической связи между ними. Различают четыре основных типа кристаллических решёток, свойства веществ в которых кардинально отличаются.

Вещества с ионной кристаллической решёткой

В узлах такой решётки находятся положительно и отрицательно заряженные ионы, связанные сильными электростатическими силами (ионными связями).

• Свойства: Такие вещества обладают высокими температурами плавления и кипения. Они твёрдые, но при этом хрупкие, так как механическое воздействие смещает слои ионов, и силы отталкивания между одноимёнными зарядами разрушают кристалл. В твёрдом виде они не проводят электрический ток (ионы зафиксированы), но их расплавы и растворы являются хорошими проводниками (ионы становятся подвижными).
• Примеры: поваренная соль (NaCl), хлорид цезия (CsCl), оксид магния (MgO).

Вещества с атомной кристаллической решёткой

В узлах решётки располагаются атомы, соединённые между собой очень прочными ковалентными связями, которые образуют единый жёсткий каркас.

• Свойства: Это самые твёрдые и тугоплавкие вещества. Они нерастворимы в воде и большинстве других растворителей. Как правило, они являются диэлектриками или полупроводниками, так как в них нет свободных носителей заряда (исключение — графит, имеющий слоистое строение и делокализованные электроны).
• Примеры: алмаз (C), кремний (Si), оксид кремния(IV) (SiO₂, кварц).

Вещества с молекулярной кристаллической решёткой

В узлах решётки находятся молекулы, которые удерживаются вместе слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса или водородными связями).

• Свойства: Из-за слабых связей между молекулами эти вещества имеют низкие температуры плавления и кипения, они непрочные, часто летучие. Они не проводят электрический ток ни в твёрдом, ни в жидком состоянии.
• Примеры: лёд (H₂O), «сухой лёд» (твёрдый CO₂), иод (I₂), нафталин (C₁₀H₈).

Вещества с металлической кристаллической решёткой

В узлах решётки находятся катионы металлов, а пространство между ними заполнено свободно движущимися обобществлёнными электронами («электронным газом»).

• Свойства: Наличие «электронного газа» обуславливает характерные свойства металлов: высокую электро- и теплопроводность, пластичность (ковкость, тягучесть), характерный металлический блеск. Пластичность объясняется тем, что слои катионов могут смещаться друг относительно друга без разрыва связи, так как электроны продолжают их скреплять.
• Примеры: все металлы (железо (Fe), медь (Cu), алюминий (Al)) и их сплавы.

Ответ: Свойства вещества (твёрдость, температура плавления, электропроводность, пластичность, растворимость) напрямую зависят от типа его кристаллической решётки. Тип решётки определяется природой частиц в её узлах (атомы, ионы, молекулы) и силой связей между ними. Ионные решётки обуславливают твёрдость, хрупкость и высокие температуры плавления. Атомные — очень высокую твёрдость и тугоплавкость. Молекулярные — низкие температуры плавления, непрочность и летучесть. Металлические — электропроводность, пластичность и блеск.

Как составить структурную формулу вещества?

Составление структурной формулы вещества — это процесс графического изображения расположения атомов в молекуле и химических связей между ними. Этот процесс следует определённому алгоритму, который помогает правильно отразить строение молекулы.

Алгоритм составления структурной формулы:

1. Определите молекулярную формулу и общее число валентных электронов.

Сначала необходимо знать, из каких атомов и в каком количестве состоит вещество (т.е. его молекулярную или эмпирическую формулу). Затем найдите число валентных электронов для каждого атома, используя периодическую систему (номер группы для элементов главных подгрупп). Сложите валентные электроны всех атомов. Если вы составляете формулу для иона, добавьте электроны для анионов (соответственно заряду) или вычтите для катионов.

Ответ: На первом этапе нужно узнать состав молекулы и посчитать общее количество валентных электронов всех входящих в неё атомов.

2. Определите центральный атом и нарисуйте скелетную структуру.

Центральным атомом обычно является наименее электроотрицательный элемент (водород и фтор всегда являются концевыми/терминальными). В органических соединениях основу скелета, как правило, составляет цепь из атомов углерода. Соедините атомы одинарными химическими связями (каждая связь — это пара электронов).

Ответ: На втором этапе выберите центральный атом, расположите остальные атомы вокруг него и соедините их одинарными связями.

3. Распределите оставшиеся валентные электроны.

Вычтите из общего числа валентных электронов те, что были использованы для образования одинарных связей (по два на каждую связь). Оставшиеся электроны распределите в виде неподелённых электронных пар (по два электрона) по терминальным (крайним) атомам так, чтобы для каждого из них выполнялось правило октета (8 электронов в валентной оболочке). Для водорода выполняется правило дуплета (2 электрона).

Ответ: На третьем этапе распределите оставшиеся электроны в виде неподеленных пар по крайним атомам до завершения их электронных оболочек.

4. Проверьте октет для центрального атома и образуйте кратные связи.

Если после распределения электронов по терминальным атомам у вас остались электроны, поместите их на центральный атом. Затем проверьте, имеет ли центральный атом завершённый октет. Если нет, переместите одну или несколько неподелённых пар от терминальных атомов для образования двойных или тройных связей с центральным атомом, пока он не будет иметь октет. Помните, что элементы 3-го периода и ниже (например, S, P, Cl) могут иметь "расширенный октет", то есть более 8 электронов на внешней оболочке.

Ответ: На четвёртом этапе убедитесь, что у центрального атома есть октет электронов, при необходимости образуя кратные (двойные, тройные) связи за счёт электронных пар крайних атомов.

5. Проверьте формальные заряды (рекомендуется).

Для проверки правильности полученной структуры можно рассчитать формальные заряды для каждого атома по формуле:

Формальный заряд = (Число валентных электронов) - (Число электронов в неподелённых парах) - 1/2 × (Число электронов в связях)

Наиболее вероятной и стабильной является структура с наименьшими значениями формальных зарядов (в идеале, равными нулю). Если заряды есть, то отрицательный заряд должен располагаться на наиболее электроотрицательном атоме.

Ответ: На пятом, заключительном этапе, рассчитайте формальные заряды, чтобы убедиться, что полученная структура является наиболее энергетически выгодной (стабильной).

Пример: Составление структурной формулы серной кислоты ($H_2SO_4$)

1. Молекулярная формула и валентные электроны:

Формула: $H_2SO_4$. Атомы: 2 водорода (H), 1 сера (S), 4 кислорода (O).
Валентные электроны:

• H: 2 × 1 = 2
• S: 1 × 6 = 6
• O: 4 × 6 = 24

Общее число: 2 + 6 + 24 = 32 валентных электрона.

Ответ: Молекула $H_2SO_4$ содержит 32 валентных электрона.

2. Скелетная структура:

Сера (S) — наименее электроотрицательный атом (кроме H), поэтому она будет центральной. Атомы кислорода располагаются вокруг серы, а атомы водорода присоединяются к двум из атомов кислорода (типично для кислородсодержащих кислот). В этой структуре 6 одинарных связей (2 O-H, 4 S-O). Использовано электронов: 6 × 2 = 12.

Ответ: Центральный атом S связан с четырьмя атомами O, два из которых, в свою очередь, связаны с атомами H. Использовано 12 электронов.

3. Распределение оставшихся электронов:

Осталось электронов: 32 - 12 = 20.
Распределяем их на атомы кислорода для достижения октета.

• Два атома O, связанные с H и S, уже имеют 4 электрона (2 связи). Им нужно по 4 электрона (2 неподелённые пары). 2 × 4 = 8 электронов.
• Два других атома O, связанные только с S, имеют 2 электрона (1 связь). Им нужно по 6 электронов (3 неподелённые пары). 2 × 6 = 12 электронов.

Всего распределено: 8 + 12 = 20 электронов. Все оставшиеся электроны использованы.

Ответ: 20 оставшихся электронов распределены по атомам кислорода в виде неподелённых пар.

4. Проверка октетов и формальные заряды:

На данном этапе все атомы (кроме H) имеют по 8 электронов. Проверим формальные заряды:

• H: 1 - 0 - ½(2) = 0
• O (в группе -OH): 6 - 4 - ½(4) = 0
• O (связанный только с S): 6 - 6 - ½(2) = -1
• S: 6 - 0 - ½(8) = +2

Структура имеет значительное разделение зарядов (+2 на сере, -1 на двух кислородах). Это возможно, но не идеально.

Ответ: Структура с одинарными связями верна с точки зрения октетов, но имеет высокие формальные заряды на атомах S (+2) и O (-1).

5. Минимизация формальных зарядов:

Чтобы минимизировать заряды, перемещаем неподелённые пары с двух отрицательно заряженных атомов кислорода для образования двух двойных связей с положительно заряженным атомом серы. Сера, как элемент 3-го периода, может иметь расширенный октет.
Пересчитаем формальные заряды для новой структуры:

• H и O (в -OH) остаются с зарядом 0.
• O (в двойной связи S=O): 6 - 4 - ½(4) = 0
• S (с 2 двойными и 2 одинарными связями): 6 - 0 - ½(12) = 0

Все формальные заряды равны нулю. Это наиболее предпочтительная структурная формула.

Ответ: Наиболее стабильная структурная формула серной кислоты содержит две двойные связи S=O и две одинарные связи S-OH, что обнуляет формальные заряды на всех атомах. $$ \underset{\text{Структурная формула серной кислоты}}{ \begin{array}{ccc} & \stackrel{\Large ..}{\text{O}}\hspace{-0.1em}\stackrel{\Large ..}{} & \\ & \hspace{-0.2em}\text{||}\hspace{-0.2em} & \\ \text{H—}\stackrel{\Large ..}{\text{O}}\text{—} & \text{S} & \text{—}\stackrel{\Large ..}{\text{O}}\text{—H} \\ & \hspace{-0.2em}\text{||}\hspace{-0.2em} & \\ & \underset{\Large ..}{\text{O}}\hspace{-0.1em}\underset{\Large ..}{} & \end{array} } $$