Страница 44 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

• Что такое кристаллическая решётка?

Что такое кристаллическая решётка?

Кристаллическая решётка — это воображаемая пространственная трёхмерная сетка, которая описывает строго упорядоченное расположение частиц (атомов, ионов или молекул) в кристаллическом твёрдом теле. Точки, в которых пересекаются линии этой сетки, называются узлами кристаллической решётки. Именно в этих узлах и находятся частицы, образующие кристалл.

Вся структура кристалла может быть получена путем многократного повторения в пространстве небольшого структурного блока, который называется элементарной ячейкой. Элементарная ячейка — это наименьший фрагмент кристаллической решётки, который сохраняет все её геометрические свойства и симметрию.

В зависимости от типа частиц в узлах решётки и характера химических связей между ними, различают четыре основных типа кристаллических решёток. Тип решётки определяет ключевые физические и химические свойства вещества.

Ионная кристаллическая решётка
В узлах находятся положительно и отрицательно заряженные ионы, связанные силами электростатического притяжения. Вещества с такой решёткой (например, поваренная соль $NaCl$, хлорид цезия $CsCl$) обычно твёрдые, тугоплавкие, но хрупкие. Их расплавы и водные растворы хорошо проводят электрический ток.

Атомная кристаллическая решётка
В узлах находятся нейтральные атомы, соединённые между собой прочными ковалентными связями. Вещества с атомной решёткой (например, алмаз (C), кремний (Si), диоксид кремния ($SiO_2$)) характеризуются очень высокой твёрдостью, тугоплавкостью и, как правило, нерастворимы в обычных растворителях.

Молекулярная кристаллическая решётка
В узлах располагаются молекулы (полярные или неполярные), которые удерживаются вместе относительно слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса и/или водородными связями). Вещества с такой структурой (например, лёд ($H_2O$), йод ($I_2$), нафталин) имеют низкие температуры плавления и кипения, малую твёрдость и часто являются летучими.

Металлическая кристаллическая решётка
В узлах находятся положительные ионы металлов, а в пространстве между ними свободно перемещаются обобществлённые валентные электроны, образуя так называемый «электронный газ». Эта структура характерна для всех металлов и многих сплавов (например, медь ($Cu$), железо ($Fe$), алюминий ($Al$)). Она обуславливает их характерные свойства: высокую электро- и теплопроводность, пластичность, ковкость и металлический блеск.

Ответ: Кристаллическая решётка — это упорядоченное, периодически повторяющееся в трёх измерениях расположение частиц (атомов, ионов или молекул), из которых состоит кристалл. Точки этого расположения называются узлами решётки. Существует четыре основных типа кристаллических решёток (ионная, атомная, молекулярная и металлическая), которые определяют фундаментальные свойства твёрдых тел.

• Какие виды кристаллических решёток вам известны?

Кристаллическая решётка — это упорядоченное расположение частиц (атомов, ионов, молекул) в твёрдом теле. В зависимости от типа частиц, расположенных в узлах решётки, и характера химической связи между ними, выделяют четыре основных вида кристаллических решёток.

Ионная кристаллическая решётка

В узлах ионной решётки находятся чередующиеся положительно заряженные ионы (катионы) и отрицательно заряженные ионы (анионы). Они удерживаются вместе за счёт электростатического притяжения — ионной связи. Вещества с ионной решёткой, как правило, твёрдые, но хрупкие, так как любое смещение слоёв ионов приводит к сближению одноимённо заряженных ионов и их отталкиванию, что вызывает разрушение кристалла. Они имеют высокие температуры плавления и кипения. В твёрдом состоянии ионные кристаллы не проводят электрический ток, поскольку ионы жёстко зафиксированы в узлах решётки. Однако их расплавы и водные растворы являются хорошими проводниками, так как ионы становятся подвижными.
Примеры: хлорид натрия (NaCl), сульфат меди(II) ($CuSO_4$), гидроксид калия (KOH).

Ответ: В узлах решётки расположены катионы и анионы, связанные силами электростатического притяжения (ионной связью). Вещества с такой решёткой обычно твёрдые, тугоплавкие, хрупкие, а их расплавы и растворы электропроводны.

Атомная кристаллическая решётка

В узлах атомной решётки находятся отдельные атомы, соединённые между собой очень прочными ковалентными связями. Эти связи образуют единый гигантский каркас, распространяющийся на весь кристалл. Из-за чрезвычайной прочности ковалентных связей вещества с атомной решёткой обладают очень высокой твёрдостью (например, алмаз — самое твёрдое природное вещество), очень высокими температурами плавления и практически нерастворимы ни в каких растворителях. Большинство из них являются диэлектриками (не проводят ток), за исключением полупроводников (кремний, германий) и графита, у которого особое слоистое строение.
Примеры: алмаз (C), графит (C), кремний (Si), оксид кремния(IV) (кварц, $SiO_2$).

Ответ: В узлах решётки находятся атомы, соединённые прочными ковалентными связями. Вещества с такой решёткой характеризуются очень высокой твёрдостью, тугоплавкостью и нерастворимостью.

Молекулярная кристаллическая решётка

В узлах молекулярной решётки расположены молекулы. Атомы внутри этих молекул связаны прочными ковалентными связями, но сами молекулы в кристалле удерживаются слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса или водородными связями). Поскольку межмолекулярные связи слабые, вещества с таким типом решётки имеют низкие температуры плавления и кипения, малую твёрдость и высокую летучесть. Они, как правило, не проводят электрический ток. Их растворимость подчиняется правилу "подобное растворяется в подобном".
Примеры: лёд ($H_2O$), "сухой лёд" ($CO_2$), йод ($I_2$), нафталин, большинство органических соединений.

Ответ: В узлах решётки находятся молекулы, связанные слабыми межмолекулярными силами. Вещества с такой решёткой обычно легкоплавкие, летучие и имеют низкую твёрдость.

Металлическая кристаллическая решётка

В узлах металлической решётки находятся положительные ионы металлов, а в пространстве между ними свободно перемещаются обобществлённые валентные электроны, образуя так называемый "электронный газ". Эти свободные электроны связывают все ионы в единую структуру (металлическая связь) и обусловливают характерные свойства металлов: высокую электро- и теплопроводность, пластичность (ковкость), так как смещение слоёв ионов не приводит к разрыву связей, и характерный металлический блеск. Температуры плавления металлов могут сильно различаться.
Примеры: все металлы (железо, медь, алюминий, натрий) и их сплавы (сталь, бронза).

Ответ: В узлах решётки находятся ионы металлов, погружённые в "море" свободных электронов. Вещества с такой решёткой пластичны, ковки, обладают высокой электро- и теплопроводностью и металлическим блеском.

• Какие существуют виды химической связи?

Химическая связь — это взаимодействие атомов, которое приводит к образованию молекул, ионов, кристаллов и других устойчивых систем. Существуют несколько основных видов химической связи, которые различаются по механизму образования и свойствам.

Ковалентная связь

Это химическая связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар. Этот тип связи характерен для веществ, образованных атомами неметаллов. В зависимости от разности электроотрицательностей ($Δχ$) связываемых атомов, ковалентная связь делится на два вида:

• Ковалентная неполярная связь: образуется между атомами с одинаковой или очень близкой электроотрицательностью ($Δχ \approx 0$). Общая электронная пара в равной степени принадлежит обоим атомам. Примеры: молекулы простых веществ-неметаллов, таких как водород ($H_2$), кислород ($O_2$), хлор ($Cl_2$).
• Ковалентная полярная связь: образуется между атомами с разной электроотрицательностью ($0 < Δχ < 1.7$). Общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного атома, в результате чего на нем возникает частичный отрицательный заряд ($δ^-$), а на другом атоме — частичный положительный заряд ($δ^+$). Примеры: хлороводород ($HCl$), вода ($H_2O$), аммиак ($NH_3$).

Ответ: Ковалентная связь — это связь, основанная на образовании общих электронных пар между атомами неметаллов. Она бывает неполярной (между одинаковыми атомами) и полярной (между разными атомами).

Ионная связь

Связь, которая возникает в результате электростатического притяжения между противоположно заряженными ионами (катионами и анионами). Она образуется между атомами, которые сильно различаются по электроотрицательности ($Δχ > 1.7$), как правило, между типичным металлом и типичным неметаллом. Происходит практически полный переход одного или нескольких электронов от атома металла к атому неметалла. В результате атом металла превращается в положительно заряженный ион (катион), а атом неметалла — в отрицательно заряженный ион (анион). Примеры веществ с ионной связью: хлорид натрия ($NaCl$), оксид кальция ($CaO$), фторид лития ($LiF$).

Ответ: Ионная связь — это связь, возникающая за счёт электростатического притяжения между ионами, образовавшимися в результате перехода электронов от атомов металла к атомам неметалла.

Металлическая связь

Этот вид связи характерен для простых веществ-металлов и их сплавов. Металлическая связь возникает за счет того, что валентные электроны атомов металла обобществляются и могут свободно перемещаться по всему объему кристаллической решетки. Структуру металла можно представить как каркас из положительно заряженных ионов, погруженный в «электронный газ» — совокупность этих свободных электронов. Именно наличие «электронного газа» обуславливает такие характерные свойства металлов, как высокая электро- и теплопроводность, пластичность, ковкость и металлический блеск. Примеры: железо ($Fe$), медь ($Cu$), алюминий ($Al$).

Ответ: Металлическая связь — это тип связи в металлах, обусловленный взаимодействием положительных ионов металла с обобществлёнными («свободными») электронами.

Водородная связь

Особый вид межмолекулярного (или внутримолекулярного) взаимодействия, который значительно сильнее обычных ван-дер-ваальсовых сил, но слабее ковалентной или ионной связи. Она образуется между атомом водорода, ковалентно связанным с сильно электроотрицательным элементом (таким как фтор, кислород или азот), и неподеленной электронной парой другого электроотрицательного атома. На атоме водорода возникает значительный частичный положительный заряд ($H^{δ+}$), и он притягивается к атому с частичным отрицательным зарядом ($F^{δ-}$, $O^{δ-}$, $N^{δ-}$). Водородные связи играют ключевую роль в определении свойств воды, а также в формировании структуры биологических макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК).

Ответ: Водородная связь — это межмолекулярная (или внутримолекулярная) связь, образующаяся между атомом водорода, соединенным с сильно электроотрицательным элементом (F, O, N), и другим электроотрицательным атомом.