Номер 21, страница 26, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Глава I. Строение вещества. Параграф 2. Состояния вещества - номер 21, страница 26.

Условие.

21. Используя Интернет, подготовьте иллюстрированное сообщение о разных видах кристаллов.

Решение.

Решение

Кристаллы — это твердые тела, в которых составляющие их частицы (атомы, ионы или молекулы) расположены в строго определенном, периодически повторяющемся порядке, образуя кристаллическую решетку. Внешняя форма кристалла отражает его внутреннюю симметрию. Основополагающей классификацией кристаллов является разделение по типу химической связи между частицами в узлах кристаллической решетки. Согласно этой классификации, выделяют четыре основных типа кристаллов.

Ионные кристаллы

В узлах кристаллической решетки таких кристаллов находятся положительно и отрицательно заряженные ионы, которые удерживаются вместе силами электростатического притяжения (ионной связью). Эти силы ненаправленны и действуют равномерно во все стороны, что обеспечивает высокую прочность связи.

Свойства:

• Высокие температуры плавления и кипения из-за сильной ионной связи.
• Твердые, но хрупкие. Хрупкость объясняется тем, что при механическом воздействии (сдвиге) слои ионов смещаются, одноименно заряженные ионы оказываются друг напротив друга, и возникающие силы отталкивания разрушают кристалл.
• В твердом состоянии являются диэлектриками (не проводят ток), так как ионы жестко закреплены в узлах решетки.
• Расплавы и водные растворы хорошо проводят электрический ток, так как ионы становятся подвижными.

Примеры и иллюстрации:

Хлорид натрия (NaCl, поваренная соль): Классический пример ионного кристалла с кубической решеткой.
Иллюстрация: Трёхмерная модель кристаллической решётки NaCl, где ионы натрия $Na^+$ и хлора $Cl^-$ (представленные сферами разного цвета и размера) чередуются в вершинах кубической сетки.

Рис. 1. Модель кристаллической решетки хлорида натрия (NaCl).

Атомные (ковалентные) кристаллы

В узлах решетки находятся нейтральные атомы, соединенные между собой очень прочными ковалентными связями. Эти связи имеют строгую пространственную направленность, образуя единый жесткий трехмерный каркас, по сути, весь кристалл является одной гигантской молекулой.

Свойства:

• Очень высокие температуры плавления и кипения (например, алмаз плавится при $t \approx 3700-4000 \ ^\circ C$).
• Исключительно высокая твердость (алмаз — самое твердое природное вещество).
• Нерастворимы в каких-либо растворителях.
• Как правило, являются диэлектриками (алмаз) или полупроводниками (кремний, германий).

Примеры и иллюстрации:

Алмаз (C): Аллотропная модификация углерода. Каждый атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и связан с четырьмя соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра.
Иллюстрация: Модель, демонстрирующая тетраэдрическую структуру алмаза. Атомы углерода (серые сферы) соединены прочными связями в жесткий пространственный каркас.

Рис. 2. Модель кристаллической решетки алмаза.

Графит (C): Другая модификация углерода с атомной решеткой, но слоистой структуры. Внутри слоя атомы связаны прочными ковалентными связями в гексагональные ячейки, а слои связаны между собой слабыми межмолекулярными силами.
Иллюстрация: Схема, наглядно показывающая слоистую структуру графита и различие в силах связи внутри слоя и между слоями.

Металлические кристаллы

В узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы металлов. Между ионами свободно перемещаются валентные электроны, которые были оторваны от атомов. Эти "свободные" электроны образуют так называемый "электронный газ", который связывает положительные ионы в единую структуру за счет электростатического притяжения.

Свойства:

• Высокая электро- и теплопроводность, обусловленная наличием подвижного "электронного газа".
• Пластичность, ковкость. При деформации слои ионов могут смещаться друг относительно друга без разрыва связи, так как "электронный газ" легко перераспределяется.
• Металлический блеск — способность хорошо отражать свет.
• Широкий диапазон температур плавления.

Примеры и иллюстрации:

Медь (Cu), железо (Fe), золото (Au): Большинство металлов и их сплавов.
Иллюстрация: Схематическая модель металлической решетки: упорядоченные положительные ионы в узлах, а пространство между ними заполнено хаотично движущимися электронами ("электронным облаком").

Рис. 3. Схематическая модель строения металлического кристалла.

Молекулярные кристаллы

В узлах решетки находятся целые молекулы. Внутри молекул атомы связаны прочными ковалентными связями, однако сами молекулы в кристалле удерживаются друг около друга слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса или водородными связями).

Свойства:

• Низкие температуры плавления и кипения, так как межмолекулярные силы слабы.
• Низкая твердость, часто летучи.
• Не проводят электрический ток, так как нет свободных носителей заряда.
• Растворимость определяется полярностью молекул ("подобное растворяется в подобном").

Примеры и иллюстрации:

Лёд ($H_2O$): Твердое состояние воды. Молекулы воды в решетке связаны друг с другом водородными связями, образуя ажурную гексагональную структуру.
Иллюстрация: Фотография снежинки под микроскопом, демонстрирующая ее идеальную шестилучевую симметрию, которая является внешним проявлением внутреннего строения кристалла льда.

Рис. 4. Снежинка как пример молекулярного кристалла.

Йод ($I_2$), нафталин ($C_{10}H_8$): Другие примеры веществ с молекулярной кристаллической решеткой.
Иллюстрация: Фотография тёмно-фиолетовых кристаллов иода, которые при легком нагревании возгоняются, образуя фиолетовые пары.

Ответ:

В сообщении представлены четыре основных вида кристаллов, классифицированных по типу химической связи:
1. Ионные (например, поваренная соль), состоящие из ионов, прочные и хрупкие.
2. Атомные (например, алмаз), состоящие из атомов, связанных ковалентными связями, обладают исключительной твердостью и тугоплавкостью.
3. Металлические (например, медь), состоящие из ионов металла и "электронного газа", пластичные и хорошо проводят ток.
4. Молекулярные (например, лёд, нафталин), состоящие из молекул, связанных слабыми межмолекулярными силами, имеют низкие температуры плавления и невысокую твердость.
Каждый тип кристалла обладает уникальным набором физических свойств, которые напрямую определяются его внутренним строением и характером сил, действующих между частицами.