Страница 34 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Приведите примеры веществ с молекулярным и немолекулярным строением. Как эти вещества различаются по свойствам?

Вещества в зависимости от их внутреннего строения делятся на две большие группы: вещества с молекулярной и немолекулярной структурой. Это фундаментальное различие определяет их ключевые физические свойства.

Примеры веществ с молекулярным и немолекулярным строением

Вещества молекулярного строения состоят из отдельных, обособленных молекул. В твёрдом состоянии (в узлах кристаллической решётки) эти молекулы связаны между собой слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса, водородными связями). Атомы же внутри самих молекул соединены прочными ковалентными связями.

• Примеры: вода ($H_2O$), углекислый газ ($CO_2$, в твёрдом виде — "сухой лёд"), йод ($I_2$), сахар (сахароза, $C_{12}H_{22}O_{11}$), нафталин ($C_{10}H_8$), кислород ($O_2$), азот ($N_2$).

В веществах немолекулярного строения отсутствуют дискретные молекулы. Они состоят из атомов или ионов, которые образуют единую трёхмерную структуру — кристаллическую решётку. Все частицы в этой решётке связаны прочными химическими связями (ионными, ковалентными или металлическими). К ним относятся вещества с атомной, ионной и металлической кристаллическими решётками.

• Примеры веществ с атомной решёткой (атомы соединены прочными ковалентными связями): алмаз (C), графит (C), кварц (оксид кремния, $SiO_2$), кремний (Si).
• Примеры веществ с ионной решёткой (состоят из положительно и отрицательно заряженных ионов): поваренная соль (хлорид натрия, $NaCl$), хлорид калия ($KCl$), оксид кальция ($CaO$).
• Примеры веществ с металлической решёткой (состоят из атомов-ионов металлов и обобществлённых электронов, т.н. "электронного газа"): железо (Fe), медь (Cu), алюминий (Al), любые другие металлы и их сплавы.

Как эти вещества различаются по свойствам?

Различия в строении напрямую определяют физические свойства веществ.

• Температуры плавления и кипения.
  Молекулярные вещества: как правило, имеют низкие температуры плавления и кипения. Это объясняется тем, что для плавления или кипения необходимо преодолеть лишь слабые межмолекулярные связи, а не прочные связи внутри молекул.
  Немолекулярные вещества: обладают очень высокими температурами плавления и кипения, так как для разрушения их кристаллической решётки требуется разорвать большое количество прочных химических связей (ковалентных, ионных или металлических), что требует значительных затрат энергии.
• Твёрдость и пластичность.
  Молекулярные вещества: в твёрдом состоянии обычно хрупкие, непрочные и обладают малой твёрдостью (например, лёд, сахар, парафин).
  Немолекулярные вещества: их свойства сильно варьируются. Вещества с атомной решёткой (алмаз) — очень твёрдые. Вещества с ионной решёткой (соли) — твёрдые, но хрупкие. Металлы — обладают различной твёрдостью, но, как правило, пластичны и ковки (не хрупкие).
• Летучесть и запах.
  Молекулярные вещества: многие из них летучи, то есть легко испаряются при комнатной температуре (например, йод, нафталин). Способность к испарению обуславливает наличие у многих из них характерного запаха.
  Немолекулярные вещества: практически нелетучи из-за прочных связей между частицами и, как следствие, не имеют запаха (например, соль, песок, металлы).
• Электропроводность.
  Молекулярные вещества: в большинстве своём являются диэлектриками (не проводят электрический ток) ни в твёрдом, ни в жидком состоянии, так как состоят из нейтральных молекул и не имеют свободных носителей заряда.
  Немолекулярные вещества:
  • Ионные: не проводят ток в твёрдом состоянии, но являются проводниками в расплавах и водных растворах, где ионы становятся подвижными и могут переносить заряд.
  • Атомные: большинство — диэлектрики (алмаз) или полупроводники (кремний). Исключение — графит, который проводит электрический ток благодаря особому слоистому строению.
  • Металлические: отлично проводят электрический ток как в твёрдом, так и в жидком состоянии благодаря наличию свободных, делокализованных электронов.

Ответ:
Примеры веществ с молекулярным строением: вода ($H_2O$), йод ($I_2$), сахар ($C_{12}H_{22}O_{11}$). Они состоят из отдельных молекул, связанных слабыми межмолекулярными силами.
Примеры веществ с немолекулярным строением: поваренная соль ($NaCl$, ионное строение), алмаз (C, атомное строение), железо (Fe, металлическое строение). Они состоят из атомов или ионов, образующих единую кристаллическую решётку с прочными химическими связями.
Различия в свойствах: вещества с молекулярным строением, в отличие от немолекулярных, как правило, имеют низкие температуры плавления и кипения, малую твёрдость, они летучи и не проводят электрический ток. Вещества с немолекулярным строением тугоплавки, твёрды, нелетучи, а их электропроводность зависит от типа кристаллической решётки (металлы проводят ток всегда, ионные соединения — в расплавах/растворах, атомные — в основном не проводят).

2. Обсудите с соседом по парте вопрос, можно ли по физическим свойствам вещества определить, какое строение оно имеет — молекулярное или немолекулярное.

Решение

Да, по физическим свойствам вещества можно с высокой долей вероятности определить, какое строение оно имеет — молекулярное или немолекулярное. Ключевое различие между этими двумя типами строения заключается в силе взаимодействия между частицами, из которых состоит вещество. Это различие напрямую отражается на его физических свойствах.

Вещества с молекулярным строением

В узлах кристаллических решеток таких веществ находятся молекулы. Внутри молекул атомы связаны прочными ковалентными связями, однако сами молекулы в кристалле удерживаются друг около друга значительно более слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса, водородными связями). Для того чтобы расплавить или испарить такое вещество, нужно преодолеть именно эти слабые межмолекулярные связи, а не прочные связи внутри молекул.

Характерные физические свойства:

• Низкие температуры плавления и кипения. Большинство таких веществ при комнатной температуре являются газами (например, кислород $O_2$, углекислый газ $CO_2$), жидкостями (вода $H_2O$, спирт $C_2H_5OH$) или легкоплавкими твердыми веществами (йод $I_2$, нафталин, парафин).
• Летучесть. Многие молекулярные вещества летучи и обладают запахом, так как молекулы легко отрываются от поверхности.
• Низкая твердость и хрупкость в твердом состоянии.
• Плохая электропроводность. Молекулы электрически нейтральны, и в веществе нет свободных носителей заряда. Поэтому ни в твердом, ни в жидком, ни в газообразном состоянии они, как правило, не проводят электрический ток.

Вещества с немолекулярным строением (атомные, ионные, металлические)

Эти вещества состоят из атомов или ионов, связанных между собой прочными химическими связями (ковалентными, ионными или металлическими), которые образуют единую трехмерную структуру — кристаллическую решетку. Чтобы разрушить эту решетку (расплавить вещество), необходимо затратить много энергии на разрыв этих прочных связей.

Характерные физические свойства:

• Высокие температуры плавления и кипения. Большинство таких веществ тугоплавки. Например, алмаз (атомная решетка) плавится при температуре около $3550$ °C, поваренная соль $NaCl$ (ионная решетка) — при $801$ °C, железо (металлическая решетка) — при $1538$ °C.
• Высокая твердость. Вещества с атомной решеткой (алмаз, кварц $SiO_2$) — самые твердые из известных. Ионные кристаллы также тверды, но хрупки. Металлы обычно твердые и пластичные.
• Электропроводность. Свойства сильно зависят от типа решетки:
  • Атомные кристаллы (кроме графита) являются диэлектриками или полупроводниками.
  • Ионные кристаллы в твердом виде не проводят ток (ионы зафиксированы в узлах решетки), но становятся проводниками в расплаве или водном растворе, где ионы могут свободно перемещаться.
  • Металлы отлично проводят электрический ток и в твердом, и в жидком состоянии благодаря наличию свободных электронов.
• Растворимость. Вещества с атомной решеткой практически нерастворимы. Ионные соединения часто хорошо растворяются в полярных растворителях (например, в воде). Металлы не растворяются в обычных растворителях, но могут образовывать сплавы или вступать в химические реакции.

Таким образом, анализируя совокупность физических свойств — агрегатное состояние при обычных условиях, температуру плавления, твердость, электропроводность в разных состояниях, растворимость — можно сделать обоснованный вывод о типе строения вещества.

Ответ: Да, по комплексу физических свойств вещества можно определить его строение. Вещества с молекулярным строением, как правило, имеют низкие температуры плавления и кипения, летучи, не проводят электрический ток. Вещества с немолекулярным строением (атомным, ионным, металлическим) обычно тугоплавки, тверды, а их электропроводность и растворимость зависят от конкретного типа кристаллической решетки (атомная, ионная или металлическая).

3. Какие типы кристаллических решёток вам известны? Приведите примеры веществ, имеющих соответствующие кристаллические решётки. Составьте схему «Типы кристаллических решёток».

В зависимости от типа частиц, расположенных в узлах кристаллической решётки, и характера химической связи между ними, выделяют четыре основных типа кристаллических решёток:

Ионная кристаллическая решётка

В узлах ионной решётки находятся положительно и отрицательно заряженные ионы, связанные между собой электростатическим притяжением (ионной связью). Вещества с ионной решёткой, как правило, твёрдые, тугоплавкие, хрупкие и нелетучие. Их расплавы и растворы проводят электрический ток.

Примеры веществ: соли (хлорид натрия $NaCl$, сульфат меди(II) $CuSO_4$), щёлочи (гидроксид натрия $NaOH$, гидроксид калия $KOH$), некоторые оксиды активных металлов (оксид кальция $CaO$).

Атомная кристаллическая решётка

В узлах атомной решётки расположены отдельные атомы, соединённые прочными ковалентными связями. Эти связи образуют единый трёхмерный каркас. Вещества с атомной решёткой обладают очень высокой твёрдостью и тугоплавкостью, они практически нерастворимы в растворителях.

Примеры веществ: алмаз (C), графит (C), кремний ($Si$), диоксид кремния ($SiO_2$ - кварц), карбид кремния ($SiC$ - карборунд).

Молекулярная кристаллическая решётка

В узлах молекулярной решётки находятся молекулы (полярные или неполярные), связанные между собой слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса). Вещества с такой решёткой имеют низкие температуры плавления и кипения, они летучи, обладают малой твёрдостью и прочностью.

Примеры веществ: вода (лёд, $H_2O$), диоксид углерода («сухой лёд», $CO_2$), иод ($I_2$), нафталин ($C_{10}H_8$), большинство органических соединений, благородные газы в твёрдом состоянии.

Металлическая кристаллическая решётка

В узлах металлической решётки находятся положительно заряженные ионы металлов (атом-ионы), а между ними свободно перемещаются обобществлённые электроны («электронный газ»). Такая структура обусловливает характерные свойства металлов: высокую электро- и теплопроводность, пластичность (ковкость), металлический блеск.

Примеры веществ: все металлы и их сплавы (железо $Fe$, медь $Cu$, алюминий $Al$, золото $Au$, бронза, сталь).

Схема «Типы кристаллических решёток»

• Ионная
  • Частицы в узлах: ионы (катионы и анионы)
  • Тип связи: ионная
  • Свойства: твёрдые, тугоплавкие, хрупкие, электропроводны в растворах/расплавах
  • Примеры: $NaCl, KOH, CaO$
• Атомная
  • Частицы в узлах: атомы
  • Тип связи: ковалентная
  • Свойства: очень твёрдые, очень тугоплавкие, нерастворимые
  • Примеры: $C$ (алмаз), $Si, SiO_2$
• Молекулярная
  • Частицы в узлах: молекулы
  • Тип связи: межмолекулярные силы
  • Свойства: низкоплавкие, летучие, непрочные
  • Примеры: $H_2O$ (лёд), $CO_2$ (сухой лёд), $I_2$
• Металлическая
  • Частицы в узлах: атом-ионы и электроны
  • Тип связи: металлическая
  • Свойства: электро- и теплопроводные, пластичные, ковкие, металлический блеск
  • Примеры: $Fe, Cu, Al$

Ответ: Существует четыре основных типа кристаллических решёток: ионная, атомная, молекулярная и металлическая. Они различаются по типу частиц в узлах решётки и характеру химической связи между ними. Примеры веществ и схема, классифицирующая типы решёток, приведены выше.

4. Углекислый газ при нормальном давлении переходит в твёрдое состояние при температуре около –70°C, а речной песок (кремнезём) плавится при температуре около 1700°C. Какие выводы о строении этих веществ в твёрдом состоянии можно сделать?

Решение

Температура фазового перехода (плавления или сублимации) вещества напрямую зависит от энергии, необходимой для разрушения связей между частицами (атомами, молекулами или ионами) в его кристаллической структуре. Чем прочнее эти связи, тем выше температура, при которой вещество меняет свое агрегатное состояние.

1. Углекислый газ ($CO_2$). Температура перехода в твердое состояние составляет около $-70^\circ C$. Такая низкая температура сублимации (перехода из твердого состояния сразу в газообразное) говорит о том, что в твердом состоянии частицы углекислого газа связаны между собой очень слабыми силами. Твердый $CO_2$ (сухой лед) имеет молекулярную кристаллическую решетку. В узлах этой решетки находятся отдельные молекулы $CO_2$, которые притягиваются друг к другу слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса). Для того чтобы вещество перешло в газообразное состояние, достаточно преодолеть эти слабые силы, что требует небольшого количества энергии.

2. Речной песок (кремнезём, $SiO_2$). Температура плавления около $1700^\circ C$. Такая чрезвычайно высокая температура указывает на наличие очень прочных связей в кристалле. Кремнезём, в отличие от углекислого газа, имеет атомную кристаллическую решетку. В ее узлах находятся не молекулы, а атомы (кремния и кислорода), соединенные друг с другом прочными ковалентными связями. Каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода — с двумя атомами кремния, образуя единую гигантскую пространственную структуру. Чтобы расплавить такое вещество, необходимо разорвать эти многочисленные и очень прочные ковалентные связи, что требует огромного количества энергии и, как следствие, очень высокой температуры.

Ответ: Огромная разница в температурах фазовых переходов указывает на принципиальное различие в строении кристаллических решеток этих веществ. Твердый углекислый газ имеет молекулярную кристаллическую решетку, где молекулы $CO_2$ связаны слабыми межмолекулярными силами, что обуславливает низкую температуру сублимации. Речной песок (кремнезём) имеет атомную кристаллическую решетку, в которой атомы $Si$ и $O$ соединены прочными ковалентными связями, что является причиной его очень высокой температуры плавления.

1. В каком ряду записаны вещества только молекулярного строения?

1) сера, графит, железо

2) соль, вода, известняк

3) кислород, вода, углекислый газ

Для того чтобы определить, в каком ряду записаны вещества только молекулярного строения, необходимо проанализировать тип химической связи и строения каждого вещества в предложенных вариантах. Вещества молекулярного строения состоят из отдельных молекул, между которыми действуют слабые межмолекулярные силы. В узлах их кристаллических решеток в твердом состоянии находятся молекулы. Как правило, такое строение имеют вещества, образованные атомами неметаллов с помощью ковалентной связи.

Решение

Рассмотрим последовательно каждый вариант ответа.

1) сера, графит, железо

Сера ($S$) в твердом состоянии состоит из циклических молекул $S_8$, соединенных слабыми межмолекулярными силами. Следовательно, сера имеет молекулярное строение.
Графит ($C$) — это аллотропная модификация углерода. Он имеет атомную кристаллическую решетку слоистого типа. В слоях атомы углерода прочно связаны ковалентными связями, а между слоями действуют слабые межмолекулярные силы. Строение графита является атомным, а не молекулярным.
Железо ($Fe$) — это металл. Для металлов характерно металлическое строение, при котором в узлах кристаллической решетки находятся атомы и положительные ионы, а между ними свободно перемещаются обобществленные электроны (электронный газ).
Поскольку в этом ряду графит и железо имеют немолекулярное строение, этот вариант ответа не является правильным.

2) соль, вода, известняк

Соль (в данном случае имеется в виду поваренная соль — хлорид натрия, $NaCl$) является типичным ионным соединением. Ее кристаллическая решетка состоит из чередующихся положительных ионов натрия ($Na^+$) и отрицательных ионов хлора ($Cl^-$). Строение — ионное.
Вода ($H_2O$) состоит из отдельных молекул воды. В твердом, жидком и газообразном состояниях основными структурными единицами являются молекулы $H_2O$. Следовательно, вода имеет молекулярное строение.
Известняк, основным компонентом которого является карбонат кальция ($CaCO_3$), представляет собой ионное соединение. Его кристаллическая решетка построена из ионов кальция ($Ca^{2+}$) и карбонат-ионов ($CO_3^{2-}$). Строение — ионное.
Поскольку соль и известняк имеют ионное строение, данный ряд также не подходит.

3) кислород, вода, углекислый газ

Кислород ($O_2$) при нормальных условиях является газом, состоящим из двухатомных молекул $O_2$. Это вещество имеет молекулярное строение.
Вода ($H_2O$), как было установлено ранее, имеет молекулярное строение.
Углекислый газ ($CO_2$) состоит из молекул $CO_2$, в которых атомы связаны ковалентными полярными связями. В твердом состоянии («сухой лед») образует молекулярную кристаллическую решетку. Это вещество имеет молекулярное строение.
Все три вещества в этом ряду — кислород, вода и углекислый газ — имеют молекулярное строение.

Таким образом, единственно верным является третий вариант ответа.

Ответ: 3

2. Установите соответствие между типом кристаллической решётки вещества и его свойствами.

1) молекулярная

2) ионная

3) атомная

А. твёрдое, тугоплавкое, не растворяется в воде

Б. хрупкое, легкоплавкое, не проводит электрический ток

В. твёрдое, тугоплавкое, хорошо растворяется в воде

Для установления соответствия проанализируем свойства каждого типа кристаллической решётки.

1) молекулярная

В узлах молекулярной решётки находятся молекулы, которые связаны между собой слабыми межмолекулярными силами. Эти силы легко разрываются, поэтому вещества с такой решёткой имеют низкие температуры плавления (являются легкоплавкими), малую твёрдость и высокую летучесть. В твёрдом состоянии они, как правило, хрупкие. Так как в узлах решётки находятся электрически нейтральные молекулы и нет свободных носителей заряда (электронов или ионов), эти вещества не проводят электрический ток. Данный набор свойств (хрупкое, легкоплавкое, не проводит электрический ток) соответствует варианту Б.

Ответ: Б

2) ионная

В узлах ионной решётки находятся положительно и отрицательно заряженные ионы, удерживаемые силами электростатического притяжения (ионной связью). Эта связь очень прочная, поэтому вещества с ионной решёткой являются твёрдыми, тугоплавкими и нелетучими. Многие ионные соединения хорошо растворяются в полярных растворителях, в частности в воде, при этом они диссоциируют на ионы. Например, поваренная соль (NaCl) хорошо растворяется в воде. Эти свойства (твёрдое, тугоплавкое, хорошо растворяется в воде) соответствуют варианту В.

Ответ: В

3) атомная

В узлах атомной решётки находятся атомы, соединённые между собой очень прочными ковалентными связями, образующими единый трёхмерный каркас. Чтобы разрушить такую структуру, необходимо затратить большое количество энергии, поэтому вещества с атомной решёткой (например, алмаз, кварц) являются очень твёрдыми, тугоплавкими. Растворить такое вещество в воде или другом растворителе практически невозможно, так как для этого нужно разорвать прочные ковалентные связи. Таким образом, свойства (твёрдое, тугоплавкое, не растворяется в воде) соответствуют варианту А.

Ответ: А