Состав вещества по типу кристаллической решётки
Модель кристаллической решётки показывает, какие частицы образуют вещество и как они расположены. По этой модели можно установить состав вещества, тип химической связи, основные физические свойства и выбрать правильную формулу.
Что показывает кристаллическая решётка
Кристаллическая решётка вещества — это упорядоченное расположение частиц в кристалле. В узлах решётки могут находиться атомы, молекулы или ионы. Именно частицы в узлах, а не внешний вид рисунка, определяют состав и свойства вещества.
Кристаллическая решётка — модель строения кристаллического вещества, в которой узлы соответствуют частицам, а связи между ними отражают взаимодействие этих частиц.
| Тип решётки | Частицы в узлах | Связи или взаимодействия | Примеры |
|---|---|---|---|
| Атомная | Атомы | Прочные ковалентные связи | алмаз, кремний, кварц \(\mathrm{SiO_2}\) |
| Молекулярная | Молекулы | Слабые межмолекулярные взаимодействия | лёд \(\mathrm{H_2O}\), йод \(\mathrm{I_2}\), углекислый газ \(\mathrm{CO_2}\) |
| Ионная | Положительные и отрицательные ионы | Электростатическое притяжение ионов | хлорид натрия \(\mathrm{NaCl}\), оксид магния \(\mathrm{MgO}\) |
| Металлическая | Атомы и катионы металла, между которыми движутся электроны | Металлическая связь | железо \(\mathrm{Fe}\), медь \(\mathrm{Cu}\) |
Состав вещества устанавливают прежде всего по частицам в узлах. Если изображены отдельные молекулы, формула отражает состав одной молекулы. Если изображены ионы, формула показывает их простейшее целочисленное соотношение, а не отдельную молекулу.
Алгоритм определения состава и типа связи
- Определите частицы в узлах: атомы, молекулы или ионы.
- Установите тип решётки по этим частицам.
- Если частицы — ионы, определите их заряды и составьте формулу по условию электронейтральности.
- Если частицы — молекулы, запишите формулу молекулы, считая атомы внутри одного узла-молекулы.
- Назовите основной тип связи: ковалентная, ионная, металлическая или межмолекулярное взаимодействие между молекулами.
- Сделайте вывод о свойствах, учитывая прочность связей и возможность движения частиц.
В формульной единице ионного соединения сумма зарядов всех ионов равна нулю. Поэтому индексы выбирают так, чтобы общее число положительных зарядов уравновешивало общее число отрицательных зарядов.
Для формул ионных соединений используют наименьшее возможное соотношение ионов. Например, для ионов \(\mathrm{Al^{3+}}\) и \(\mathrm{O^{2-}}\) наименьшее общее число зарядов равно 6: нужны два иона алюминия и три иона кислорода, поэтому формула — \(\mathrm{Al_2O_3}\).
В ионной формуле можно использовать правило «крест-накрест»: заряд катиона становится индексом аниона, а заряд аниона — индексом катиона. Затем индексы сокращают, если у них есть общий делитель.
Связь между решёткой и свойствами
Тип решётки позволяет предсказать свойства вещества, но вывод должен быть связан не только с названием решётки, а с характером взаимодействия частиц.
| Тип решётки | Температуры плавления и кипения | Электропроводность | Другие свойства |
|---|---|---|---|
| Атомная | Обычно очень высокие | Обычно не проводят; графит — исключение | Очень твёрдые, часто хрупкие |
| Молекулярная | Обычно низкие или средние | Не проводят | Летучие, мягкие, часто имеют запах |
| Ионная | Обычно высокие | Твёрдые вещества не проводят; расплавы и растворы проводят | Твёрдые, хрупкие, многие растворимы в воде |
| Металлическая | От низких до очень высоких | Хорошо проводят в твёрдом состоянии и расплаве | Ковкие, пластичные, имеют металлический блеск |
Ионные кристаллы в твёрдом состоянии не проводят ток: ионы закреплены в узлах и не могут перемещаться. В расплаве или водном растворе ионы становятся подвижными, поэтому появляется электропроводность. Молекулярные вещества обычно не проводят ток ни в твёрдом состоянии, ни в расплаве, потому что не содержат свободных заряженных частиц.
Основной тип связи называют по частицам, между которыми действует главное взаимодействие в веществе: между ионами — ионная связь, между атомами неметаллов — ковалентная, в металлах — металлическая. В молекулярных кристаллах внутри молекул есть ковалентные связи, а между молекулами — слабые межмолекулярные взаимодействия.
В узлах кристаллической решётки находятся катионы и анионы. Какой вывод верен?
Разобранный пример: определение вещества по модели
На схеме в узлах находятся ионы \(\mathrm{Ca^{2+}}\) и \(\mathrm{F^-}\). Требуется определить формулу вещества, тип решётки, тип связи и электропроводность.
Нужно сначала определить частицы, затем уравнять заряды, а после этого связать тип решётки со свойствами.
Ответ: вещество — фторид кальция \(\mathrm{CaF_2}\); решётка ионная; связь ионная; твёрдый кристалл электрический ток не проводит, расплав проводит.
Как не перепутать атомную и молекулярную решётки
Главный признак атомной решётки — в узлах находятся отдельные атомы, соединённые в единую пространственную сеть ковалентными связями. У молекулярной решётки каждая молекула сохраняет самостоятельность: внутри неё атомы связаны ковалентно, а между молекулами действуют более слабые силы.
Например, в алмазе атомы углерода образуют непрерывную прочную сетку, поэтому алмаз очень твёрдый и имеет высокую температуру плавления. В кристалле йода \(\mathrm{I_2}\) узлы заняты молекулами \(\mathrm{I_2}\), поэтому связи между молекулами слабее, а вещество легче плавится и испаряется.
1. Нельзя считать любую решётку с атомами молекулярной: в атомной решётке атомы не объединены в отдельные молекулы. 2. Нельзя утверждать, что ионное вещество проводит ток в твёрдом состоянии: ионы там неподвижны. 3. Нельзя записывать формулу ионного соединения как набор отдельных молекул: \(\mathrm{NaCl}\) — формульная единица, а не молекула. 4. Не путайте связь внутри молекулы с взаимодействием между молекулами.
Связь с электроотрицательностью и степенью окисления
Если модель не дана полностью, тип связи помогают определить состав элементов и разность электроотрицательностей. Большая разность электроотрицательностей способствует смещению общей электронной пары к более электроотрицательному атому; при очень большом различии образуются ионы и возникает ионная связь.
Для составления формулы полезно знать степень окисления. В ионных соединениях она часто совпадает с зарядом соответствующего иона. Однако степень окисления — формальная величина, а заряд иона — реальный заряд частицы. Не смешивайте эти понятия.
При решении задания сначала опирайтесь на модель решётки, если она изображена. Свойства и электроотрицательность используйте как проверку. Подробные признаки связи разобраны на странице определения типа химической связи, а сравнение решёток удобно повторить на странице сравнения типов кристаллических решёток.
Итоговая проверка
Главное
- Сначала определите частицы в узлах решётки: атомы, молекулы или ионы.
- Ионная формула должна быть электронейтральной; индексы показывают простейшее соотношение ионов.
- Атомная решётка даёт твёрдость и высокие температуры плавления, молекулярная — низкие температуры плавления и слабую электропроводность.
- Ионные вещества проводят ток в расплавах и растворах, а металлы хорошо проводят ток в твёрдом состоянии.
- При ответе разделяйте связь внутри молекулы и взаимодействие между молекулами.