УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1–10, 12–15, 16, 17, 18, 19, 20/2003

§ 5.3. Вещество
в кристаллическом состоянии

В веществе, находящемся в кристаллическом состоянии, частицы расположены в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка представляет собой пространственное периодическое расположение частиц в кристалле. Точки кристаллической решетки, в которых расположены частицы, называются узлами кристаллической решетки.
В зависимости от природы частиц, образующих кристалл, и типа химической связи между ними кристаллы подразделяются на атомные, молекулярные, ионные, металлические.
В атомных кристаллах атомы связаны ковалентной неполярной связью. Характерным примером таких веществ является алмаз, в кристаллической решетке которого все наиближайшие межъядерные расстояния и все углы между четырьмя связями атома углерода равны. Тетраэдрический угол между этими связями свидетельствует об sp³-гибридном состоянии валентных электронных орбиталей атома углерода.
Модель кристаллической решетки алмаза показана на рис. 5.3, а.

Рис. 5.3. Модели кристаллических решеток: а – алмаз; б – графит

Алмаз – чрезвычайно устойчивая форма углерода, и не известно ни одного случая самопроизвольного перехода при обычных условиях алмаза в графит. Мы говорим о кинетической устойчивости алмаза, т. к. термодинамически более устойчивой формой углерода является графит. При нагревании алмаза без доступа воздуха выше температуры 1200 °С начинается его переход в графит.

Из алмазов особой огранкой, специально выявляющей его блеск, изготовляют бриллианты, сверкающие всеми цветами радуги в отраженном свете. Бриллианты – очень дорогие драгоценные камни (масса бриллианта измеряется в каратах, 1 карат = 0,2 г). Алмаз не проводит электрический ток.

Графит – черное, пачкающее бумагу и руки вещество, проводящее электрический ток. Кристаллическая структура графита совсем не похожа на структуру алмаза. Атомы углерода в графите расположены плоскими сетками, причем углы между связями равны 120°. Это позволяет предположить, что валентные электронные орбитали атома углерода находятся в sp²-гибридном состоянии и каждый атом связан с тремя другими атомами (рис. 5.3, б). Интересно заметить, что связи С–С в графите более прочные, чем связи в алмазе.
В плоскости перекрывания гибридных орбиталей (-связи) электроны прочно закреплены при своих атомах углерода (локализованы). Однако графит – хороший проводник тока. (Перечислите бытовые и промышленные изделия, где используется графит как проводник тока.)
Электропроводность графита наилучшим образом объясняется тем, что негибридная р-орбиталь атома углерода, располагающаяся перпендикулярно плоскости перекрывания sp²-гибридных орбиталей, перекрывается своими боковыми областями с тремя подобными орбиталями трех соседних атомов. Таким образом, выше и ниже этой плоскости находятся единые для всех атомов углерода зоны -перекрывания. В этом общем электронном облаке электроны уже не относятся к какому-либо определенному атому углерода, а принадлежат всем атомам, находящимся на плоскости. Графит проводит электрический ток по слою атомов, но не между слоями. Это прекрасный пример анизотропии кристалла!
В графите слои атомов легко скользят относительно друг друга. Когда вы пишете графитовым карандашом по бумаге, на ней остаются сместившиеся и прилипшие к бумаге слои атомов. В то же время графит не рассыпается на слои атомов, это свидетельствует о том, что они взаимодействуют между собой. Связи между плоскостями (слоями) очень слабы, их длина почти в 2,5 раза больше, чем межъядерное расстояние С–С в плоскости. За эти связи ответственны силы Ван-дер-Ваальса.
Графит и алмаз – это различные кристаллические формы, построенные из одинаковых атомов. Явление изменения кристаллической структуры одного и того же вещества при изменении внешних условий называется полиморфизмом, а сами эти вещества с различной кристаллической структурой называются полиморфными модификациями. Алмаз и графит – полиморфные модификации углерода. Полиморфизм относится только к кристаллическим веществам.

В общем случае способность простого вещества существовать в различных формах называется аллотропией. Графит и алмаз можно назвать аллотропными модификациями углерода и одновременно его полиморфными модификациями.
Газообразные кислород О₂ и озон О₃ – это аллотропные модификации кислорода, но не полиморфные.

Молекулярная кристаллическая решетка построена из молекул вещества. Обычно такие вещества имеют низкие температуры плавления и кипения, что говорит о слабой связи частиц между собой. К такого типа веществам относятся, например, твердые водород Н₂, азот N₂, кислород О₂, галогены (фтор, хлор, бром, йод), углекислый газ СО₂ («сухой лед»), все благородные элементы VIII группы (неон, аргон и др.) и многие органические вещества.
На рис. 5.4 показан фрагмент кристаллической решетки йода, в узлах которой находятся молекулы I₂. Атомы йода в молекуле связаны довольно прочной ковалентной -связью, а молекулы между собой – слабыми силами Ван-дер-Ваальса. В связи с этим при незначительном нагревании йод, не плавясь, переходит из кристаллического состояния в газообразно

Рис. 5.4. Модель кристаллической решетки йода

Среди кристаллов с молекулярной структурой особое место занимает кристаллическая вода – лед. Во льду молекулы воды связаны между собой водородными связями.
Ионные кристаллические решетки построены из противоположно заряженных ионов. На рис. 5.5 изображен фрагмент кристаллической решетки хлорида натрия NaCl. Благодаря сильному электростатическому взаимодействию ионов наряду с химической связью между ними ионные кристаллы отличаются высокой температурой плавления.

Рис. 5.5. Модель кристаллической решетки хлорида натрия

Список новых и забытых понятий и слов

О.С.ЗАЙЦЕВ

Печатается с продолжением