Чому вода складається з молекул, у солі немає молекул NaCl, алмаз утворює суцільну атомну сітку, а метали проводять струм? Розбираємо молекулярну, йонну, атомну та металічну будову речовин.
Ми вже з’ясували, що не всі речовини складаються з молекул. Вода, кисень і вуглекислий газ мають молекулярну будову, а в кристалах кухонної солі, алмазу та заліза окремих молекул немає.
Але чому одні речовини утворюють окремі молекули, а інші — величезні кристалічні структури? І як внутрішня будова впливає на твердість, температуру плавлення та електропровідність?
Від чого залежить будова речовини
Будова речовини залежить від електронної будови її атомів і від того, який спосіб взаємодії між частинками є енергетично вигіднішим. Іноді атоми утворюють окремі стійкі молекули. В інших випадках зв’язки поширюються на весь кристал, створюючи велику йонну, атомну або металічну структуру.
Почнемо з молекулярних речовин.
Молекулярні речовини
Молекулярними називають речовини, структурними частинками яких є окремі молекули. Усередині кожної молекули атоми з’єднані міцними ковалентними зв’язками. Водночас між сусідніми молекулами діють сили міжмолекулярного притягання.
Наприклад, усередині молекули води H₂O атоми Гідрогену й Оксигену утримуються ковалентними зв’язками. А між сусідніми молекулами води виникають водневі зв’язки. Тому у склянці води міститься не одна гігантська молекула, а величезна кількість окремих молекул H₂O, які притягуються одна до одної.
Молекулярну будову також мають кисень O₂, азот N₂, водень H₂, вуглекислий газ CO₂, метан CH₄, амоніак NH₃, сахароза C₁₂H₂₂O₁₁ та багато інших речовин.
Під час плавлення або кипіння багатьох молекулярних речовин самі молекули не руйнуються. Долаються переважно сили притягання між ними, завдяки чому молекули можуть рухатися вільніше та віддалятися одна від одної.
Коли лід тане, молекули H₂O не розпадаються на Гідроген та Оксиген. Змінюються їхнє взаємне розташування і характер руху. Коли вода кипить, молекули H₂O віддаляються одна від одної та переходять у газоподібний стан, але залишаються молекулами води.
Однак деякі молекулярні речовини під час сильного нагрівання можуть розкладатися ще до плавлення або кипіння.
Міжмолекулярне притягання зазвичай слабше за хімічні зв’язки всередині молекул. Тому багато молекулярних речовин мають відносно невисокі температури плавлення та кипіння. За кімнатної температури вони можуть бути газами, рідинами або легкоплавкими твердими речовинами.
Наприклад, кисень кипить приблизно за −183 °C. Вуглекислий газ за звичайного атмосферного тиску не плавиться, а переходить із твердого стану безпосередньо в газоподібний. Лід плавиться за 0 °C.
Проте не всі молекулярні речовини обов’язково плавляться за низьких температур. Що більші молекули та що сильніше вони притягуються одна до одної, то більше енергії потрібно, щоб їх розділити. Особливу роль можуть відігравати водневі зв’язки, про які ми вже розповідали раніше.
Більшість молекулярних речовин погано проводить електричний струм, оскільки в них немає великої кількості вільних заряджених частинок. Проте важливо враховувати умови.
Наприклад, чистий хлороводень HCl складається з молекул. Але під час його розчинення у воді виникають рухливі йони, тому водний розчин проводить електричний струм.
Тепер перейдемо до немолекулярних речовин.
Немолекулярні речовини
Немолекулярними називають речовини, у яких немає окремих молекул. Їхніми структурними частинками можуть бути йони, окремі атоми або атоми, об’єднані у великі кристалічні структури.
Залежно від частинок і зв’язків можна виділити кілька основних типів немолекулярної будови: йонну, атомну та металічну. Окремий випадок — одноатомні речовини, наприклад благородні гази.
Йонні речовини
Кухонна сіль NaCl утворена позитивно зарядженими йонами Na⁺ та негативно зарядженими хлорид-іонами Cl⁻. Протилежні заряди притягуються, тому йони утворюють упорядковану тривимірну кристалічну ґратку.
У кристалі немає окремих пар Na⁺ і Cl⁻, які можна було б назвати молекулами NaCl. Кожен йон Na⁺ оточений шістьма йонами Cl⁻, а кожен Cl⁻ — шістьма йонами Na⁺. Уся структура утримується електростатичним притяганням протилежно заряджених частинок.
Формула NaCl показує не склад окремої молекули, а найпростіше співвідношення йонів: на один Na⁺ припадає один Cl⁻.
Кальцій хлорид має формулу CaCl₂. Йон Кальцію має заряд +2, а хлорид-іон — заряд −1. Тому для електричної нейтральності на один Ca²⁺ припадає два Cl⁻.
Йонні речовини зазвичай тверді, мають досить високі температури плавлення, але є крихкими. Якщо шари йонів у кристалі змістити, поруч можуть опинитися частинки з однаковими зарядами. Вони відштовхнуться — і кристал розколеться.
У твердому стані йони закріплені у кристалічній ґратці й не можуть вільно переміщуватися, тому тверді йонні речовини зазвичай не проводять струм.
Після плавлення йони стають рухливими, тому розплав проводить електричний струм. Якщо йонна речовина розчиняється у воді, її йони переходять у розчин і також можуть переносити заряд. У такому разі струм проводить уже весь розчин.
Речовини з атомною будовою
В алмазі кожен атом Карбону міцно сполучений ковалентними зв’язками з чотирма сусідніми атомами. Ці зв’язки повторюються в усіх напрямках і утворюють суцільну просторову атомну сітку.
В алмазі взагалі немає окремих молекул. У певному сенсі весь його кристал можна уявити як одну величезну структуру, утворену атомами Карбону.
Для руйнування такої просторової сітки потрібно подолати безліч міцних ковалентних зв’язків. Тому речовини з атомною будовою часто дуже тверді та мають високі температури плавлення. Деякі з них під час нагрівання розкладаються, сублімують або зазнають структурних перетворень раніше, ніж переходять у рідкий стан.
Атомну будову мають алмаз, кремній, карбід кремнію SiC та кварц SiO₂. Формула SiO₂ для кварцу показує загальне співвідношення атомів: на один атом Силіцію припадає два атоми Оксигену. Окремих молекул SiO₂ у кристалі кварцу немає.
Більшість речовин з атомною будовою погано проводить електричний струм. Але графіт є важливим винятком.
У графіті атоми Карбону утворюють окремі шари. Усередині кожного шару частина електронів може переміщуватися, тому графіт проводить електричний струм, тоді як алмаз — майже ні. Отже, навіть речовини, утворені атомами одного елемента, можуть мати дуже різні властивості через різну будову.
Металічні речовини
Залізо, мідь, алюміній та інші метали також не складаються з молекул. Їхні частинки утворюють металічну кристалічну ґратку.
Валентні електрони в металі не належать лише одному конкретному атому чи окремій парі атомів. Вони усуспільнені й можуть переміщуватися по всьому кристалу.
У спрощеній моделі метал можна уявити як позитивно заряджені атомні остови, між якими рухаються спільні валентні електрони. Це не означає, що всередині металу перебувають такі самі окремі йони, як у розчині солі. Йдеться про модель металічного зв’язку.
Завдяки рухливим електронам метали добре проводять електричний струм і тепло. А ненапрямлений характер металічного зв’язку дозволяє шарам частинок зміщуватися без миттєвого руйнування всієї структури. Тому багато металів можна кувати, витягувати в дріт і прокатувати в тонкі листи.
Одноатомні речовини
Окремо варто згадати благородні гази — гелій, неон та аргон. За звичайних умов вони існують як окремі атоми, а не як двоатомні чи багатоатомні молекули.
Причина в тому, що зовнішні електронні рівні їхніх атомів уже заповнені. Тому атоми благородних газів мало схильні утворювати хімічні зв’язки між собою.
Отже, внутрішня будова речовини безпосередньо пов’язана з її властивостями.
Від чого залежать властивості речовин
У молекулярних речовинах існують окремі молекули, між якими діють порівняно слабкі сили притягання. У йонних кристалах позитивні й негативні йони утворюють упорядковану ґратку. У речовинах з атомною будовою атоми з’єднані в суцільну ковалентну сітку. У металах діє металічний зв’язок із рухливими електронами. А благородні гази за звичайних умов складаються з окремих атомів.
Саме тому кухонна сіль крихка, алмаз надзвичайно твердий, мідь проводить струм, а кисень за кімнатної температури є газом.
Властивості речовини залежать і від того, які частинки її утворюють, і від типу зв’язків між ними, і від їхнього просторового розташування.
Розуміння цього принципу відкриває шлях до наступного кроку — класифікації речовин. Далі ми з’ясуємо, як хіміки розподіляють речовини на групи та чому метали, неметали, оксиди, кислоти, основи й солі займають різні місця на великій карті хімії.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Шкільна хімія“.