Типы кристаллических решеток и свойства веществ

Вещества в твердом состоянии, как правило, имеют кристаллическое строение, для которого характерно правильное, строго периодическое расположение частиц в пространстве. Если обозначить все частицы в виде точек и соединить эти точи пересекающимися прямыми линиями, то образуется как бы пространственный каркас – кристаллическая решетка.

В зависимости от того, какая частица находится в узлах решетки, различают ионные, атомные, молекулярные и металлические кристаллические решетки.

 

Рис. 6.Плоская треугольная молекула трихлорида бора BCl₃.

 

Свойства кристаллических веществ зависят от типа химической связи, существующей между частицами. Основные типы кристаллических решеток и зависимость свойств кристаллических веществ от характера сил взаимодействия между частицами вам известны из курса неорганической химии.

 

Дисперсные системы

При изучении неорганической химии вы приобрели первые представления о растворах и процессе растворения веществ в оде. Там же упоминалось, что при смешивании веществ с водой образуются и однородные системы (характерное свойство растворов), и неоднородные, т.е. суспензии и эмульсии. При растворении вещества измельчаются – дробятся. Поэтому истинные растворы, а также суспензии и эмульсии относят к дисперсным системам (диспергирование означает раздробление). Дисперсных систем известно много. Они различаются между собой в зависимости от того, такие частицы (твердые, жидкие, газообразные) и в какой среде (жидкой, газообразной) распределены. Так, например, одной из таких дисперсных систем является дым или пыль в воздухе: воздух – смесь газов, а частицы – мелкие капли жидкости. Обе дисперсные системы относятся к типу аэрозолей.

Наибольшее значение в практике имеют дисперсные системы, в которых средой являются вода и другие жидкости. Эти системы в зависимости от размеров частиц подразделяются на истинные растворы, или просто растворы, коллоидные растворы и грубодисперсные системы, или суспензии и эмульсии. Следовательно, истинные растворы тоже относятся к дисперсным системам, но в них диспергированные частицы исключительно малы. Именно поэтому истинные растворы называют однородными системами, ибо их неоднородность нельзя обнаружить даже с помощью ультрамикроскопа. В истинных растворах диспергированными частицами являются отдельные молекулы, ионы или их гидраты. Размеры этих частиц меньше (10־⁹) нм.

Большое значение имеют и коллоидные растворы. Как следует из данных таблицы, они отличаются от истинных растворов размерами частиц растворенного вещества и специфическими свойствами. Если в истинных растворах диаметр частиц меньше 1 нм, то размеры частиц в коллоидных растворах составляют от 1 до 100 нм и даже больше. Эти частицы обычно состоят из множества молекул и атомов.

Так как размеры молекул некоторых высокомолекулярных веществ превышают 1 нм, то растворы этих веществ, например белков, тоже коллоидные растворы. Коллоидные растворы образуются при растворении в воде некоторых высокомолекулярных веществ, например белков, а также при химических реакциях, Так, при взаимодействии растворов силикатов с кислотами выделяется кремниевая кислота, которая с водой образует коллоидный раствор.

Характерное свойство коллоидных растворов – их прозрачность. В этом они сходны с истинными растворами. Но если пропустить луч света через эти растворы, то можно обнаружить их отличие: при прохождении луча через коллоидный раствор появляется светящийся конус, так как коллоидные частицы крупнее частиц в истинных растворах и поэтому способны рассеивать проходящий свет.

Наиболее распространенным растворителем является вода. Кроме воды, в качестве растворителей используют и другие жидкости.

В отличие от суспензий и эмульсий коллоидные растворы не отстаиваются в течение длительного времени, так как их частицы сравнительно малы и находятся в постоянном движении в результате действия молекул растворителя.

Почему при взаимных столкновениях коллоидные частицы не слипаются? Это объясняется тем, что вещества в коллоидном, т.е. в мелкораздробленном, состоянии обладают большой поверхностью. На этой поверхности адсорбируются либо положительно, либо отрицательно заряженные ионы.

При кипячении некоторых коллоидных растворов происходит десорбция заряженных ионов, т.е. коллоидные частицы теряют заряд, начинают укрупняться и оседают. То же самое наблюдается при приливании какого-либо электролита. В этом случае коллоидная частица притягивает к себе противоположно заряженный ион и ее заряд нейтрализуется.

Слипание коллоидных частиц и их оседание из раствора называется коагуляцией.

Коллоидные растворы широко распространены в природе и играют важную роль в жизненных процессах. Так, например, яичный белок, плазма крови представляют собой коллоидные растворы, в которых осуществляются физиологические процессы. Не меньшее значение имеют коллоидные растворы почвы. Очень велика роль коллоидных растворов на производстве. Различные клеи, лаки и краски в основном коллоидные растворы.

Некоторые коллоидные растворы при коагуляции образуют студнеобразную массу, которую называют гелем (студнем). Например, 3%-ный раствор желатина в теплой воде превращается в гель, или студень. Это объясняется тем, что коллоидные частицы связывают множество молекул воды.

 

2.2 Контрольные вопросы для проверки качества знаний

1. Сформулируйте определение периодического закона Д.И. Менделеева.

Ответ: Свойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов этих элементов.

2. Разъясните, почему химический знак водорода обычно помещают в главной подгруппе I группы и в главной подгруппе VІІ группы.

Ответ: Водород является восстановителем, т.е. донором электронов. Учитывая аналогию свойств водорода и элементов металлического характера, химический знак водорода помещают в главной подгруппе I группы. Однако водород реагирует и с металлическими элементами главной подгруппы I группы. В этих реакциях водород проявляет окислительные свойства и приобретает степень окисления -1. На основе этого химический знак водорода помещают в главную подгруппу VII группы. Так как для водорода более характерны восстановительные свойства, чем окислительные, его химический символ в VII группе обычно пишут в скобках.

3. На основе закономерностей размещения электронов по орбиталям объясните, почему лантаноиды и актиноиды обладают сходными химическими свойствами.

Ответ: К лантаноидам относятся четырнадцать химических элементов – от церия Ce до лютеция Lu (порядковые номера 58–71). Так как в их атомах содержатся f-электроны, лантаноиды относятся к f-элементам. В свободном состоянии лантаноиды – типичные металлы. К актиноидам относятся четырнадцать химических элементов – от тория Th до лоуренсия Lr (порядковые номера 90–103). Так как в атомах этих элементов также присутствуют f-электроны, то актиноиды, как и лантаноиды, относятся к f-элементам. Как и в случае лантаноидов, у атомов элементов семейства актиноидов происходит заполнение третьего снаружи энергетического уровня (5 f-подуровня). Строение же наружного и, как правило, предшествующего электронных уровней остается неизменным. Поэтому лантаноиды сходны по химическим свойствам.

4. Объясните сущность понятия «валентность» с точки зрения современных представлений о строении атомов и образования химической связи.

Ответ: Валентность – это способность атома химического элемента образовывать определенное число химических связей. Валентность – способность атомов одного элемента присоединять определенное количество атомов другого элемента.

5. Могут ли быть следующие валентности у элементов:

a. Li – II

b. O – ІV

c. Ne – ІІ

Ответ: Нет, так как в этом случае затраты энергии на перемещение электрона настолько велики, что не могут быть компенсированы энергией, выделяющейся при образовании химической энергии.

6. Какие закономерности наблюдаются в изменении атомных радиусов в периодах слева направо и при переходе от одного периода к другому?

Ответ: При переходе от лития Li к фтору F постепенно возрастают заряды ядер атомов этих элементов. В связи с этим в ряду постепенно увеличивается сила притяжения наружных электронов к ядру и размеры атомов уменьшаются. А с переходом от элемента фтора F к элементу натрию Na последующий электрон помещается на более удаленный от ядра третий энергетический уровень. Поэтому размеры атомов элемента натрия Na сильно возрастают. Размеры атомов, в свою очередь, влияют на их свойства. Так, например, атомы элементов лития Li, натрия Na, калия K обладают наибольшими размерами по сравнению с атомами других элементов в тех же периодах. В связи с этим наружные электроны в атомах щелочных металлов находятся дальше от ядра, слабее притягиваются к нему и могут легко удаляться. Этим и объясняется, почему щелочные металлы являются донорами электронов, т.е. сильными восстановителями. При переходе в периодах от типичных металлических элементов к галогенам размеры атомов уменьшаются, сила притяжения наружных электронов к ядру увеличивается, что и приводит к уменьшению восстановительных и увеличению окислительных свойств.

7. Охарактеризуйте сущность основных типов химической связи.

Ответ: При взаимодействии атомов, электроотрицательности которых отличаются незначительно, происходит смещение общей связывающей электронной пары к более электроотрицательному атому и образуется ковалентная полярная связь. Ионная связь образуется при взаимодействии атомов, которые сильно различаются по электротрицательностям. Связь между атомами водорода одной молекулы и сильноотрицательными элементами (O, N, F) другой молекулы называется водородной связью. При соединении атомов с одинаковыми электроотрицательностями образуются молекулы с ковален6тной неполярной связью.

8. Приведите примеры веществ, в которых фтор образует неполярную ковалентную, полярную ковалентную и ионную связи.

Ответ: LiF, HF, F₂.

9. Какая из химических связей является наиболее полярной?

· HCl

· HBr

· HI

· HP

· HS

Ответ: HCl

10. Охарактеризуйте коллоидные растворы. Чем они отличаются от истинных растворов?

Ответ: Большое значение имеют и коллоидные растворы. Как следует из данных таблицы, они отличаются от истинных растворов размерами частиц растворенного вещества и специфическими свойствами. Если в истинных растворах диаметр частиц меньше 1 нм, то размеры частиц в коллоидных растворах составляют от 1 до 100 нм и даже больше. Эти частицы обычно состоят из множества молекул и атомов.

11. Каково строение коллоидных частиц? Чем такое строение объясняется и как оно отражается на свойствах коллоидных растворов?

Ответ: Так как размеры молекул некоторых высокомолекулярных веществ превышают 1 нм, то растворы этих веществ, например, белков, тоже коллоидные растворы. Коллоидные растворы образуются при растворении в воде некоторых высокомолекулярных веществ, например белков, а также при химических реакциях, Так, при взаимодействии растворов силикатов с кислотами выделяется кремниевая кислота, которая с водой образует коллоидный раствор. Характерное свойство коллоидных растворов – их прозрачность. В этом они сходны с истинными растворами. Но если пропустить луч света через эти растворы, то можно обнаружить их отличие: при прохождении луча через коллоидный раствор появляется светящийся конус, так как коллоидные частицы крупнее частиц в истинных растворах и поэтому способны рассеивать проходящий свет.

12. Каково значение коллоидных растворов?

Ответ: Коллоидные растворы широко распространены в природе и играют важную роль в жизненных процессах. Так, например, яичный белок, плазма крови представляют собой коллоидные растворы, в которых осуществляются физиологические процессы. Не меньшее значение имеют коллоидные растворы почвы. Очень велика роль коллоидных растворов на производстве. Различные клеи, лаки и краски в основном коллоидные растворы. Некоторые коллоидные растворы при коагуляции образуют студнеобразную массу, которую называют гелем (студнем). Например, 3%-ный раствор желатина в теплой воде превращается в гель, или студень. Это объясняется тем, что коллоидные частицы связывают множество молекул воды.

13. Какую максимальную валентность могут иметь в химических соединениях следующие элементы: Cu, P, Ti, Mn?

Решение: 1) Медь Cu. Порядковый номер меди 29. ядро атома меди содержит 29 протонов, следовательно, заряд его равен +29 и вокруг ядра находится 29 электронов. Таким образом, атом меди в нормальном состоянии может проявлять валентность один (например, в соединении Cu₂O). Однако известно, что энергии 4s- и 3d-орбиталей близки, поэтому в определенных условиях атом меди может переходить в возбужденное состояние со следующей электронной конфигурацией:

 

 

В свою очередь 4s-электроны могут легко распариваться так, что возбужденный атом меди приобретает электронную конфигурацию Cu ** и может образовывать связи за счет ставших валентными 4s и 4p-электронов:

 

 

Таким образом, медь может проявлять валентность 2.

2) Фосфор P. Порядковый номер фосфора 15. электронная конфигурация атома фосфора следующая:

 

На внешнем электронном слое атом фосфора имеет пять электронов. Фосфор может проявлять валентность 3 за счет p-электронов и свою максимальную валентность (5) за счет s- и p-электронов, когда происходит распаривание 3s-электронов на 3d- или 4s-орбиталь.

3) Титан Ti. Порядковый номер 22. Электронная конфигурация следующая:

 

 

Максимальная валентность (4) титан проявляет в возбужденном состоянии, когда распариваются его 4s-электроны, однако он может проявлять и промежуточные валентности (в соединениях Ti (ІІ), Ti(ІІІ)).

4) Марганец Mn. Порядковый номер 25. Электронная конфигурация в нормальном состоянии:

5)

 

и в возбужденном состоянии:

 

Отсюда видно, что в возбужденном состоянии максимальное число электронов, участвующих в образовании химической связи, доходит до семи.

14. Какие общие свойства имеют элементы Mn и Cl, находящиеся в одной группе периодической системы Д.И. Менделеева?

Решение: Марганец и хлор находятся в VII группе периодической таблицы, но хлор – в главной, а марганец – в побочной подгруппе. Формально они могут проявлять максимальную валентность (7) и давать соединения с меньшими валентностями, причем марганец как элемент побочной подгруппы должен иметь мало сходства с хлором – элементом главной подгруппы. 1) Электронная конфигурация хлора  следующая:

 

 

Стрелками показаны возможные способы распаривания электронов в различных возбужденных состояниях хлора. Такое распаривание возможно потому, что атом хлора имеет свободные 3d-квантовые ячейки. При частичном или полном распаривании электронов хлор может проявлять переменную валентность 1, 3, 5, 7.

Как видно из электронной конфигурации атома марганца, у него недостроена 3d-орбиталь. Наличие двух 4s-электронов еа внешнем уровне указывает прежде всего на металлические свойства марганца и обусловливает существование характерных свойств у соединений марганца. В возбужденном состоянии максимальное число электронов, участвующих в образовании химической связи, доходит до семи.

14) Какие из перечисленных ниже веществ имеют ионное, а какие – ковалентное строение? Укажите на графических или структурных формулах этих веществ характер каждой из связей: H₂O, NH₃, Al(OH)₃, BaSO₄, KMnO₄, MnO₂, Fe₂(SO₄)₃, FeS₂.

Решение: Для описания характера связей в указанных соединениях будем обозначать ковалентную связь символом «к», полярную связь – символом «п» и ионную – символом «и».

1) Вода H₂O. Графическую формулу воды можно представить, например, таким образом: H – O – Н.

 

 

Связи O – H в молекуле H₂O полярные (п).

Далее приводятся графические формулы указанных веществ.

2) Аммиак NH₃

 

 

3) Азотная кислота HNO₃

 

В нижней формуле отражены донорно-акцепторные связи.

4) Гидроксид алюминия

 

 

5) Сульфат бария BaSO₄

 

 

6) Перманганат калия KMnO₄

 

7) Оксид марганца (IV) MnO₂

 

8) Сульфат железа (ІІІ) Fe₂(SO₄)₃

 

 

9) Пирит FeS₂