Учебное пособие

для учителей химии и учащихся 10-11 классов по теме: «Типы кристаллических решёток»

Содержание

1. Теоретическая часть

2. Практическая часть

а) задания с решениями

б) задания для самостоятельной работы

в) контроль знаний по теме

г) тест по теме

д) ответы к тесту

е) список литературы.

1. Теоретическая часть

Твёрдые вещества состоят из отдельных зёрен − кристаллов, иногда крупных, а порой микроскопических, мелких, почти незаметных глазу. В твёрдом состоянии подавляющее большинство веществ - кристаллические. Правда, существуют вещества твёрдые, но всё же не состоящие из кристаллов, например, стекло. На самом деле стекло – это "жидкость", только сильно переохлаждённая, а вовсе не кристалл…

А любое твёрдое кристаллическое вещество обладает определённой структурой − геометрически правильным расположением частиц в пространстве.

Частицы (молекулы, атомы или ионы), из которых состоит это вещество, не свалены в кучу как попало, а занимают каждая своё место, как зрители в театре занимают места в соответствии с купленными билетами. И точно так же, как в зрительном зале, "кресла" в кристалле расположены рядами и в затылок друг другу. Только стоит добавить ещё − и этажами друг над другом.

Если молекулы (атомы, ионы) "сядут" в эти кресла, то, соединив их мысленными линиями, мы получим в пространстве трёхмерный каркас − кристаллическую решётку вещества. Каждое "кресло" будет называться узлом кристаллической решётки.

Если в узлах кристаллической решётки находятся неполярные молекулы какого-то вещества (вроде йода I₂, кислорода О₂ или азота N₂), то они не испытывают друг к другу никаких электрических "симпатий". Другими словами, их молекулы не должны притягиваться за счет электростатических сил. И все-таки, что-то их удерживает рядом. Что именно?

Оказывается, в твёрдом состоянии эти молекулы подходят настолько близко друг к другу, что в их электронных облаках начинаются мгновенные (правда, очень слабые) смещения - сгущения и разрежения электронных облаков. Вместо неполярных частиц возникают "мгновенные диполи", которые уже смогут притягиваться друг к другу электростатически. Однако это притяжение очень слабое. Поэтому кристаллические решётки неполярных веществ непрочные и существуют только при очень низкой температуре, при "космическом" холоде.

Астрономы действительно обнаружили небесные тела - кометы, астероиды, даже целые планеты, состоящие из замёрзшего азота, кислорода и других веществ, которые в обычных земных условиях существуют в виде газов и становятся твёрдыми в межпланетном пространстве.

Многие простые и сложные вещества с молекулярной кристаллической решеткой хорошо всем известны. Это, например, кристаллический йод I_2.

Молекулы йода довольно слабо связаны между собой. Вот почему кристаллический йод такой летучий и уже при самом легком нагревании испаряется, превращаясь в газообразный йод - пар красивого фиолетового цвета.

Когда в узлах кристаллической решётки находятся молекулы вещества, связи между ними не очень-то крепкие, даже если эти молекулы - полярные. Поэтому для того, чтобы расплавить такие кристаллы или испарить вещества с молекулярной кристаллической структурой, не требуется нагревать их до красного каления.

Уже при 0 ° С кристаллическая структура льда разрушается, и получается вода. А "сухой лед" при обычном давлении не плавится, а сразу переходит в газообразный диоксид углерода - возгоняется.

Так что вещества с молекулярными кристаллическими решетками имеют низкие температуры плавления и кипения, они летучие, их кристаллы нетвердые и механически непрочные.

Другое дело - вещества с атомной кристаллической решёткой, где каждый атом связан со своими соседями очень прочными ковалентными связями, а весь кристалл в целом при желании можно считать огромной молекулой.

Для примера можно рассмотреть кристалл алмаза, который состоит из атомов углерода.

Атом углерода С, который содержит два неспаренных р-электрона, превращается в атом углерода С*, где все четыре электрона внешнего валентного уровня расположены на орбиталях поодиночке и способны образовывать химические связи. Химики называют такой атом "возбужденным".

В этом случае химических связей оказывается целых четыре, и все очень прочные. Недаром алмаз - самое твёрдое вещество в природе и с незапамятных времён считается царём всех самоцветов и драгоценных камней. Да и само его название означает по-гречески "несокрушимый".

Из огранённых кристаллов алмаза получаются бриллианты, которыми украшают дорогие ювелирные изделия.Но алмаз идет не только на украшения. Его кристаллы используются в инструменте для обработки самых твёрдых материалов, бурения горных пород, резки и огранки стекла и хрусталя.

Кристаллическая решетка алмаза (слева) и графита (справа).

Графит по составу тот же углерод, но структура кристаллической решётки у него не такая, как у алмаза. В графите атомы углерода расположены слоями, внутри которых соединение атомов углерода похоже на пчелиные соты. Эти слои связаны между собой гораздо слабее, чем атомы углерода в каждом слое. Поэтому графит легко расслаивается на чешуйки, и им можно писать. Применяется он для изготовления карандашей, а также в качестве сухой смазки, пригодной для деталей машин, работающих при высокой температуре. Кроме того, графит хорошо проводит электрический ток, и из него делают электроды.

Можно ли недорогой графит превратить в драгоценный алмаз? Можно, но для этого потребуется немыслимо большое давление (несколько тысяч атмосфер) и высокая температура (полторы тысячи градусов).

Алмаз, графит, карбин...
А элемент - один!
Все это - углерод,
Вот!

Совершенно особая кристаллическая решётка у металлов. Но прежде всего: что такое "металлы"?

Физики называют металлами вещества, которые, помимо особого "металлического" блеска, хорошо проводят тепло и электрический ток и к тому же пластичны (их можно обрабатывать молотом на наковальне).

А химики относят к металлам, в первую очередь, те вещества, которые очень легко превращаются в катионы, теряя электроны внешнего валентного уровня.

Почему же металлы электропроводны?

Атомы металла, очутившись в узлах кристаллической решётки, не дремлют в "театральных креслах", как все остальные частицы, о которых уже была речь. Они не находят себе покоя, пока не отправят "по рядам" (а точнее - в межузловое пространство кристалла) пару-тройку электронов. Эти электроны будут постоянно присутствовать в кристалле металла в виде так называемого "электронного газа". А когда настанет время проводить электрический ток, они пригодятся как переносчики заряда.

Металлическая кристаллическая решётка содержит в узлах положительные ионы (катионы) металла, а валентные электроны этих атомов металла в виде электронного газа стягивают катионы в единую структуру и обеспечивают между этими атомами металлическую связь. Электроны, из которых состоит "электронный газ", непрерывно и беспорядочно движутся внутри кристаллической решётки, они мечутся, как мошкара в воздухе летним вечером или снежная пыль во время метели. Как только появится электрическое напряжение, их будет как ветром сдувать в одну сторону - к положительному электроду.

Кристаллическая решетка, в узлах которой находятся катионы и анионы, называется ионной. В ионном кристалле нет отдельных "молекул", каждый из катионов одновременно притягивается ко всем окружающим его анионам-соседям. В кристалле хлорида натрия их целых шесть (слева, справа, спереди и сзади, сверху и снизу).

Но это ещё не всё. Каждый катион ещё и отталкивается всеми своими братьями-катионами: знай своё место в кристаллической решётке. Точно также и анионы притягиваются соседями-катионами и отталкиваются родными братьями-анионами. Словом, химические связи в ионном кристалле никак нельзя назвать направленными: электростатические силы распространяются равномерно во все стороны.

Вещества с ионной кристаллической решеткой более твёрдые и прочные, чем вещества, состоящие из молекулярных кристаллов. Они плавятся и тем более испаряются при очень высокой температуре, иногда - до нескольких сотен градусов. Но попадая в водный раствор, ионные кристаллы полностью распадаются на составляющие их ионы.

Итак, химическая связь может возникнуть при электростатическом притяжении двух разноименных ионов - катиона и аниона, например, K⁺ и I⁻. Перекрывание атомных орбиталей, в этом случае электронная плотность распределена неравномерно, недостаток её будет у атома калия, а избыток - у атома йода. Ионную связь (K⁺)−(I⁻) рассматривают как предельный случай ковалентной связи.

Суть знаний о кристаллических решётках отражает следующая таблица:

Модели кристаллических решёток различных типов

Молекулярная кристаллическая решётка

Кристаллическая решётка йода I₂                      Кристаллическая решётка брома Br₂

Ионная кристаллическая решётка

Кристаллическая решётка CaCl₂                        Кристаллическая решётка NaCl

Атомная кристаллическая решётка

 Кристаллическая решётка кремния                  Кристаллическая решётка графита

Металлическая кристаллическая решётка

Кристаллическая решётка алюминия                Кристаллическая решётка железа

«Если действовать не будешь, ни к чему ума палата»

Шота Руставели

2. Практическая часть

Внимательно прочитайте описание работы, которую нам предстоит практически выполнить. Для записи своих наблюдений приготовим тетрадь ("ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ"). Можно зарисовать в этой тетради то, что получается, а потом отсканировать рисунки и прислать своему учителю по электронной почте. Если в вашем распоряжении имеется цифровой фотоаппарат, то все стадии опыта можно сфотографировать с его помощью, а потом выслать снимки учителю.

а) задания с решениями                                          

У каких широко распространённых веществ молекулярная кристаллическая решётка?

·         Кристаллическая вода (лёд) состоит из полярных молекул воды H₂O.

·         Кристаллы "сухого льда", которым охлаждают мороженое, - это тоже молекулярные кристаллы углекислого газа CO₂.

·         Еще один пример - сахар, который образует кристаллы из молекул сахарозы.

А теперь давайте сделаем из пластилина и проволоки модели кристаллических решеток разных веществ.

·         Кристаллические решетки алмаза, графита, хлорида натрия будет делать из проволоки и разноцветного пластилина. Сначала скатаем из пластилина шарики, которые будут обозначать необходимые для дальнейшей работы атомы или ионы. Затем сделаем проволочный каркас. После этого можно поместить пластилиновые шарики нужного цвета на место узлов кристаллической решётки.

·         Для случая молекулярных кристаллических решеток йода и диоксида углерода сначала изготовим модели молекул соответствующих веществ, а потом закрепим их в нужных местах проволочного каркаса.

Почему алмаз твёрже, чем графит? Почему катионы натрия и хлорид-ионы в кристаллической решётке хлорида натрия не располагаются хаотически, а чередуются попеременно? Можно ли связать высокую летучесть твердого йода со строением его кристаллической решётки?

Проведите опыт – получите дома ионные кристаллы поваренной соли. Для этого потребуется стакан и чашка, горячая вода и соль.

• Нальем в стакан на четверть его объема горячую воду и растворим в ней 3-4 чайные ложки поваренной соли. После этого перельём раствор соли в чашку и поставим охлаждаться. На следующий день (а может быть и чуть позже) мы обнаружим на дне стакана под слоем раствора соли её кристаллы - прозрачные кубики хлорида натрия.

Ионы, из которых состоит хлорид натрия, собрались у дна стакана и образовали ионный кристалл, состоящий из катионов натрия Na⁺ и хлорид-анионов Cl⁻.

Почему для получения кристаллов требуется охладить раствор и подождать, пока из него испарится некоторое количество воды?
Как вы думаете, где в природе чаще обнаруживается минерал галит - в местности с холодным климатом или с теплым?

Выполните описанную здесь работу у себя дома, а потом напишите письмо . В этом письме опишите всё, что удалось наблюдать, а также дайте ответы на вопросы, которые вы здесь прочитали. К письму приложите рисунки или фотографии, обязательно - с пояснением, что на них изображено, и с указанием даты выполнения работы.

б) задания для самостоятельной работы

1. Приведите примеры, показывающие взаимосвязь строения и свойств веществ, имеющих: 1) ионную кристаллическую решётку; 2) металлическую кристаллическую решётку; 3) молекулярную и атомную кристаллические решётки.

2. Объясните различие в свойствах веществ их неодинаковым строением: 1) графита и алмаза; 2) куска кристаллической серы и алмаза; 3) аморфного вещества (парафина) и кристаллического вещества (по выбору).

3. Установите зависимость свойств веществ, имеющих: а) ионную химическую связь и ионную кристаллическую решётку (CaO, NaCl, AlI₃); б) металлическую химическую связь и металлическую кристаллическую решётку (Zn, Cu, Fe); в) ковалентную полярную химическую связь и молекулярную или атомную решётку (HCl, H₂S, SiO_2, SiC).

4. Какой тип кристаллической решётки можно предположить: 1) у нафталина, вещества легкоплавкого, легкоиспаряющегося, имеющего характерный запах; 2) у йода и нашатыря – веществ легковозгоняемых (отметьте, чем отличается возгонка йода от возгонки нашатыря); 3) у парафина, не имеющего постоянной температуры плавления; при нагревании парафин размягчается, образуя вязкую жидкость, а при остывании – аморфное вещество?

5.  Охарактеризуйте молекулярные, ковалентные, металлические и ионные кристаллы: 1) по типу структурной частицы (атом, молекула, ион); 2) по основному типу связи между структурными частицами (ковалентная, ионная,  металлическая, межмолекулярная); 3) по прочности связи (сильная, слабая); 4) по температуре плавления (низкая, высокая); 5) по электрической проводимости (диэлектрик, проводник, полупроводник). Для каждого из типов кристаллов приведите по 3-4 примера веществ.

6. Энергия кристаллической решётки некоторых соединений имеет следующие значения (при 25 °С):

                            NaCl           C (алмаз)    Cu     H₂O            I₂       CO₂

     E_кр, _{кДж/моль}…..774                 715       302      50             42        26

Определите, какие  из перечисленных веществ имеют: 1) молекулярную; 2) ионную; 3) атомную; металлическую кристаллическую решётку. Как влияет тип химической связи между частицами на энергию кристаллической решётки?

7. Определите тип кристаллической решётки следующих веществ: вода (в твёрдом состоянии), хлорид натрия, кислород (в твёрдом состоянии), алмаз, оксид углерода (IV) (в твёрдом состоянии), йод, твёрдый фторид водорода.

8. Алюминий, кремний и сера расположены рядом в одном периоде периодической таблицы, но их электропроводность очень сильно отличается. Алюминий – металл; кремний, имеющий гораздо меньшую электропроводность, называется полупроводником; электропроводность серы такая низкая, что серу называют изолятором. Объясните такие различия с точки зрения строения этих веществ и строения их атомов.

9. Карбид кремния имеет алмазоподобную структуру. Это – прозрачное бесцветное вещество (SiC). Можно ли это вещество использовать в технике в качестве абразивных материалов? Дайте обоснованный ответ.

10. Вам выдан образец белого твёрдого вещества. Опишите несколько простых опытов, с помощью которых можно предположить, какова его кристаллическая решётка, и каков тип химической связи.

в) контроль знаний по теме

1. Назовите типы кристаллических решёток.

2. Какие частицы находятся в узлах молекулярной, ионной, атомной и металлической кристаллических решёток?

3. Каков характер связи между частицами кристаллов в молекулярной, ионной, атомной и металлической кристаллических решётках?

4. Какова прочность связи между частицами кристаллов в молекулярной, ионной, атомной  и металлической кристаллических решётках?

5. Охарактеризуйте отличительные физические свойства веществ, которые имеют: а) молекулярную кристаллическую решётку; б) ионную кристаллическую решётку; в) атомную кристаллическую решётку; г) металлическую кристаллическую решётку.

6. Приведите примеры веществ, которые в твёрдом состоянии имеют молекулярную, ионную, атомную и металлическую кристаллические решётки.

7. Почему алмаз и графит резко различаются по: а) твёрдости; б) плотности; в) способности проводить электрический ток?

8. Как объясняют строение алмаза, графита, карбина с позиций модели гибридизации орбиталей атома углерода.

9. Кристаллы кремния имеют алмазоподобную структуру. Как можно объяснить этот экспериментальный факт?

10. Металлическая связь имеет черты сходства с ковалентной связью. А что общего у неё с ионной связью? Что различного?

г) тест по теме                                       

1. Атомную кристаллическую решётку имеет:

1) алмаз, хлорид натрия, графит

2) белый фосфор, вода, мел

3) оксид кремния (IV), мел, азот

4) алмаз, углекислый газ, фторид калия

7. Даны вещества: хлорид цезия, медь, алмаз, ромбическая сера, лёд, оксид натрия, йод, «сухой лёд» (твёрдый CO₂), графит, платина, гидрид калия. Среди них число веществ с атомной кристаллической решёткой равно:

1)  4            2)  3                               3)  2                               4) 1

8. Даны вещества: хлорид цезия, медь, алмаз, ромбическая сера, лёд, оксид натрия, йод, «сухой лёд» (твёрдый CO₂), графит, платина, гидрид калия. Среди них число веществ с молекулярной кристаллической решёткой равно:

1)  4            2)  3                               3)  2                               4) 1

9. Даны вещества: хлорид цезия, медь, алмаз, ромбическая сера, лёд, оксид натрия, йод, «сухой лёд» (твёрдый CO₂), графит, платина, гидрид калия. Среди них число веществ с ионной кристаллической решёткой равно:

1)  4            2)  3                               3)  2                              4) 1

10. Даны вещества: хлорид цезия, медь, алмаз, ромбическая сера, лёд, оксид натрия, йод, «сухой лёд» (твёрдый CO₂), графит, платина, гидрид калия. Среди них число веществ с металлической  кристаллической решёткой равно:

1) 4             2) 3                                3) 2                               4) 1

д) ответы к тесту

1. 4

2. 2

3. 4

4. 4

5. 3

6. 4

7. 3

8. 1

9. 2

10. 3

е) список литературы

1. Репетитор по химии/  под ред. А. С. Егорова. – Изд. 45-е – Ростов н/Д.: Феникс, 2015

2. Ахметов Н. С. Учеб. для 10-11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2011

3. Никитюк Т. В., Никитюк А. М., Остроумов И. Г. Химия. Тесты для повторения и подготовки. – Саратов: Лицей, 2006

4. Егоров А. С. Как сдать ЕГЭ по химии на 100 баллов. Изд. 2-е – Ростов н/Д.: Феникс, 2004

5. Гара Н. Н.. Зуева М. В. Контрольные и проверочные работы по химии. 10-11 кл.: Метод. Пособие. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2001

6. Габриелян О. С. Химия. 8 класс: Учеб. для общеобразоват. Учеб. заведений. – 6-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002

7. Ахметов Н. С. Лабораторные и семинарские занятия по общей и неорганической химии: Учеб. пособие/Н. С. Ахметов, М. К. Азизова, Л. И. Бадыгина. – 5-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2003

8. Артёмов А. В. Химия: Интенсивный курс подготовки к ЕГЭ. – М.: Айрис-пресс, 2005. – (Домашний репетитор: подготовка к ЕГЭ).

9. Катаева Л. Г., Толмачёва Т. К. Химия: Карточки-задания по неорганической химии: 8 кл.: Кн. Для учителя. – М.: Просвещение, 1998