§ 39. Кристалічні речовини

• До змісту відповідей

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Чим можуть різнитися тверді речовини за будовою?

Тверді речовини різняться за ступенем упорядкованості частинок. Кристалічні речовини мають чітку внутрішню структуру з правильним, періодичним розміщенням атомів, молекул або йонів у просторі. В аморфних речовинах частинки розташовані хаотично, без далекого порядку.

Як моделюють будову кристалів?

Будову кристалів моделюють за допомогою кристалічних ґраток. Їх зазвичай представляють у вигляді:

1. Кулестержневих моделей, де кульки імітують частинки (атоми, йони), а стержні — хімічні зв’язки. Це дозволяє краще бачити внутрішню структуру.
2. Масштабних моделей, де кульки різних радіусів щільно прилягають одна до одної, що демонструє реальне заповнення простору в кристалі.

Скільки атомів найближче розташовані до кожного атома в алмазі та графіті?

В алмазі кожен атом Карбону оточений 4 сусідніми атомами, які розміщені у вершинах тетраедра. У графіті кожен атом Карбону має 3 найближчі сусідні атоми в межах одного плоского шару.

Який ковалентний зв’язок — простий чи подвійний — імітує кожний стержень у кулестержневій моделі кварцу?

Кожний стержень у кулестержневій моделі кварцу ($SiO_2$) імітує простий (одинарний) ковалентний зв’язок між атомами Силіцію та Оксигену.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про кристалічний та аморфний стани твердих речовин і моделі кристалів (кристалічні ґратки) речовин атомної, молекулярної та йонної будови.

Основна відмінність між станами твердої речовини полягає у наявності впорядкованої структури. Кристалічні речовини мають правильну геометричну форму та чітку температуру плавлення завдяки наявності кристалічних ґраток. Аморфні речовини (наприклад, скло, смола) не мають упорядкованої структури та чіткої температури плавлення — вони поступово розм’якшуються.

Типи кристалічних ґраток визначають властивості речовин:

• Атомні ґратки: дуже тверді, тугоплавкі, нелеткі (наприклад, алмаз $C$, кварц $SiO_2$) через міцні ковалентні зв’язки.
• Молекулярні ґратки: легкоплавкі, леткі, мають низьку твердість (наприклад, йод $I_2$, «сухий лід» $CO_2$) через слабку міжмолекулярну взаємодію.
• Йонні ґратки: тверді, крихкі, тугоплавкі, у розплавах проводять струм (наприклад, $NaCl$) через сильне електростатичне притягання між катіонами та аніонами.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

Запитання: «Чому при подрібненні кристала кухонної солі ($NaCl$) ми отримуємо дрібні кристалики правильної форми, а при розбиванні скла — безформні уламки з гострими краями?»

Відповідь: Кухонна сіль є кристалічною речовиною з йонною ґраткою. Її внутрішня впорядкована структура зберігається навіть у маленьких частинках, тому уламки мають правильну форму (спайність). Скло — це аморфна речовина, яка не має внутрішнього порядку (кристалічних ґраток), тому при розбиванні утворюються хаотичні, несиметричні уламки.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

407. Охарактеризуйте будову кристала.

Кристал — це тверде тіло, що має природну форму багатогранника. Внутрішня будова кристала характеризується суворим, періодично повторюваним розміщенням частинок (атомів, молекул, йонів) у просторі. Це розміщення описують за допомогою моделі кристалічних ґраток, де у вузлах знаходяться відповідні частинки.

408. Кристалічним чи аморфним є дрібно розмелений цукор (цукрова пудра); скляний пил, який утворюється під час шліфування скляного виробу?

Цукрова пудра є кристалічною речовиною, оскільки механічне подрібнення не змінює внутрішню впорядковану структуру цукру (сахарози). Скляний пил є аморфною речовиною, тому що скло за своєю природою не має кристалічної будови, і його дрібні частинки зберігають хаотичну структуру.

409. Чим різняться кулестержнева і масштабна моделі будови кристала?

У кулестержневій моделі частинки зображують кульками невеликого розміру, розташованими на відстані одна від одної та з’єднаними стержнями (зв’язками). Це дозволяє наочно побачити геометрію ґратки та кути зв’язків.
У масштабній моделі кульки мають розміри, пропорційні радіусам атомів чи йонів, і щільно торкаються одна одної. Ця модель краще демонструє реальне заповнення простору в кристалі.

ПОМІРКУЙМО

410. За зображенням кристалічних ґраток натрій хлориду визначте: а) скільки йонів $Cl^-$ оточує кожний йон $Na^+$ у кристалі солі; б) скільки йонів $Na^+$ оточує кожний йон $Cl^-$.

а) Кожний катіон натрію $Na^+$ у кристалічній ґратці оточений 6 аніонами хлору $Cl^-$.
б) Кожний аніон хлору $Cl^-$ оточений 6 катіонами натрію $Na^+$.
Координаційне число для обох йонів у ґратці кам’яної солі дорівнює 6.

ПОМІРКУЙМО

411. Напишіть формули йонів, які містяться у вузлах кристалічних ґраток мінералів флюориту $CaF_2$ і корунду $Al_2O_3$.

• У вузлах кристалічних ґраток флюориту ($CaF_2$) містяться катіони кальцію $Ca^{2+}$ та аніони флуору $F^-$.
• У вузлах кристалічних ґраток корунду ($Al_2O_3$) містяться катіони алюмінію $Al^{3+}$ та аніони оксигену $O^{2-}$.

АНАЛІЗУЙМО

412. У старому посібнику з хімії є такий підпис до малюнка: «Модель кристалічної ґратки вуглекислого газу». У чому некоректність цього підпису?

Назва «вуглекислий газ» вказує на газоподібний агрегатний стан речовини, для якого поняття кристалічної ґратки є неприйнятним, оскільки ґратки існують лише у твердому стані. Правильний підпис мав би бути: «Модель кристалічної ґратки твердого карбон(IV) оксиду» (або «сухого льоду»).

ДІЗНАВАЙМОСЯ

413. Функціонування різноманітних дисплеїв, моніторів, електронних індикаторів забезпечують речовини, які називають рідкими кристалами. Відшукайте в інтернеті відомості про ці речовини і з’ясуйте, чому вони отримали таку назву.

Рідкі кристали — це речовини, які перебувають у фазовому стані, проміжному між твердим кристалічним і рідким (ізотропним). Вони отримали таку назву, тому що поєднують властивості рідини (текучість, здатність утворювати краплі) та кристалів (анізотропія, впорядкована орієнтація молекул). Під дією електричного поля орієнтація молекул змінюється, що впливає на проходження світла — саме ця властивість використовується в LCD-екранах.

ШАНС ДЛЯ ТВОРЧОСТІ

414. Візьміть участь у віртуальній екскурсії до мінералогічного музею. Підготуйте стислий відгук про екскурсію зі своїми враженнями.

Приклад відгуку: Відвідування віртуального мінералогічного музею дало змогу побачити різноманіття кристалічних форм у природі. Особливо вразили друзи гірського кришталю ($SiO_2$) своєю прозорістю та ідеальною шестигранною формою, а також кубічні кристали піриту ($FeS_2$) з характерним металічним блиском. Екскурсія наочно демонструє, як внутрішня будова речовини (тип кристалічної ґратки) визначає зовнішню форму та красу мінералів.

СТВОРЮЙМО ПРОЄКТ

415. Підготуйте за матеріалами з інтернету повідомлення на тему «Шкала твердості мінералів (історія створення, використання)».

Шкала твердості мінералів, відома як шкала Мооса, була запропонована німецьким мінералогом Фрідріхом Моосом у 1812 році. Це відносна шкала, що складається з 10 еталонних мінералів, розташованих у порядку зростання твердості:

1. Тальк ($Mg_3Si_4O_{10}(OH)_2$) — найм’якший.
2. Гіпс ($CaSO_4 \cdot 2H_2O$).
   …
3. Корунд ($Al_2O_3$).
4. Алмаз ($C$) — найтвердіший.

Метод визначення твердості полягає у дряпанні одного мінералу іншим: якщо зразок дряпає еталон, він твердіший за нього. Шкалу широко використовують у мінералогії, геології та ювелірній справі для швидкої ідентифікації каменів.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

416. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

Ключові терміни параграфа: кристалічні речовини, аморфні речовини, кристал, кристалічні ґратки, вузли ґраток, кулестержнева модель, масштабна модель, атомна будова, молекулярна будова, йонна будова.

417. Складіть двомовний словничок із ключових слів і словосполучень, виписаних вами з параграфів 31—39.

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

418. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.

Приклад таблиці самооцінювання:

419. Скориставшись набутими знаннями, розв’яжіть кросворд.

(Завдання передбачає роботу з інтерактивним ресурсом. Для розв’язання використовуйте терміни: йон, атом, молекула, кристал, аморфний, графіт, алмаз тощо).

420. Виконайте завдання за матеріалом параграфів 35—39.

(Завдання передбачає проходження тестування. Рекомендовано повторити типи хімічного зв’язку, види кристалічних ґраток та залежність властивостей речовин від їхньої будови).