Кристалічні ґратки і властивості речовин

Усі тверді речовини поділяють на кристалічні та аморфні залежно від того, чи є в них дальній порядок розташування частинок. Цей поділ визначає, як речовина плавиться, якою твердою є та чи проводить електричний струм.

Кристалічний стан

Кристалічна речовина має періодичний дальній порядок — атоми, молекули або йони розташовані в просторі через певні проміжки, утворюючи тривимірну ґратку. Цей порядок повторюється на відстанях, які в тисячі разів перевищують розміри самих частинок. Саме тому чиста кристалічна речовина за сталого тиску плавиться за чітко визначеної температури (температури плавлення), якщо вона не розкладається або не сублімує раніше. Наприклад, лід тане за $0{}^{\circ }\text{C}$, а кухонна сіль NaCl — за $801{}^{\circ }\text{C}$.

Вузли кристалічних ґраток можуть бути зайняті:

• атомами (алмаз, графіт, кремній);

• молекулами (лід, сухий лід CO₂, йод I₂);

• йонами (NaCl, MgO, KOH).

Важливо не лише знати, які частинки стоять у вузлах, а й розуміти, які взаємодії діють між ними. Саме тип хімічного зв'язку та міжмолекулярних сил визначає властивості речовини.

Аморфний стан

Аморфні тіла не мають далекого періодичного порядку. Їхні частинки розташовані хаотично, як у рідині, але втратили здатність текти. Типові приклади — звичайне скло, каніфоль, бурштин, епоксидна смола. Замість чіткої температури плавлення аморфні речовини поступово розм'якшуються в інтервалі температур — спочатку стають пластичними, потім в'язкими й нарешті текучими.

Окрема увага — полімерні матеріали. Багато пластмас (поліетилен, поліпропілен) є частково кристалічними: у них є ділянки з упорядкованими ланцюгами (кристаліти) й аморфні проміжки. Тому не можна стверджувати, що всі пластмаси повністю аморфні. Деякі полімери, як-от полістирен, справді аморфні, але це не загальне правило.

Атомні (ковалентні) ґратки

В атомних ґратках вузли займають атоми, сполучені між собою ковалентними зв'язками, які простягаються через усю структуру. Таку ґратку часто називають просторовою сіткою. Типові представники: алмаз (C), графіт (C), кристалічний кремній (Si), кварц (SiO₂), силіцій карбід (SiC).

Оскільки ковалентні зв'язки дуже міцні й охоплюють увесь кристал, для руйнування ґратки потрібна велика енергія. Тому речовини з атомними ґратками зазвичай мають високі температури плавлення, нелеткі, тверді. Однак не всі атомні кристали однакові:

Графіт — важливий виняток до спрощеного правила «атомні ґратки завжди тверді й непровідні». У графіті атоми Карбону утворюють міцні гексагональні шари (sp²-гібридизація), а між шарами діють слабкі вандерваальсові сили. Саме тому графіт м'який (шари легко зсуваються) і проводить струм (електрони π-зв'язків делокалізовані в межах шару).

Молекулярні ґратки

У вузлах молекулярних ґраток розташовані окремі молекули. Усередині молекули діють міцні ковалентні зв'язки, а між молекулами — слабкі міжмолекулярні сили (вандерваальсові, диполь-дипольні, водневі зв'язки). Саме ці слабкі сили визначають фізичні властивості.

Типові молекулярні кристали:

• йод I₂ — темно-фіолетові кристали, легко сублімують;

• сухий лід CO₂ — за атмосферного тиску сублімує за $-78{}^{\circ }\text{C}$;

• лід H₂O — тане за $0{}^{\circ }\text{C}$ завдяки водневим зв'язкам;

• нафтален C₁₀H₈ — білі кристали з різким запахом, сублімує.

Міжмолекулярні сили значно слабші за ковалентні зв'язки, тому молекулярні речовини мають низькі температури плавлення та кипіння, часто леткі. Багато з них за кімнатної температури — гази або рідини, а твердими стають лише за низьких температур.

Важливо: тип внутрішнього зв'язку в молекулі не визначає тип ґратки. Наприклад, у I₂ зв'язок ковалентний неполярний, але ґратка — молекулярна, бо у вузлах стоять молекули I₂, а не окремі атоми.

Йонні ґратки

У вузлах йонних ґраток розташовані катіони та аніони, утримувані електростатичним притяганням. Типові представники: NaCl, MgO, KOH, CaF₂, NH₄Cl. Йонні кристали мають такі властивості:

• крихкість — під навантаженням шари йонів зсуваються, однойменні заряди опиняються поруч і відштовхуються, кристал розколюється;

• високі температури плавлення (NaCl — $801{}^{\circ }\text{C}$, MgO — $2852{}^{\circ }\text{C}$) через сильну електростатичну взаємодію;

• розчинність у воді — різна, не всі солі розчинні (BaSO₄ і AgCl практично нерозчинні, CaSO₄ — малорозчинний).

Електропровідність йонних сполук

Ключове правило: струм проводять рухливі заряджені частинки. У твердому NaCl йони зафіксовані у вузлах ґратки й не можуть переміщуватися — тому тверда сіль не проводить електричний струм. У розплавленому NaCl йони набувають рухливості й переносять заряд — розплав проводить струм. Те саме відбувається у водному розчині: NaCl дисоціює на йони Na⁺ та Cl⁻, які стають рухливими.

Важливе застереження: сама суспензія нерозчинної солі у воді не рівнозначна провідному розчину. Якщо сіль практично нерозчинна (наприклад, BaSO₄), у розчин переходить мізерна кількість йонів, тому така суспензія практично не проводить струм.

Металічні ґратки

Металічні ґратки складаються з позитивних йонних остовів (ядра з внутрішніми електронами), занурених у «електронний газ» — делокалізовані валентні електрони. Цей металічний зв'язок не є спрямованим, тому метали пластичні — їх можна кувати, витягувати в дріт.

Характерні властивості металів:

• висока електропровідність — делокалізовані електрони вільно рухаються під дією напруги;

• теплопровідність — електрони переносять енергію;

• металічний блиск — електрони відбивають світло;

• пластичність — шари йонних остовів можуть зсуватися без руйнування зв'язку.

Твердість і температури плавлення металів дуже різняться: натрій (Na) плавиться за $98{}^{\circ }\text{C}$ і легко ріжеться ножем, а вольфрам (W) — за $3422{}^{\circ }\text{C}$ і надзвичайно твердий. Це залежить від кількості електронів, що беруть участь у металічному зв'язку, та заряду йонних остовів.

На НМТ можуть трапитися завдання, де за моделлю, описом властивостей або формулою потрібно визначити тип кристалічних ґраток (у демоваріанті 2026 року — завдання № 3). Головне — не робити поспішних висновків лише з хімічної формули.

Пастка CO₂ і SiO₂

Обидві речовини мають формулу типу RO₂, але їхня будова кардинально різна:

CO₂ за кімнатної температури — газ, а твердий CO₂ (сухий лід) сублімує за $-78{}^{\circ }\text{C}$. Натомість SiO₂ — тверда тугоплавка речовина (плавиться за $1710{}^{\circ }\text{C}$). Подібність індексів у формулі не означає однакової будови!

Алгоритм визначення типу ґраток

1. З'ясуй, які частинки перебувають у вузлах: атоми, молекули чи йони.

2. Визнач, які взаємодії діють між цими частинками (ковалентні зв'язки, міжмолекулярні сили, електростатичне притягання, металічний зв'язок).

3. Зістав леткість, температуру плавлення та електропровідність у різних агрегатних станах.

4. Перевір, чи немає винятків (наприклад, графіт: атомні ґратки, але м'який і проводить струм).

Одна ознака не завжди достатня. Наприклад, і графіт, і мідь проводять струм, але графіт має атомні шаруваті ґратки, а мідь — металічні. Тому потрібно враховувати сукупність властивостей.

Не переноси тип внутрішнього зв'язку на ґратку

Поширена помилка — вважати, що тип хімічного зв'язку в молекулі збігається з типом ґратки. Розгляньмо два приклади:

• Йод I₂: у молекулі I₂ — ковалентний неполярний зв'язок, але ґратка молекулярна, бо у вузлах стоять молекули I₂, а не атоми.

• Амоній хлорид NH₄Cl: у йоні NH₄⁺ є ковалентні зв'язки N–H, але кристал складається з йонів NH₄⁺ та Cl⁻, тому ґратка йонна.

Запам'ятай: тип ґратки визначається тим, які частинки стоять у вузлах, а не тим, який зв'язок усередині цих частинок.

Приклад 1. Логічні пари: речовина — тип ґратки

Установіть відповідність між речовиною та типом її кристалічних ґраток.

1 кварц SiO₂ 2 твердий вуглекислий газ CO₂ 3 магній оксид MgO

А молекулярна Б атомна В йонна Г металічна Д аморфний стан без кристалічної ґратки

Розв'язання:

• SiO₂ (кварц) — атоми Si та O сполучені ковалентними зв'язками в просторову сітку. Це атомна ґратка. Ключ: 1 → Б.

• Твердий CO₂ (сухий лід) — у вузлах молекули CO₂, між якими діють слабкі міжмолекулярні сили. Це молекулярна ґратка. Ключ: 2 → А.

• MgO — складається з йонів Mg²⁺ та O²⁻, утримуваних електростатичним притяганням. Це йонна ґратка. Ключ: 3 → В.

Відповідь: 1Б, 2А, 3В. Дві зайві букви: Г (металічна) і Д (аморфний стан).

Приклад 2. Вибір однієї відповіді: провідність у різних станах

Зразок речовини не проводить електричний струм у твердому стані, але проводить у розплаві. Яка це речовина?

А мідь Cu Б графіт C В нафтален C₁₀H₈ Г натрій хлорид NaCl

Розв'язання: Твердий NaCl має йонні ґратки, де йони зафіксовані — струм не проводить. У розплаві йони Na⁺ та Cl⁻ стають рухливими — струм проводить. Cu та графіт проводять струм і в твердому стані. Нафтален — молекулярний кристал, не проводить струм ні в твердому, ні в рідкому стані (нейтральні молекули).

Відповідь: Г (NaCl).

Приклад 3. Вибір однієї відповіді: характеристика графіту

Яке твердження правильно описує графіт?

А має молекулярні ґратки, легкоплавкий Б має йонну будову, крихкий В атомна шарувата будова, м'який, проводить струм Г за всіма властивостями тотожний алмазу

Розв'язання: Графіт має атомні шаруваті ґратки. Шари ковзають один відносно одного — тому м'який. У межах шарів є делокалізовані електрони, які забезпечують провідність уздовж шарів. Варіант А хибний — ґратки атомні, не молекулярні. Варіант Б хибний — немає йонів. Варіант Г хибний — алмаз твердий і не проводить струм.

Відповідь: В.

Приклад 4. Вибір однієї відповіді: ознака аморфного скла

Яка ознака свідчить, що звичайне скло належить до аморфних речовин?

А має чітку температуру плавлення Б містить вільні йони, як розплав NaCl В відсутність далекого періодичного порядку, поступове розм'якшення Г складається лише з молекул

Розв'язання: Аморфні тіла не мають далекого порядку, тому не мають чіткої температури плавлення — вони поступово розм'якшуються. Варіант А — ознака кристала. Варіант Б — скло не містить вільних йонів. Варіант Г — скло не обов'язково молекулярне, воно може мати атомну сітку (силікатну).

Відповідь: В.

• Вважати SiO₂ молекулярним через аналогію з CO₂. Обидві речовини мають формулу RO₂, але CO₂ — окремі молекули (молекулярна ґратка), а SiO₂ — просторова атомна сітка. Кварц плавиться за $1710{}^{\circ }\text{C}$, а сухий лід сублімує за $-78{}^{\circ }\text{C}$.

• Приписувати всім атомним кристалам твердість алмазу. Алмаз — найтвердіша речовина, але графіт (теж атомні ґратки) м'який через шарувату будову. Не всі атомні кристали однаково тверді.

• Вважати всі солі розчинними та провідними в твердому стані. Багато солей (BaSO₄, AgCl) нерозчинні у воді. У твердому стані йони зафіксовані, тому жодна сіль не проводить струм — провідність з'являється лише в розплаві або розчині.

• Плутати ковалентний зв'язок у I₂ із типом його ґратки. У молекулі I₂ зв'язок ковалентний неполярний, але ґратка молекулярна, бо у вузлах стоять молекули I₂, а не атоми.

• Називати всі полімерні матеріали повністю аморфними. Поліетилен і поліпропілен мають кристалічні ділянки (кристаліти). Лише деякі полімери (полістирен) справді аморфні.

Тема «Кристалічні ґратки» входить до теми 1.5 програми НМТ з хімії («Хімічний зв'язок»). У демонстраційному варіанті 2026 року завдання № 3 пропонує за моделлю кристалічних ґраток визначити речовину. Тема охоплює також аморфний стан і прогноз фізичних властивостей за будовою.

Стратегія виконання

1. Визнач, які частинки у вузлах ґратки (атоми, молекули, йони).

2. Встанови тип взаємодії між ними (ковалентні зв'язки, міжмолекулярні сили, електростатичне притягання, металічний зв'язок).

3. Перевір властивості (твердість, температуру плавлення, електропровідність) і зістав з типом ґратки.

4. Пам'ятай про винятки: графіт (атомні шаруваті ґратки, м'який, проводить струм).

5. Враховуй агрегатний стан речовини в умові — твердий, рідкий чи газоподібний.

Формат завдань

У завданнях на логічні пари (типу «установіть відповідність») три елементи лівої колонки потрібно зіставити з п'ятьма варіантами правої. Дві букви залишаються зайвими. Кожна правильна пара приносить 1 бал.

• Кристалічна речовина має дальній періодичний порядок частинок; аморфна — не має.

• Атомні ґратки (алмаз, графіт, Si, SiO₂) — ковалентні зв'язки простягаються через структуру; зазвичай тверді й тугоплавкі, але графіт — виняток (м'який, проводить струм).

• Молекулярні ґратки (I₂, CO₂, H₂O, нафтален) — окремі молекули, слабкі міжмолекулярні сили; низькі температури плавлення, часто леткі.

• Йонні ґратки (NaCl, MgO, KOH) — катіони й аніони; крихкі, тугоплавкі; струм проводять лише в розплаві або розчині.

• Металічні ґратки — йонні остови + делокалізовані електрони; проводять струм, пластичні, мають блиск.

• Електропровідність потребує рухливих заряджених частинок: у твердому йонному кристалі йони зафіксовані, у розплаві й розчині — рухливі.

• Не плутай тип внутрішнього зв'язку з типом ґратки: I₂ (ковалентний зв'язок у молекулі) має молекулярні ґратки; NH₄Cl (ковалентні N–H) має йонні ґратки.

• Подібні формули (CO₂ і SiO₂) не гарантують однакової будови — аналізуй властивості.