Subiecte ale codificatorului USE: Substanțe cu structură moleculară și nemoleculară. Tip de rețea cristalină. Dependența proprietăților substanțelor de compoziția și structura lor.

Teoria cinetică moleculară

Toate moleculele sunt formate din particule minuscule numite atomi. Toți atomii descoperiți în prezent sunt colectați în tabelul periodic.

Atom este cea mai mică particulă indivizibilă din punct de vedere chimic a unei substanțe care o reține Proprietăți chimice. Atomii se conectează între ei legături chimice. Am luat în considerare anterior a. Asigurați-vă că studiați teoria pe tema: Tipuri de legături chimice, înainte de a studia acest articol!

Acum să ne uităm la modul în care particulele se pot combina în materie.

În funcție de locația particulelor unele față de altele, proprietățile substanțelor pe care le formează pot varia foarte mult. Deci, dacă particulele sunt situate unele față de altele departe(distanța dintre particule este mult mai mare decât dimensiunea particulelor în sine), practic nu interacționează între ele, se mișcă aleatoriu și continuu în spațiu, atunci avem de-a face cu gaz .

Dacă particulele sunt localizate închide unul altuia, dar haotic, Mai mult interacționează între ele, face intensiv mișcări oscilatoriiîntr-o poziție, dar poate sări într-o altă poziție, atunci acesta este un model al structurii lichide .

Dacă particulele sunt localizate închide unul la altul, dar mai mult ordonat, și interacționează mai multîntre ele, dar se deplasează doar într-o poziție de echilibru, practic fără a se deplasa în alta poziție, avem de-a face solid .

Cele mai cunoscute substanțe chimice și amestecuri pot exista în stare solidă, lichidă și gazoasă. Cel mai simplu exemplu este apă. În condiții normale, asta lichid, la 0 o C îngheață - trece din stare lichidă în solid, iar la 100 ° C fierbe - intră fază gazoasă- vapor de apă. În același timp, multe substanțe în condiții normale sunt gaze, lichide sau solide. De exemplu, aerul, un amestec de azot și oxigen, este un gaz în condiții normale. Dar la presiune ridicată și temperatură scăzută, azotul și oxigenul se condensează și trec în faza lichidă. Azotul lichid este utilizat activ în industrie. Uneori izolat plasmă, precum și cristale lichide, ca faze separate.

Multe proprietăți ale substanțelor și amestecurilor individuale sunt explicate prin aranjarea reciprocă a particulelor în spațiu una față de alta!

Acest articol ia în considerare proprietățile solidelor, în funcție de structura lor. Principal proprietăți fizice solide: punct de topire, conductivitate electrică, conductivitate termică, rezistență mecanică, plasticitate etc.

Temperatură de topire este temperatura la care o substanță trece din solid în lichid și invers.

este capacitatea unei substanțe de a se deforma fără a se rupe.

Conductivitate electrică este capacitatea unei substanțe de a conduce curentul.

Curentul este mișcarea ordonată a particulelor încărcate. Astfel, curentul poate fi condus doar de substanțele în care există mișcarea particulelor încărcate. În funcție de capacitatea de a conduce curentul, substanțele sunt împărțite în conductori și dielectrici. Conductorii sunt substanțe care pot conduce curentul (adică conțin particule mobile încărcate). Dielectricii sunt substanțe care practic nu conduc curentul.

Într-un solid, particulele unei substanțe pot fi localizate haotic, sau mai ordonat despre. Dacă particulele unui solid sunt situate în spațiu haotic, substanța se numește amorf. Exemple de substanțe amorfe - carbune, sticla mica.

Dacă particulele unui solid sunt aranjate în spațiu într-o manieră ordonată, i.e. formează structuri geometrice tridimensionale repetate, se numește o astfel de substanță cristal, și structura în sine rețea cristalină . Majoritatea substanțelor cunoscute de noi sunt cristale. Particulele în sine sunt localizate în noduri rețea cristalină.

Substanțele cristaline se disting, în special, prin tip legătură chimicăîntre particule într-un cristal - atomic, molecular, metalic, ionic; după forma geometrică a celei mai simple celule a rețelei cristaline - cubică, hexagonală etc.

Depinzând de tip de particule care formează o rețea cristalină , distinge structură cristalină atomică, moleculară, ionică și metalică .

Rețea cristalină atomică

O rețea cristalină atomică se formează atunci când există atomi. Atomii sunt legați între ei legături chimice covalente. În consecință, o astfel de rețea cristalină va fi foarte durabil, nu este ușor să-l distrugi. O rețea cristalină atomică poate fi formată din atomi cu o valență mare, adică cu un număr mare de legături cu atomi vecini (4 sau mai mulți). De regulă, acestea sunt nemetale: substanțe simple - siliciu, bor, carbon (modificări alotropice ale diamantului, grafitului) și compușii acestora (borocarbon, oxid de siliciu (IV) etc..). Deoarece între nemetale are loc o legătură chimică predominant covalentă, electroni liberi(precum și alte particule încărcate) în substanțe cu o rețea cristalină atomică în cele mai multe cazuri nu. Prin urmare, aceste substanțe sunt de obicei conduc electricitatea foarte slab, adică sunt dielectrici. Acestea sunt modele generale, dintre care există o serie de excepții.

Comunicarea între particule în cristale atomice: .

La nodurile cristalului cu structura cristalina atomica dispusa atomi.

Stare de fază cristale atomice în condiții normale: de regulă, solide.

Substanțe, care formează cristale atomice în stare solidă:

1. Substanțe simple valență ridicată (situat în mijlocul tabelului periodic): bor, carbon, siliciu etc.
2. Substanțe complexe formate din aceste nemetale: silice (oxid de siliciu, nisip de cuarț) SiO2; carbură de siliciu (corindon) SiC; carbură de bor, nitrură de bor etc.

Proprietățile fizice ale substanțelor cu o rețea cristalină atomică:

— putere;

- refractaritate (punct de topire ridicat);

- conductivitate electrică scăzută;

- conductivitate termică scăzută;

— inerție chimică (substanțe inactive);

- insolubilitate în solvenți.

Rețea cristalină moleculară este o rețea ale cărei noduri sunt molecule. ține moleculele în cristal forțe slabe de atracție intermoleculară (forțele van der Waals, legături de hidrogen sau atracție electrostatică). În consecință, o astfel de rețea cristalină, de regulă, destul de usor de distrus. Substanțe cu o rețea cristalină moleculară - fragil, fragil. Cu cât este mai mare forța de atracție între molecule, cu atât este mai mare punctul de topire al substanței. De regulă, punctele de topire ale substanțelor cu o rețea cristalină moleculară nu sunt mai mari de 200-300K. Prin urmare, în condiții normale, majoritatea substanțelor cu o rețea cristalină moleculară există sub formă gaze sau lichide. Rețeaua cristalină moleculară, de regulă, este formată în formă solidă din acizi, oxizi ai nemetalelor, alți compuși binari ai nemetalelor, substanțe simple care formează molecule stabile (oxigen O 2, azot N 2, apă H 2 O , etc.), substanțe organice. De regulă, acestea sunt substanțe cu o legătură polară covalentă (rar nepolară). pentru că electronii sunt implicați în legături chimice, substanțe cu o rețea cristalină moleculară - dielectrici, conductoare slabe de căldură.

Comunicarea între particule în cristale moleculare: m forțe de atracție intermoleculare, electrostatice sau intermoleculare.

La nodurile cristalului cu structura cristalina moleculara dispusa molecule.

Stare de fază cristale moleculare în condiții normale: gaze, lichide și solide.

Substanțe, formându-se în stare solidă cristale moleculare:

1. Substanțe simple nemetalice care formează molecule mici și puternice (O2, N2, H2, S8 şi alţii);
2. Substanțe complexe (compuși ai nemetalelor) cu legături polare covalente (cu excepția oxizilor de siliciu și bor, compuși de siliciu și carbon) - apă H 2 O, oxid de sulf SO 3 etc.
3. Gaze rare monoatomice (heliu, neon, argon, cripton si etc.);
4. Majoritate materie organică, în care nu există legături ionice — metan CH4, benzen C6H6 etc.

Proprietăți fizice substanțe cu o rețea cristalină moleculară:

- fuzibilitate (punct de topire scăzut):

— compresibilitate ridicată;

- cristalele moleculare în formă solidă, precum și în soluții și topituri, nu conduc curentul;

- stare de fază în condiții normale - gaze, lichide, solide;

— volatilitate ridicată;

- duritate scăzută.

Rețea cristalină ionică

Dacă există particule încărcate la nodurile cristalului - ionii, putem vorbi despre rețea cristalină ionică . De regulă, cu cristale ionice alternează ionii pozitivi(cationi) și ioni negativi(anioni), astfel încât particulele din cristal sunt reținute forțele de atracție electrostatică . În funcție de tipul de cristal și de tipul de ioni care formează cristalul, astfel de substanțe pot fi destul de puternic și dur. În stare solidă, nu există, de regulă, particule încărcate mobile în cristalele ionice. Dar când cristalul este dizolvat sau topit, ionii sunt eliberați și se pot deplasa sub acțiunea unui câmp electric extern. Acestea. conduce curentul numai solutii sau topituri cristale ionice. Rețeaua cristalină ionică este caracteristică substanțelor cu legătură chimică ionică. Exemple asemenea substanțe sare NaCl carbonat de calciu- CaCO 3 etc. Rețeaua cristalină ionică, de regulă, se formează în fază solidă săruri, baze, precum și oxizi metalici și compuși binari ai metalelor și nemetalelor.

Comunicarea între particule în cristale ionice: .

La nodurile cristalului cu o rețea ionică ionii.

Stare de fază cristale ionice în condiţii normale: de obicei solide.

Substanțe chimice cu o rețea cristalină ionică:

1. Săruri (organice și anorganice), inclusiv săruri de amoniu (de exemplu, Clorură de amoniu NH4CI);
2. motive;
3. oxizi metalici;
4. Compuși binari care conțin metale și nemetale.

Proprietățile fizice ale substanțelor cu structură cristalină ionică:

- punct de topire ridicat (refractar);

- solutii si topituri de cristale ionice - conductori de curent;

- majoritatea compușilor sunt solubili în solvenți polari (apă);

- stare în fază solidă în majoritatea compuşilor în condiţii normale.

Și, în sfârșit, metalele sunt caracterizate de un tip special de structură spațială - rețea cristalină metalică, care se datorează legătură chimică metalică . Atomii de metal rețin electronii de valență destul de slab. Într-un cristal format dintr-un metal, următoarele procese au loc simultan: unii atomi donează electroni și devin ioni încărcați pozitiv; aceste electronii se mișcă aleatoriu în cristal; unii dintre electroni sunt atrași de ioni. Aceste procese au loc simultan și aleatoriu. În acest fel, apar ioni , ca în formarea unei legături ionice, și se formează electroni comuni ca la formarea unei legături covalente. Electronii liberi se mișcă aleatoriu și continuu pe tot volumul cristalului, ca un gaz. Prin urmare, uneori sunt numite gaz de electroni ". Datorită prezenței unui număr mare de particule mobile încărcate, metale conduc electricitatea, căldura. Punctul de topire al metalelor variază foarte mult. Metalele sunt de asemenea caracterizate luciu metalic deosebit, maleabilitate, adică capacitatea de a-și schimba forma fără distrugere în condiții mecanice puternice, tk. legăturile chimice nu sunt rupte.

Comunicarea între particule : .

La nodurile cristalului cu gratar metalic ioni și atomi de metal.

Stare de fază metale în condiții normale: de obicei solide(excepție - mercur, lichid în condiții normale).

Substanțe chimice cu o rețea cristalină metalică - substanțe simple – metale.

Proprietățile fizice ale substanțelor cu o rețea cristalină metalică:

– conductivitate termică și electrică ridicată;

- maleabilitatea si plasticitatea;

- luciu metalic;

— metalele sunt în general insolubile în solvenți;

Majoritatea metalelor sunt solide în condiții normale.

Compararea proprietăților substanțelor cu diferite rețele cristaline

Tipul rețelei cristaline (sau absența unei rețele cristaline) face posibilă evaluarea proprietăților fizice de bază ale unei substanțe. Pentru o comparație aproximativă a proprietăților fizice tipice ale compușilor cu diferite rețele cristaline, este foarte convenabil să se utilizeze substanțe chimice Cu proprietăți caracteristice . Pentru o rețea moleculară, de exemplu, dioxid de carbon , pentru rețeaua cristalină atomică - diamant, pentru metal - cupru, iar pentru rețeaua cristalină ionică - sare, clorura de sodiu NaCl.

Tabel rezumativ privind structurile substanțelor simple formate elemente chimice din subgrupele principale ale tabelului periodic (elementele subgrupurilor secundare sunt metale, prin urmare, au o rețea cristalină metalică).

Tabelul final al relației dintre proprietățile substanțelor cu structura:

Unul dintre cele mai uimitoare elemente care poate forma o mare varietate de compuși de natură organică și anorganică este carbonul. Acest element este atât de neobișnuit în proprietățile sale, încât chiar și Mendeleev i-a prezis un viitor grozav, vorbind despre caracteristici care nu au fost încă dezvăluite.

Ulterior acest lucru a fost practic confirmat. A devenit cunoscut faptul că este principalul element biogen al planetei noastre, care face parte din absolut toate ființele vii. În plus, poate exista sub forme radical diferite în toate privințele, dar în același timp constau numai din atomi de carbon.

În general, această structură are multe caracteristici și vom încerca să ne ocupăm de ele pe parcursul articolului.

Carbon: formula și poziția în sistemul de elemente

În sistemul periodic, elementul carbon este situat în grupa IV (conform noului model în 14), subgrupa principală. A lui număr de serie 6 și greutatea atomică 12.011. Denumirea elementului cu semnul C indică numele său în latină - carboneum. Există mai multe forme diferite în care există carbon. Prin urmare, formula sa este diferită și depinde de modificarea specifică.

Cu toate acestea, există, desigur, o denumire specifică pentru scrierea ecuațiilor de reacție. În general, când se vorbește despre o substanță în formă pură, se adoptă formula moleculară a carbonului C, fără indexare.

Istoria descoperirii elementelor

Prin el însuși, acest element este cunoscut încă din antichitate. La urma urmei, unul dintre cele mai importante minerale din natură este cărbunele. Prin urmare, pentru grecii antici, romani și alte naționalități, el nu era un secret.

Pe lângă această varietate, s-au folosit și diamante și grafit. Au existat multe situații confuze cu acesta din urmă pentru o lungă perioadă de timp, deoarece adesea, fără analiză a compoziției, astfel de compuși au fost luați pentru grafit, cum ar fi:

• plumb argintiu;
• carbură de fier;
• sulfură de molibden.

Toate au fost vopsite în negru și, prin urmare, considerate a fi grafit. Mai târziu, această neînțelegere a fost clarificată și această formă de carbon a devenit ea însăși.

Din 1725, diamantele au devenit de mare importanță comercială, iar în 1970, tehnologia obținerii lor artificial a fost stăpânită. Din 1779, datorită lucrării lui Karl Scheele, au fost studiate proprietățile chimice pe care le prezintă carbonul. Acesta a fost începutul unei serii descoperiri majoreîn domeniul acestui element și a devenit baza pentru a afla toate caracteristicile sale unice.

Izotopii carbonului și distribuția în natură

În ciuda faptului că elementul luat în considerare este unul dintre cele mai importante biogene, conținutul său total în masă Scoarta terestra este de 0,15%. Acest lucru se datorează faptului că este supus unei circulații constante, ciclului natural din natură.

În general, există mai mulți compuși minerali care conțin carbon. Acestea sunt rase naturale precum:

• dolomite și calcare;
• antracit;
• șisturi petroliere;
• gaz natural;
• cărbune;
• ulei;
• cărbune brun;
• turbă;
• bitum.

În plus, nu ar trebui să uităm de ființele vii, care sunt doar un depozit de compuși de carbon. La urma urmei, au format proteine, grăsimi, carbohidrați, acizi nucleici, ceea ce înseamnă cele mai vitale molecule structurale. În general, în conversia greutății corporale uscate din 70 kg, 15 cade pe un element pur. Și așa este cu fiecare persoană, ca să nu mai vorbim de animale, plante și alte creaturi.

Dacă luăm în considerare și apa, adică hidrosfera în ansamblu și atmosfera, atunci există un amestec carbon-oxigen exprimat prin formula CO 2 . Dioxidul sau dioxidul de carbon este unul dintre principalele gaze care formează aerul. Este în această formă fractiune in masa carbonul este de 0,046%. În apele oceanelor se dizolvă și mai mult dioxid de carbon.

Masa atomică a carbonului ca element este 12,011. Se știe că această valoare se calculează ca medie aritmetică între greutățile atomice ale tuturor speciilor izotopice care există în natură, ținând cont de abundența acestora (în procente). Acesta este și cazul substanței în cauză. Există trei izotopi principali în care se găsește carbonul. Aceasta:

• 12 C - fracția sa de masă în marea majoritate este de 98,93%;
• 13C - 1,07%;
• 14 C - radioactiv, timp de înjumătățire 5700 ani, emițător beta stabil.

În practica determinării vârstei geocronologice a probelor, este utilizat pe scară largă izotopul radioactiv 14 C, care este un indicator datorită perioadei lungi de dezintegrare.

Modificări alotropice ale unui element

Carbonul este un element care există ca substanță simplă sub mai multe forme. Adică, este capabil să formeze cel mai mare număr de modificări alotrope cunoscute astăzi.

1. Variații cristaline – există sub formă de structuri puternice cu rețele regulate de tip atomic. Acest grup include soiuri precum:

• diamante;
• fulerene;
• grafiti;
• carabine;
• lonsdaleiți;
• și tuburi.

Toate diferă în structura rețelei cristaline, la nodurile căreia se află un atom de carbon. De aici și proprietățile complet unice, nu similare, atât fizice, cât și chimice.

2. Forme amorfe - sunt formate de un atom de carbon, care face parte din unii compuși naturali. Adică, acestea nu sunt soiuri pure, ci cu impurități ale altor elemente în cantități mici. Acest grup include:

• Cărbune activ;
• piatră și lemn;
• funingine;
• nanospumă de carbon;
• antracit;
• carbon sticlos;
• tip tehnic de substanță.

Ele sunt, de asemenea, unite de caracteristicile structurale ale rețelei cristaline, care explică și manifestă proprietăți.

3. Compuși ai carbonului sub formă de clustere. O astfel de structură, în care atomii sunt închiși într-o conformație specială gol din interior, umplut cu apă sau nucleele altor elemente. Exemple:

• nanoconuri de carbon;
• astralene;
• dicarbon.

Proprietățile fizice ale carbonului amorf

Datorită varietății mari de modificări alotropice, este dificil să se identifice proprietăți fizice comune pentru carbon. Este mai ușor să vorbim despre o anumită formă. De exemplu, carbonul amorf are următoarele caracteristici.

1. În centrul tuturor formelor se află soiurile cu granulație fină de grafit.
2. Capacitate termică mare.
3. Proprietăți conductoare bune.
4. Densitatea carbonului este de aproximativ 2 g/cm3.
5. Când este încălzit peste 1600 0 C, are loc o tranziție la forme de grafit.

Soiurile de funingine și piatră sunt utilizate pe scară largă în scopuri de inginerie. Ele nu sunt o manifestare a modificării carbonului în forma sa pură, dar îl conțin în cantități foarte mari.

Carbon cristalin

Există mai multe opțiuni în care carbonul este o substanță care formează cristale regulate alt fel unde atomii sunt legați în serie. Ca urmare, se formează următoarele modificări.

1. - cubic, în care sunt conectate patru tetraedre. Ca rezultat, toate legăturile chimice covalente ale fiecărui atom sunt maxim saturate și puternice. Astfel se explică proprietățile fizice: densitatea carbonului este de 3300 kg/m 3 . Duritate mare, capacitate termică scăzută, lipsă de conductivitate electrică - toate acestea sunt rezultatul structurii rețelei cristaline. Există diamante obținute tehnic. Ele se formează în timpul tranziției grafitului la următoarea modificare sub influența temperaturii ridicate și a unei anumite presiuni. În general, este la fel de mare ca puterea - aproximativ 3500 0 C.
2. Grafit. Atomii sunt aranjați similar cu structura substanței anterioare, cu toate acestea, doar trei legături sunt saturate, iar a patra devine mai lungă și mai puțin puternică, conectează „straturile” inelelor hexagonale ale rețelei. Ca rezultat, se dovedește că grafitul este o substanță neagră moale și grasă la atingere. Are o conductivitate electrică bună și un punct de topire ridicat - 3525 0 С. Este capabil de sublimare - sublimare din stare solidă în stare gazoasă, ocolind starea lichidă (la o temperatură de 3700 0 С). Densitatea carbonului este de 2,26 g/cm3, ceea ce este mult mai mică decât cea a diamantului. Aceasta explică proprietățile lor diferite. Datorită structurii stratificate a rețelei cristaline, este posibil să se utilizeze grafit pentru fabricarea plumburilor. creioane simple. Când sunt transportate peste hârtie, solzii se desprind și lasă un semn negru pe hârtie.
3. Fulerene. Au fost deschise abia în anii 80 ai secolului trecut. Sunt modificări în care carbonii sunt interconectați într-o structură închisă convexă specială, cu un gol în centru. Și forma unui cristal - un poliedru, organizarea corectă. Numărul de atomi este par. Cea mai cunoscută formă de fuleren C 60 . În timpul cercetării au fost găsite mostre dintr-o substanță similară:

• meteoriți;
• sedimente de fund;
• folgurite;
• shungite;
• spațiul cosmic, unde erau conținute sub formă de gaze.

Toate soiurile de carbon cristalin au un important valoare practică, deoarece au o serie de proprietăți utile în inginerie.

Activitate chimică

Carbonul molecular prezintă reactivitate scăzută datorită configurației sale stabile. Poate fi forțat să intre în reacții numai prin furnizarea de energie suplimentară atomului și forțând electronii de la nivelul exterior să se evapore. În acest moment, valența devine 4. Prin urmare, în compuși, are o stare de oxidare de + 2, + 4, - 4.

Aproape toate reacțiile cu substanțe simple, atât metale, cât și nemetale, au loc sub influența temperaturilor ridicate. Elementul în cauză poate fi atât un agent oxidant, cât și un agent reducător. Cu toate acestea, ultimele proprietăți sunt deosebit de pronunțate în el și pe aceasta se bazează utilizarea sa în industria metalurgică și în alte industrii.

În general, capacitatea de a intra într-o interacțiune chimică depinde de trei factori:

• dispersia carbonului;
• modificare alotropică;
• temperatura de reactie.

Astfel, în unele cazuri, apare interacțiunea cu următoarele substanțe:

• nemetale (hidrogen, oxigen);
• metale (aluminiu, fier, calciu și altele);
• oxizi metalici și sărurile lor.

Nu reacționează cu acizi și alcalii, foarte rar cu halogeni. Cea mai importantă dintre proprietățile carbonului este capacitatea de a forma lanțuri lungi între ele. Se pot închide într-un ciclu, formează ramuri. Așa se formează compușii organici, care astăzi se numără la milioane. Baza acestor compuși sunt două elemente - carbon, hidrogen. În compoziție pot fi incluși și alți atomi: oxigen, azot, sulf, halogeni, fosfor, metale și altele.

Compușii de bază și caracteristicile acestora

Există mulți compuși diferiți care conțin carbon. Formula celor mai faimoase dintre ele este CO 2 - dioxid de carbon. Cu toate acestea, pe lângă acest oxid, există și CO - monoxid sau monoxid de carbon, precum și suboxidul C 3 O 2.

Dintre sărurile care conțin acest element, cei mai des întâlniți sunt carbonații de calciu și magneziu. Deci, carbonatul de calciu are mai multe sinonime în nume, deoarece apare în natură sub formă de:

• cretă;
• marmură;
• calcar;
• dolomită.

Importanța carbonaților de metal alcalino-pământos se manifestă prin faptul că aceștia sunt participanți activi la procesele de formare a stalactitelor și stalagmitelor, precum și a apelor subterane.

Acidul carbonic este un alt compus care formează carbon. Formula sa este H2CO3. Cu toate acestea, în forma sa obișnuită, este extrem de instabilă și se descompune imediat în dioxid de carbon și apă în soluție. Prin urmare, doar sărurile sale sunt cunoscute, și nu ea însăși, ca soluție.

Halogenurile de carbon - se obțin în principal indirect, deoarece sinteza directă are loc doar la temperaturi foarte ridicate și cu un randament redus de produs. Una dintre cele mai comune - CCL 4 - tetraclorura de carbon. Un compus toxic care poate provoca otrăvire dacă este inhalat. Obținut prin reacții de substituție fotochimică radicală în metan.

Carburele metalice sunt compuși de carbon în care prezintă o stare de oxidare de 4. Sunt posibile și asociații cu borul și siliciul. Proprietatea principală a carburilor unor metale (aluminiu, wolfram, titan, niobiu, tantal, hafniu) este rezistența ridicată și o conductivitate electrică excelentă. Carbura de bor B 4 C este una dintre cele mai dure substanțe după diamant (9,5 conform lui Mohs). Acești compuși sunt utilizați în inginerie, precum și în industria chimică, ca surse pentru producerea de hidrocarburi (carbura de calciu cu apă duce la formarea de acetilenă și hidroxid de calciu).

Multe aliaje metalice sunt realizate folosind carbon, crescând astfel în mod semnificativ calitatea și specificații(oțelul este un aliaj de fier și carbon).

Numeroși compuși organici de carbon merită o atenție deosebită, în care carbonul este un element fundamental capabil să se combine cu aceiași atomi în lanțuri lungi de diferite structuri. Acestea includ:

• alcani;
• alchene;
• arene;
• proteine;
• carbohidrați;
• acizi nucleici;
• alcooli;
• acizi carboxilici și multe alte clase de substanțe.

Aplicarea carbonului

Importanța compușilor de carbon și a modificărilor sale alotropice în viața umană este foarte mare. Puteți numi câteva dintre cele mai globale industrii pentru a clarifica faptul că acest lucru este adevărat.

1. Acest element formează toate tipurile de combustibil organic din care o persoană primește energie.
2. Industria metalurgică folosește carbonul ca cel mai puternic agent reducător pentru a obține metale din compușii lor. Carbonații sunt, de asemenea, folosiți pe scară largă aici.
3. Construcțiile și industria chimică consumă o cantitate imensă de compuși de carbon pentru sinteza de noi substanțe și obținerea produselor necesare.

De asemenea, puteți numi astfel de sectoare ale economiei ca:

• industria nucleară;
• afaceri de bijuterii;
• echipamente tehnice (lubrifiante, creuzete termorezistente, creioane etc.);
• determinarea vârstei geologice a rocilor - trasor radioactiv 14 C;
• carbonul este un adsorbant excelent, ceea ce face posibilă utilizarea lui pentru fabricarea filtrelor.

Ciclu în natură

Masa de carbon găsită în natură este inclusă într-un ciclu constant, care se efectuează ciclic în fiecare secundă globul. Astfel, sursa atmosferică de carbon - CO 2 - este absorbită de plante și eliberată de toate ființele vii în procesul de respirație. Odată ajuns în atmosferă, este absorbit din nou, și astfel ciclul nu se oprește. În același timp, moartea reziduurilor organice duce la eliberarea carbonului și la acumularea acestuia în pământ, de unde este apoi din nou absorbit de organismele vii și eliberat în atmosferă sub formă de gaz.

Structura moleculară și nemoleculară a substanțelor. Structura materiei

Nu atomii sau moleculele individuali intră în interacțiuni chimice, ci substanțele. Substanțele se disting prin tipul de legătură molecularși structură nemoleculară. Substanțele formate din molecule se numesc substanțe moleculare. Legăturile dintre moleculele din astfel de substanțe sunt foarte slabe, mult mai slabe decât între atomii din interiorul unei molecule și deja la temperaturi relativ scăzute se rup - substanța se transformă într-un lichid și apoi într-un gaz (sublimare cu iod). Punctele de topire și de fierbere ale substanțelor formate din molecule cresc odată cu creșterea greutății moleculare. La substanțe moleculare includ substanțe cu structură atomică (C, Si, Li, Na, K, Cu, Fe, W), printre acestea se numără metale și nemetale. La substanțe structură nemoleculară includ compuși ionici. Majoritatea compușilor metalelor cu nemetale au această structură: toate sărurile (NaCl, K 2 SO 4), unele hidruri (LiH) și oxizi (CaO, MgO, FeO), baze (NaOH, KOH). Substanțe ionice (nemoleculare). au puncte de topire și de fierbere ridicate.

Solide: amorfe și cristaline

Solidele sunt împărțite în cristalin şi amorf.

Substante amorfe nu au un punct de topire clar - atunci când sunt încălzite, se înmoaie treptat și devin fluide. În stare amorfă, de exemplu, sunt plastilină și diverse rășini.

Substante cristaline sunt caracterizate prin aranjarea corectă a particulelor din care sunt compuse: atomi, molecule și ioni - în puncte strict definite din spațiu. Când aceste puncte sunt conectate prin linii drepte, se formează un cadru spațial, numit rețea cristalină. Punctele în care sunt localizate particulele de cristal se numesc noduri de rețea. În funcție de tipul de particule situate la nodurile rețelei cristaline și de natura conexiunii dintre acestea, se disting patru tipuri de rețele cristaline: ionice, atomice, moleculare și metalice.

Rețelele cristaline se numesc ionice, în locurile cărora există ioni. Ele sunt formate din substanțe cu legătură ionică, care pot fi asociate atât cu ionii simpli Na +, Cl -, cât și cu complexul SO 4 2-, OH -. În consecință, sărurile, unii oxizi și hidroxizi ai metalelor au rețele cristaline ionice. De exemplu, un cristal de clorură de sodiu este construit din ioni alternativi pozitivi Na + și negativi Cl -, formând o rețea în formă de cub. Legăturile dintre ionii dintr-un astfel de cristal sunt foarte stabile. Prin urmare, substanțele cu o rețea ionică se caracterizează prin duritate și rezistență relativ ridicate, sunt refractare și nevolatile.

Rețea cristalină - a) și rețea amorfă - b).

Rețea cristalină - a) și rețea amorfă - b).

Rețele cristaline atomice

nuclear numite rețele cristaline, în nodurile cărora se află atomi individuali. În astfel de rețele, atomii sunt legați între ei legături covalente foarte puternice. Un exemplu de substanțe cu acest tip de rețea cristalină este diamantul, una dintre modificările alotropice ale carbonului. Majoritatea substanțelor cu rețea cristalină atomică au puncte de topire foarte mari (de exemplu, în diamant este peste 3500 ° C), sunt puternice și dure, practic insolubile.

Rețele cristaline moleculare

Molecular numite rețele cristaline, la nodurile cărora se află moleculele. Legăturile chimice din aceste molecule pot fi atât polare (HCl, H2O) cât și nepolare (N2, O2). În ciuda faptului că atomii din molecule sunt legați prin legături covalente foarte puternice, între molecule acţionează forţe slabe de atracţie intermoleculară. Prin urmare, substanțele cu rețele de cristal moleculare au duritate scăzută, puncte de topire scăzute și sunt volatile. Majoritatea compușilor organici solizi au rețele moleculare cristaline (naftalină, glucoză, zahăr).

Rețea cristalină moleculară (dioxid de carbon)

Rețele cristaline metalice

Substante cu legatura metalica au rețele cristaline metalice. La nodurile unor astfel de zăbrele sunt atomi și ioni(fie atomi, apoi ioni, în care atomii de metal se transformă cu ușurință, dând electronii lor exteriori „la uz comun"). O astfel de structură internă a metalelor determină proprietățile fizice caracteristice ale acestora: maleabilitatea, plasticitatea, conductivitatea electrică și termică și un luciu metalic caracteristic.

fițuici

Majoritatea solidelor sunt cristaline. Celulă de cristal este construit din unități structurale identice repetate, individuale pentru fiecare cristal. Această unitate structurală se numește „celula elementară”. Cu alte cuvinte, rețeaua cristalină servește ca o reflectare a structurii spațiale a unui solid.

Rețelele cristaline pot fi clasificate în diferite moduri.

eu. După simetria cristalelor rețelele sunt clasificate în cubic, tetragonal, rombic, hexagonal.

Această clasificare este convenabilă pentru estimarea proprietăților optice ale cristalelor, precum și a activității lor catalitice.

II. După natura particulelor situate la nodurile de rețea și după tipul de legătură chimică distinge între ele rețele cristaline atomice, moleculare, ionice și metalice. Tipul de legătură dintr-un cristal determină diferența de duritate, solubilitatea în apă, mărimea căldurii de dizolvare și a căldurii de fuziune și conductivitatea electrică.

O caracteristică importantă a unui cristal este energia rețelei cristaline, kJ/mol – energia necesară pentru a distruge un anumit cristal.

rețea moleculară

cristale moleculare constau din molecule menținute în anumite poziții ale rețelei cristaline prin legături intermoleculare slabe (forțe van der Waals) sau legături de hidrogen. Aceste rețele sunt caracteristice substanțelor cu legături covalente.

Există o mulțime de substanțe cu o rețea moleculară. Acestea sunt un număr mare de compuși organici (zahăr, naftalină etc.), apă cristalină (gheață), dioxid de carbon solid („gheață uscată”), halogenuri de hidrogen solide, iod, gaze solide, inclusiv cele nobile,

Energia minimă a rețelei cristaline pentru substanțe cu molecule nepolare și cu polaritate scăzută (CH 4, CO 2 etc.).

Rețelele formate din mai multe molecule polare au, de asemenea, o energie mai mare a rețelei cristaline. Rețelele cu substanțe care formează legături de hidrogen (H 2 O, NH 3) au cea mai mare energie.

din cauza interacțiune slabăîntre molecule, aceste substanțe sunt volatile, fuzibile, au duritate scăzută, nu conduc curentul electric (dielectrici) și au conductivitate termică scăzută.

rețea atomică

în noduri rețea cristalină atomică există atomi ai unuia sau mai multor elemente legați prin legături covalente de-a lungul tuturor celor trei axe. Astfel de cristale, care se mai numesc covalent sunt relativ putine.

Exemple de cristale de acest tip sunt diamantul, siliciul, germaniul, staniul, precum și cristalele de substanțe complexe precum nitrura de bor, nitrura de aluminiu, cuarțul, carbura de siliciu. Toate aceste substanțe au o rețea asemănătoare unui diamant.

Energia rețelei cristaline din astfel de substanțe coincide practic cu energia legăturii chimice (200 - 500 kJ/mol). Acest lucru determină și proprietățile lor fizice: duritate ridicată, punctul de topire și punctul de fierbere.

Proprietățile conductoare electric ale acestor cristale sunt variate: diamantul, cuarțul, nitrura de bor sunt dielectrice; siliciu, germaniu - semiconductori; staniul gri metalic conduce bine electricitatea.

În cristalele cu o rețea cristalină atomică, este imposibil să se evidențieze o unitate structurală separată. Întregul singur cristal este o moleculă gigantică.

Rețea ionică

în noduri rețea ionică alternează ionii pozitivi și negativi, între care acționează forțele electrostatice. Cristalele ionice formează compuși cu o legătură ionică, de exemplu, clorură de sodiu NaCl, fluorură de potasiu și KF etc. compuși ionici ioni complecşi pot fi de asemenea incluşi, de exemplu, NO3-, SO42-.

Cristalele ionice sunt, de asemenea, o moleculă gigantică în care fiecare ion este puternic afectat de toți ceilalți ioni.

Energia rețelei cristaline ionice poate atinge valori semnificative. Deci, E (NaCl) \u003d 770 kJ / mol și E (BeO) \u003d 4530 kJ / mol.

Cristalele ionice au puncte de topire și de fierbere ridicate și rezistență ridicată, dar sunt fragile. Multe dintre ele sunt conductoare slabe de curent electric la temperatura camerei (cu aproximativ douăzeci de ordine de mărime mai mici decât cele ale metalelor), dar odată cu creșterea temperaturii, se observă o creștere a conductibilității electrice.

grătar metalic

cristale metalice dați exemple ale celor mai simple structuri cristaline.

Ionii metalici din rețeaua unui cristal metalic pot fi considerați aproximativ ca sfere. LA metale dure aceste bile sunt împachetate cu densitatea maximă, așa cum indică densitatea semnificativă a majorității metalelor (de la 0,97 g/cm3 pentru sodiu, 8,92 g/cm3 pentru cupru la 19,30 g/cm3 pentru wolfram și aur). Cel mai dens pachet de bile dintr-un strat este împachetarea hexagonală, în care fiecare bilă este înconjurată de alte șase bile (în același plan). Centrele oricăror trei bile adiacente formează un triunghi echilateral.

Asemenea proprietăți ale metalelor precum ductilitatea ridicată și ductilitatea indică absența rigidității în rețelele metalice: planurile lor se deplasează destul de ușor unul față de celălalt.

Electronii de valență participă la formarea legăturilor cu toți atomii, se mișcă liber în întregul volum al unei bucăți de metal. Acest lucru este indicat de valorile ridicate ale conductibilității electrice și ale conductibilității termice.

Conform energiei rețelei cristaline, metalele ocupă o poziție intermediară între cristalele moleculare și cele covalente. Energia rețelei cristaline este:

Astfel, proprietățile fizice ale solidelor depind în mod esențial de tipul de legătură chimică și de structura.

Structura și proprietățile solidelor

Caracteristici	cristale
metal	ionic	Molecular	Nuclear
Exemple	K, Al, Cr, Fe	NaCI, KNO3	I 2, naftalină	diamant, cuarț
Particule structurale	Ioni pozitivi și electroni mobili	Cationi și anioni	molecule	atomi
Tipul de legătură chimică	metal	ionic	În molecule - covalent; între molecule – forțele van der Waals și legăturile de hidrogen	Între atomi - covalent
temperatură de topire	Înalt	Înalt	scăzut	Foarte inalt
Punct de fierbere	Înalt	Înalt	scăzut	Foarte inalt
Proprietăți mecanice	Dur, maleabil, maleabil	tare, casant	Moale	Foarte greu
Conductivitate electrică	Buni conductori	În formă solidă - dielectrice; în topitură sau soluţie - conductoare	Dielectrice	Dielectrici (cu excepția grafitului)
Solubilitate
in apa	insolubil	Solubil	insolubil	insolubil
în solvenţi nepolari	insolubil	insolubil	Solubil	insolubil

(Toate definițiile, formulele, graficele și ecuațiile reacțiilor sunt date sub înregistrare.)

Majoritatea solidelor au cristalin structura care se caracterizeaza aranjament strict definit al particulelor. Dacă conectați particulele cu linii condiționate, obțineți un cadru spațial numit rețea cristalină. Punctele în care se află particulele de cristal se numesc noduri de rețea. Nodurile unei rețele imaginare pot conține atomi, ioni sau molecule.

În funcție de natura particulelor situate la noduri și de natura conexiunii dintre acestea, se disting patru tipuri de rețele cristaline: ionice, metalice, atomice și moleculare.

ionic numite rețele, la nodurile cărora se află ioni.

Sunt formate din substanțe cu legături ionice. La nodurile unei astfel de rețele sunt localizați ionii pozitivi și negativi, interconectați prin interacțiune electrostatică.

Rețelele cristaline ionice au săruri, alcalii, oxizi metalici activi. Ionii pot fi simpli sau complecși. De exemplu, în locurile rețelei cristaline de clorură de sodiu există ioni simpli de sodiu Na și clor Cl - , iar la locurile rețelei de sulfat de potasiu, ioni simpli de potasiu K și ioni de sulfat complex S O 4 2 - alternează.

Legăturile dintre ionii din astfel de cristale sunt puternice. Prin urmare, substanțele ionice sunt solide, refractare, nevolatile. Astfel de substanțe sunt bune se dizolvă în apă.

Rețeaua cristalină a clorurii de sodiu

Cristal de clorură de sodiu

metal numite rețele, care constau din ioni pozitivi și atomi de metal și electroni liberi.

Sunt formate din substanțe cu o legătură metalică. La nodurile rețelei metalice se află atomi și ioni (fie atomi, fie ioni, în care atomii se transformă ușor, dându-și electronii exteriori pentru uz comun).

Astfel de rețele cristaline sunt caracteristice substanțelor simple de metale și aliaje.

Punctele de topire ale metalelor pot fi diferite (de la \ (-37 \) ° С pentru mercur la două până la trei mii de grade). Dar toate metalele au o caracteristică luciu metalic, maleabilitate , ductilitate , conduc bine electricitateași cu căldură.

rețea cristalină metalică

Hardware

Se numesc rețele cristaline atomice, în nodurile cărora există atomi individuali legați prin legături covalente.

Acest tip de zăbrele are un diamant - una dintre modificările alotropice ale carbonului. Substanțele cu o rețea cristalină atomică includ grafit, siliciu, bor și germaniu, precum și substanțe complexe, de exemplu carborundum SiC și silice, cuarț, cristal de rocă, nisip, care includ oxid de siliciu (\ (IV \)) Si O 2.

Astfel de substanțe sunt caracterizate putere mare si duritate. Astfel, diamantul este cea mai dura substanță naturală. Substanțele cu o rețea cristalină atomică au o foarte puncte de topire ridicateși fierbe. De exemplu, punctul de topire al silicei este \(1728 \) ° C, în timp ce pentru grafit este mai mare - \ (4000 \) ° C. Cristalele atomice sunt practic insolubile.

Rețea cristalină de diamant

Diamant

Molecular numite rețele, la nodurile cărora se află molecule legate printr-o interacțiune intermoleculară slabă.

În ciuda faptului că în interiorul moleculelor atomii sunt legați prin legături covalente foarte puternice, forțe slabe de atracție intermoleculară acționează între molecule înseși. Prin urmare, cristalele moleculare au putina putere si duritate puncte de topire scăzuteși fierbe. Multe substanțe moleculare sunt lichide și gaze la temperatura camerei. Astfel de substanțe sunt volatile. De exemplu, iodul cristalin și monoxidul de carbon solid (\ (IV \)) ("gheață carbonică") se evaporă fără a se transforma într-o stare lichidă. Unele substanțe moleculare sunt miros .

Substanțele simple în stare solidă de agregare au acest tip de rețea: gaze nobile cu molecule monoatomice (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn ), precum și nemetale cu două și molecule poliatomice (H2, O2, N2, CI2, I2, O3, P4, S8).

Reţeaua cristalină moleculară are de asemenea substanțe cu legături polare covalente: apă - gheață, amoniac solid, acizi, oxizi nemetalici. Majoritate compusi organici sunt si cristale moleculare (naftalina, zahar, glucoza).