Атомы и молекулы

Любые тела и предметы состоят из молекул — мелких частиц, на которые можно раздробить вещество физическими методами (например, растворением). Из этого вытекает определение молекулы: это самая мелкая частица вещества, сохраняющая его химические свойства.

Атомы — это мельчайшие частицы, сохраняющие свойства химического элемента, из них составляются молекулы. Атомы выделяются из молекул химическими методами.

Химические вещества могут быть газообразными, жидкими и твердыми. Частицы твердых веществ расположены ближе, а газов — дальше друг от друга, и они находятся в постоянном движении. Чем выше температура тела, тем быстрее движение молекул и атомов в нем, называемое броуновским, и тем больше расстояние между частицами. Внутри этого «бульона» постоянно действуют силы взаимного притяжения и отталкивания частиц, которые выражены тем сильнее, чем меньше разделяющее их расстояние.

Виды веществ

Вещества определяются как молекулярные и немолекулярные, в зависимости от того, из каких частиц они состоят. Разные типы частиц создают разные виды взаимосвязей, и это определяет физические и химические свойства соединений.

Имеющие молекулярное строение

Здесь связи между отдельными молекулами относительно слабые, поэтому легко разрываются при нагреве, причем тем легче, чем меньше молекулярная масса. Поэтому такие вещества плавятся при низких температурах и в нормальных условиях многие из них находятся в жидком или газообразном состоянии.

Это могут быть простые вещества: сера (S8), азот (N2), кислород (O2) и сложные, например, оксиды азота с разной валентностью (N2O, NO, N2O5, NO3), углекислый газ (CO2), серная кислота (H2SO4).

Самый известный пример такого рода — вода. Человеческое тело содержит около 65% воды. Даже шкала Цельсия привязана к ее плавлению (0°С) и кипению (100°С). В нормальных условиях это жидкость, но в природе встречается во всех трех агрегатных состояниях в виде снега или льда, воды и пара.

Электрическая полярность молекулы задает воде интересные особенности. Например, ее удельная теплоемкость настолько велика, что это делает ее одним из главных регуляторов климата Земли. Интересно, что наибольшей плотности она достигает не в виде льда, а в жидком состоянии, при 4 °C. Поэтому возле дна скапливается самая тяжелая вода, не достигающая замерзания, а более легкий твердый лед выталкивается наверх.

Еще один пример — йод. В нормальных условиях он имеет форму кристаллов, а при нагревании сразу переходит в газообразное состояние, что называется возгонкой.

Строящиеся из немолекулярных частиц

Целые классы соединений состоят не из молекул, а из атомов или ионов. Поскольку электрические связи разнозаряженных ионов или ковалентные атомные связи крепче, чем межмолекулярные, они разрушаются при нагреве гораздо труднее. Поэтому такие вещества, как правило, имеют твердую форму и высокие температуры плавления и кипения. Их определяют как вещества немолекулярного строения.

Примеры:

• Атомные вещества.
• Металлы: натрий (Na), железо (Fe), медь (Cu).
• Неметаллы: бор (B), кремний (Si), углерод © в аллотропных формах графита и алмаза.
• Ионные.
• Соли: поваренная соль (NaCl), сульфат натрия (Na2SO4).
• Гидриды: лития (LiH).
• Оксиды: кальция (CaO), магния (MgO).
• Основания: натрия (NaOH), калия (KOH).

Таблица молекулярного и немолекулярного строения вещества:

Аморфные и кристаллические вещества

Твердые вещества могут быть аморфными или кристаллическими.

Кристаллические отличаются тем, что их структурные единицы располагаются в повторяющемся порядке, образуя кристаллические решетки.

Аморфные соединения имеют в своем составе длинные тяжелые молекулы, которые не помещаются в правильные структуры кристаллических решеток, и поэтому переход из твердого состояния в жидкое у них совершается постепенно, без четкой границы. То есть аморфные вещества не имеют точно определенной температуры плавления. Очень знакомый пример такого типа — пластилин, который используется в мягком, а не твердом или жидком состоянии. Также это различные пластмассы, смолы, стекло.

Пластичность и мягкость разогретого стекла дает возможность лепить из него, как из пластилина, только не руками, а инструментами. Стеклянная посуда, лампочки, трубки, оконное стекло — все это было бы невозможно сделать из кристаллических веществ. А как выручают человека полиэтиленовые бутылки и фасовочные пакетики!

Еще один близкий пример — сахарная карамель. Она при нагревании становится тягучей, мягкой, как и все аморфные вещества. А если дать карамели залежаться в сухом помещении несколько месяцев, ее поверхность покроется белым налетом маленьких кристаллов сахара. То есть некоторые аморфные вещества способны переходить в кристаллическую форму.

Типы кристаллических решеток

Разные виды частиц образуют разные кристаллические решетки. Существует 4 их типа:

• ионные;
• атомные;
• молекулярные;
• металлические.

Ионный тип кристалла

Это вид решетки, образуемый ионами — частицами, несущими на себе разноименные электрические заряды, чередующиеся в узлах решетки. Электроотрицательность анионов притягивает к себе положительно заряженные катионы, что придает решетке твердость. Поэтому такие соединения тугоплавки, зато хрупки, обладают хорошей растворимостью в воде и электропроводностью. Это основания, основные оксиды, органические и неорганические соли.

Пример такого кристалла — обычная поваренная соль, хлорид натрия. Его кубическая решетка сформирована катионами Na+ и анионами Cl-.

Атомная решетка

Этот вид кристаллов сформирован атомами, образующими между собой полярные и неполярные ковалентные связи. Такие связи очень прочны, поэтому эти вещества обладают высокой твердостью, тугоплавки и не растворяются в воде. В природе они мало распространены.

Характерный пример — углерод, имеющий две аллотропных формы, и обе — атомного типа.

Кристалл графита имеет слоистую структуру, атомы в слоях расположены по углам шестиугольника, расстояние между слоями значительно больше и межатомные связи слабее, чем внутри слоя. Поэтому кристалл хрупкий, легко расслаивается и крошится. Благодаря этому свойству, графит используется в карандашах или в виде графитовой смазки.

Алмаз — очень плотный кристалл кубической формы, среди природных минералов имеет наивысшую твердость. Образуется такая форма углерода из графита при очень высоких температуре и давлении.

Другие примеры: бор (B), германий (Ge), кремний (Si), оксид кремния (SiO2), карбид (B4C) и нитрид (BN) бора.

Состоящая из молекул

Такая решетка имеет в узлах молекулы. Силы межмолекулярного притяжения относительно слабее, и это определяет свойства веществ с молекулярной кристаллической решеткой — их кристаллы непрочные, плавятся при низких температурах, не электропроводны.

Примеры веществ с молекулярной кристаллической решеткой: полярной ковалентной связью обладает вода (H2O); а соединения неполярной ковалентной связью — твердый оксид углерода (CO2), сера (S8).

Очень интересно, что сера образует два вида кристаллов. В нормальных условиях кристаллы серы имеют интересную усечённо-ромбическую форму, а при 96 °C и выше вырастают длинные игольчатые кристаллы.

Также молекулярные кристаллы образуют многие из твердых органических соединений с достаточно сложной формулой: сахар, глюкоза.

Металлическая решетка

Эта решетка выделяется из общего ряда необычностью строения. Атомы металла, расположенные в узлах решетки, легко расстаются с внешними электронами, что превращает атом в катион, а свободно блуждающие электроны создают делокализованное электронное облако. Эта необычность определяет характерные особенности металлов: ковкость, пластичность, металлический блеск, электро- и теплопроводность.

Ионы более химически активны, чем электронейтральные атомы, этим объясняется способность металлов к поверхностному окислению. Окислы некоторых металлов, например, алюминия, образуют пленку, защищающую поверхность от контакта с кислородом воздуха. Такая особенность даже используется для защиты металлических изделий. Металлы, окислы которых образуют рыхлую структуру (например, железо), подвержены коррозии в гораздо большей степени. Примеры: железо (Fe), серебро (Ag), медь (Cu), алюминий (Al).