Rodzaje kryształów i ich właściwości
Chemia
Zestaw wyjaśnia budowę kryształów jonowych, kowalencyjnych, molekularnych i metalicznych. Poznasz rodzaje oddziaływań w sieci krystalicznej oraz ich wpływ na temperaturę topnienia, przewodnictwo, twardość i rozpuszczalność substancji.
1.Kryształ
Ciało stałe, w którym atomy, jony lub cząsteczki są ułożone regularnie i powtarzalnie w przestrzeni, tworząc sieć krystaliczną.
2.Sieć krystaliczna
Regularny, powtarzalny układ składników kryształu: atomów, jonów albo cząsteczek. Rodzaj tych składników i sił między nimi decyduje o właściwościach substancji.
3.Kryształ jonowy
Kryształ zbudowany z kationów i anionów połączonych silnym przyciąganiem elektrostatycznym, czyli wiązaniem jonowym. Przykładem jest chlorek sodu.
4.Właściwości kryształów jonowych
Są zwykle twarde, kruche i mają wysokie temperatury topnienia. Nie przewodzą prądu jako ciała stałe, lecz przewodzą po stopieniu lub w roztworze wodnym, gdy jony mogą się przemieszczać.
5.Kryształ kowalencyjny
Kryształ, w którym atomy są połączone wiązaniami kowalencyjnymi w rozległą sieć. Nie występują w nim odrębne cząsteczki.
6.Diament
Odmiana alotropowa węgla o strukturze kryształu kowalencyjnego. Jest bardzo twardy, ma wysoką temperaturę topnienia i nie przewodzi prądu elektrycznego.
7.Grafit
Odmiana alotropowa węgla zbudowana z warstw atomów połączonych wiązaniami kowalencyjnymi. Przewodzi prąd dzięki elektronom przemieszczającym się w obrębie warstw, a między warstwami działają słabsze siły.
8.Kryształ molekularny
Kryształ zbudowany z odrębnych cząsteczek. Cząsteczki utrzymują się razem dzięki oddziaływaniom międzycząsteczkowym, takim jak siły van der Waalsa lub wiązania wodorowe.
9.Właściwości kryształów molekularnych
Mają zwykle niskie temperatury topnienia i wrzenia, są miękkie albo łatwo ulegają sublimacji. Z reguły nie przewodzą prądu, ponieważ nie zawierają swobodnie poruszających się jonów ani elektronów.
10.Wiązanie wodorowe
Stosunkowo silne oddziaływanie międzycząsteczkowe występujące między cząsteczkami, gdy atom wodoru jest związany z silnie elektroujemnym atomem, np. tlenu, azotu lub fluoru.
11.Kryształ metaliczny
Kryształ zbudowany z dodatnich jonów metalu znajdujących się wśród zdelokalizowanych elektronów walencyjnych. Przyciąganie jonów i elektronów tworzy wiązanie metaliczne.
12.Wiązanie metaliczne
Oddziaływanie elektrostatyczne między dodatnimi jonami metalu a zdelokalizowanymi elektronami, które mogą poruszać się w całej sieci krystalicznej metalu.
13.Właściwości metali
Metale dobrze przewodzą prąd i ciepło, mają połysk oraz są kowalne i ciągliwe. Wynika to z ruchliwości zdelokalizowanych elektronów i możliwości przesuwania warstw jonów bez rozpadu struktury.
14.Kruchość kryształów jonowych
Cecha wynikająca z przesunięcia warstw jonów pod wpływem nacisku. Gdy obok siebie znajdą się jony o tym samym ładunku, zaczynają się odpychać, a kryształ pęka.
15.Alotropia
Występowanie tego samego pierwiastka w kilku odmianach różniących się budową i właściwościami fizycznymi, np. diament i grafit są odmianami alotropowymi węgla.
16.Przewodnictwo elektryczne
Zdolność substancji do przewodzenia prądu dzięki przemieszczaniu się nośników ładunku: elektronów w metalach lub jonów w ciekłych i wodnych roztworach związków jonowych.
Notatka
Sieć krystaliczna i podział kryształów
W ciałach stałych drobiny mogą być ułożone regularnie, tworząc sieć krystaliczną. Taką substancję nazywamy kryształem. O jej właściwościach decydują przede wszystkim dwa czynniki: jakie drobiny zajmują węzły sieci oraz jakie siły je ze sobą wiążą.
W szkolnej klasyfikacji wyróżnia się kryształy jonowe, kowalencyjne, molekularne i metaliczne. Nie należy utożsamiać rodzaju kryształu wyłącznie ze stanem skupienia: jest to opis budowy substancji stałej.
Zapamiętaj
Im silniejsze oddziaływania utrzymują składniki sieci, tym zwykle wyższa jest temperatura topnienia kryształu.
Kryształy jonowe
W kryształach jonowych węzły sieci zajmują dodatnie jony, czyli kationy, oraz ujemne jony, czyli aniony. Jony są utrzymywane przez silne przyciąganie elektrostatyczne, nazywane wiązaniem jonowym. Przykładem jest chlorek sodu, zbudowany z jonów sodowych i chlorkowych.
Silne oddziaływania powodują, że substancje jonowe mają zwykle wysokie temperatury topnienia. Są też twarde, ale jednocześnie kruche. Nacisk może przesunąć fragmenty sieci tak, że obok siebie znajdą się jony o jednakowym ładunku. Ich odpychanie prowadzi do pęknięcia kryształu.
W stanie stałym jony są unieruchomione, dlatego kryształy jonowe nie przewodzą prądu. Po stopieniu albo rozpuszczeniu w wodzie jony uzyskują możliwość ruchu i roztwór lub ciecz przewodzi prąd.
Ważne
Sól stała nie przewodzi prądu, lecz jej stop lub roztwór wodny może przewodzić dzięki ruchliwym jonom.
Kryształy kowalencyjne
W kryształach kowalencyjnych atomy są połączone silnymi wiązaniami kowalencyjnymi w rozległą sieć. Nie można w niej wskazać pojedynczych, niezależnych cząsteczek. Taka budowa zwykle powoduje bardzo dużą twardość oraz wysoką temperaturę topnienia.
Klasycznym przykładem jest diament, odmiana alotropowa węgla. Jest bardzo twardy, ale nie przewodzi prądu elektrycznego. Inaczej zbudowany jest grafit: atomy węgla tworzą w nim warstwy. W obrębie warstw występują elektrony zdolne do przemieszczania się, dlatego grafit przewodzi prąd. Słabsze oddziaływania między warstwami ułatwiają ich przesuwanie, przez co grafit jest miękki i może pozostawiać ślad na papierze.
Diament i grafit pokazują, że różna budowa tego samego pierwiastka może prowadzić do wyraźnie różnych właściwości.
Kryształy molekularne
Węzły kryształów molekularnych zajmują całe, odrębne cząsteczki. Między nimi działają oddziaływania międzycząsteczkowe, np. siły van der Waalsa lub wiązania wodorowe. Są one na ogół słabsze niż wiązania jonowe i kowalencyjne tworzące rozległą sieć.
Dlatego wiele substancji molekularnych ma stosunkowo niskie temperatury topnienia i wrzenia, jest miękkich albo łatwo sublimuje. Zwykle nie przewodzą prądu elektrycznego, ponieważ nie mają ruchliwych jonów ani swobodnych elektronów. Przykładami substancji tworzących kryształy molekularne są jod i lód.
Przykład
Lód ma strukturę molekularną: cząsteczki wody są połączone między sobą wiązaniami wodorowymi.
Kryształy metaliczne
Kryształy metaliczne są zbudowane z dodatnich jonów metalu i zdelokalizowanych elektronów walencyjnych. Elektrony nie należą trwale do jednego atomu, lecz mogą przemieszczać się w całej strukturze. Przyciąganie między kationami a elektronami tworzy wiązanie metaliczne.
Ruchliwość elektronów wyjaśnia dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne metali oraz ich charakterystyczny połysk. Metale są także kowalne i ciągliwe: można je formować w blachy lub druty, ponieważ warstwy jonów mogą się przesuwać, a wiązanie metaliczne nadal utrzymuje strukturę.
Temperatury topnienia metali są zróżnicowane, gdyż siła wiązania metalicznego zależy od rodzaju metalu. Wspólną, typową cechą metali jest jednak przewodnictwo wynikające z obecności ruchliwych elektronów.
Porównanie i rozpoznawanie na przykładach
Przy rozpoznawaniu rodzaju kryształu należy najpierw ustalić, co tworzy jego sieć. Jony wskazują na kryształ jonowy, atomy połączone w rozległą sieć na kowalencyjny, odrębne cząsteczki na molekularny, a kationy metalu wraz z elektronami na metaliczny.
Właściwości są konsekwencją budowy. Wysoka temperatura topnienia i kruchość często wskazują na kryształ jonowy. Duża twardość może świadczyć o strukturze kowalencyjnej, jak w diamencie. Niska temperatura topnienia i brak przewodnictwa są częste dla kryształów molekularnych. Przewodnictwo w stanie stałym, połysk oraz plastyczność to charakterystyczne cechy metali.
W zadaniach maturalnych warto zawsze uzasadniać właściwość przez odwołanie do rodzaju drobin i ich ruchliwości, a nie jedynie podać nazwę typu kryształu.
Quizy w tym zestawie
16 pytań w 2 etapach — odblokujesz je po dodaniu zestawu