Молекулярное строение и свойства газов

Вещества молекулярного и немолекулярного строения. Тип кристаллической решетки

Неорганические и органические соединения отличаются по строению. Меньше веществ, образованных молекулами. Гораздо чаще встречается немолекулярные соединения. Частицы веществ могут быть упорядочены расположены в пространстве, образуют кристаллическую решетку. Тип структуры влияет на свойства различных химических соединений.

Молекулярное и немолекулярное строение веществ

Представления о существовании атомов возникли в древности. Греческое название переводится как «неделимые». Долгое время термины «атом», «корпускула», «молекула» были почти синонимами. Ясность внесли химики всего мира в 1860 году. Ученые приняли решение называть атомами мельчайшие частицы вещества. Они могут входить в состав молекул и немолекулярных структур.

Строение — это характеристика структурных единиц вещества, их расположение в пространстве (кристаллическая решетка).

Таблица 1.

Типы веществ по строению

Типы

Общие признаки

Тип кристаллической решетки

Вещества молекулярного строения.

Мельчайшие структурные единицы (частицы) — молекулы.

Молекулярная.

Вещества немолекулярного строения.

Мельчайшие структурные частицы — атомы или ионы.

Атомная, ионная или металлическая.

Неметаллы, их соединения — вещества преимущественно молекулярного строения. Водород, кислород, азот, хлор, моно- и диоксид углерода, аммиак состоят из молекул сравнительно небольшого размера. Состав отражают формулы Н2, О2, N2, Cl2, СО, СО2, NH3. Наиболее распространенное вещество молекулярного строения — вода (Н2О) (Рис. 1).

Рис. 1. Строение молекулы воды

Агрегатное состояние при разных температурах отличается. В обычных условиях эти вещества являются газами. Вода при комнатной температуре — жидкость, при 0°С — превращается в лед, имеющий кристаллическое строение. При 100°С образуется газ (пар).

Сахар и другие твердые органические вещества тоже состоят из молекул. Состав глюкозы отражает формула С6Н12О6. На рис. 2 показано пространственное расположение атомов в молекуле.

Рис. 2. Строение молекулы глюкозы

Немолекулярных соединений в природе гораздо больше. К этой группе относятся инертные газы, алмаз, графит (аллотропные видоизменения, модификации углерода), минерал кварц, различные соли, металлы. Это преимущественно твердые вещества (при комнатной температуре). Исключение — ртуть, жидкий металл, затвердевающий лишь при –30°С. Среди веществ немолекулярного строения встречаются наиболее твердые и тугоплавкие, обладающие высокой тепло- и электропроводностью.

Кристаллические решетки: типы и примеры

Структурные частицы природных и искусственно полученных веществ находятся в определенных точках пространства, на расстоянии друг от друга. Упорядоченное расположение называют кристаллической решеткой. В ее узлах находятся атомы, ионы или молекулы. На рисунках они обычно изображены кружочками. Черточками между ними условно обозначают химические связи.

Шаро-стержневые объемные модели тоже помогают лучше представить расположение структурных единиц в пространстве. Шарики символизируют частицы вещества, стержни между ними — химическую связь, как на рис. 3.

Рис. 3. Кристаллическая решетка

Вещества кристаллического строения широко распространены, имеют большое практическое значение. Они встречаются в природе, находят применение в промышленности, медицине, сельском хозяйстве, быту. (Рис. 4).

Рис. 4. Кристаллические решетки и примеры веществ

Рассмотрим особенности четырех основных типов кристаллической решетки.

Атомная

Такие кристаллические структуры распространены среди простых веществ. В узлах находятся атомы. Примеры веществ: графит и алмаз (аллотропные видоизменения, модификации углерода), кремний.

Прочную атомную кристаллическую решетку также имеют горный хрусталь и кварц (минералы состоят из диоксида кремния). Отличие от простых веществ существенное — в узлах находятся атомы кремния и кислорода, т. е. разных элементов.

Вещества атомного строения обычно твердые (за исключением графита), нерастворимые в воде, тугоплавкие, являются изоляторами или полупроводниками.

Молекулярная

В узлах кристаллической решетки — молекулы. Простые вещества с этим типом пространственного строения: S8 — кристаллическая сера, Р4 — белый фосфор, Br2 — бром, I2 — кристаллический йод. Н2О в виде льда, СО2 («сухой лед») — сложные вещества с молекулярной кристаллической решеткой.

Силы притяжения между структурными единицами относительно слабые, поэтому связи легко разрушаются. Например, йод возгоняется — переходит из твердого состояния в газообразное при комнатной температуре. (Рис. 5, 6).

Рис. 5. Кристаллический йод и раствор в спирте
Рис. 6. Строение кристаллов йода

Твердые органические соединения тоже имеют преимущественно молекулярную решетку. Это непрочные структуры, которые разрушаются при повышении температуры, растворении в воде.

Ионная

В узлах расположены ионы — заряженные частицы. Классический пример вещества с этим типом кристаллической решеткой — поваренная соль или хлорид натрия. (Рис. 7).

Рис. 7. Кристаллы поваренной соли

Катионы — положительно заряженные частицы. В электрическом поле они перемещаются к отрицательному полюсу источника тока (катоду). Отрицательные ионы движутся к аноду, имеющему заряд «+».

Ионная решетка характерна для солей, оксидов и гидроксидов металлов I–III групп периодической системы, большой группы соединений металлических элемент из других групп. Такие вещества обычно твердые и тугоплавкие.

Ионы высвобождаются при расплавлении и растворении. Расплавы и растворы являются электролитами, проводниками электрического тока, более слабыми, по сравнению с металлами.

Металлическая

Есть значительные отличия от трех предыдущих типов кристаллического строения. В узлах расположены нейтральные атомы и катионы. Между ними беспорядочно движутся электроны, образующие так называемый «электронный газ». (Рис. 8).

Рис. 8. Строение металла

Металлы, их сплавы — твердые вещества, имеющие металлический блеск. Они тугоплавкие, обладают высокой тепло- и электропроводностью.

Все известные соединения состоят из атомов, молекул либо ионов. Упорядоченное расположение структурных единиц в пространстве — кристаллическая решетка. Физические свойства веществ во многом определяются типом соединения частиц.

Труднее разрушается атомная, легче — молекулярная кристаллическая решетка. Чтобы «освободить» частицы в составе ионного кристалла, достаточно растворить или расплавить вещество. Особенностью металлической решетки является наличие «электронного газа», высокая электропроводность веществ.

Смотри также:

Любое вещество в природе, в зависимости от внешней температуры и давления, может существовать в различных агрегатных состояниях. Одним из таких агрегатных состояний является твердое. Кратко рассмотрим особенности строения твердых тел.

Твердое состояние вещества

К 10 классу известно, что при изменении внешней температуры и давления происходит изменение агрегатного состояния вещества. Агрегатное состояние вещества зависит от пространственной конфигурации молекул, а эти два фактора прямо влияют на возможности молекулярных движений.

При высоком внешнем давлении молекулы вещества плотно «упакованы» в пространстве, их движения стеснены. Если при этом температура невысока, то энергии молекул недостаточно даже для небольшого перемещения. При этом между молекулами начинают играть роль силы межмолекулярного притяжения. В результате молекулы остаются связанными даже при небольших внешних силовых воздействиях.

Вещество, молекулы которого удерживаются на постоянном расстоянии друг от друга силами межмолекулярного притяжения, находится в твердом состоянии.

Кристаллические вещества

Чаще всего в твердом состоянии молекулы вещества расположены друг относительно друга не хаотично, а в строгом порядке, образуя ту или иную пространственную структуру. С молекулярной точки зрения, такая структура энергетически выгодна, в ней молекулы вещества имеют наименьшую потенциальную энергию.

Строгий порядок при этом определяет геометрическую форму вещества в этом состоянии. Такая геометрическая форма называется кристаллом.

Рис. 1. Примеры кристаллов различных веществ.

Конкретная форма кристаллов может быть самой различной. Например, кристалл поваренной соли имеет форму куба. Если взять соль крупного помола, и рассмотреть ее через лупу, можно убедиться, что углы между гранями кристаллов всегда прямые.

Кристалл льда имеет ажурную шестигранную структуру: модель ледяного кристалла достаточно сложна, но ее шесть граней можно видеть в снежинках.

Кристалл графита имеет слоистую структуру. Именно это позволяет карандашу рисовать: на бумаге остаются слои кристалла графита.

Пространственная организация кристаллов нередко определяет такое важное свойство, как анизотропия — различие физических свойств кристалла в зависимости от направления.

Наконец, еще одним важным свойством кристаллического вещества является возможность поликристаллизации. В этом случае отдельные кристаллы вещества оказываются хаотично соединены силами межмолекулярного притяжения, иногда даже «врастая» друг в друга. Наиболее часто такое свойство демонстрируют металлы. Если поглядеть через лупу на кромку излома хрупкого чугуна, можно легко увидеть его поликристаллическое строение.

Рис. 2. Поликристаллическое строение.

Аморфные вещества

Существует также класс аморфных веществ, молекулы которых никогда не образуют строгих пространственных структур и всегда располагаются хаотично. Такие вещества нередко рассматриваются как жидкости с крайне высокой вязкостью. К аморфным веществам относятся смолы, пластмассы, стекло.

Битум в твердом состоянии похож на кристалл. Он не меняет формы, растрескивается при ударах, имеет твердость выше, чем у графита. Однако эксперимент, начатый в Квинслендском университете в 1927 г, и продолжающийся до сих пор, показал, что битум может очень медленно течь через воронку под действием тяжести. К настоящему времени из воронки упало девять капель. Подсчитано, что вязкость битума примерно в $2.3×10^{11}$ раз больше, чем у воды.

Рис. 3. Эксперимент с битумом в Квинслендском институте.

Что мы узнали?

Строение твердых тел может быть кристаллическим или аморфным. В кристалле молекулы занимают строго определенное пространственное положение. В результате кристалл имеет определенную геометрическую форму, а также ему свойственна анизотропия. Аморфные вещества подобны жидкостям с очень высокой вязкостью.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 5

    Состояние вещества, в котором молекулы находятся на постоянном расстоянии друг от друга, называется:</h3>

    • <label>постоянным</label>
    • <label>твердым</label>
    • <label>одинаковым</label>
    • <label>неизменным</label>

(новая вкладка)Все вещества состоят из атомов, которые объединяются в определенные структуры с помощью различных устойчивых связей. При этом структурная решетка физического тела может состоять, либо из отдельных однотипных групп атомов — молекул, либо из отдельных атомов. По типу связей различают вещества молекулярного и немолекулярного строения. Рассмотрим примеры веществ с молекулярным типом строения.

Строение вещества

  • Все физические тела состоят из молекул — мелких частиц, каждая из которых имеет все основные химические и физические свойства, присущие всему веществу;
  • Молекулы состоят из атомов;
  • Атомы состоят из отрицательно заряженных электронов и ядра, включающего в себя положительно заряженные протоны и нейтроны, не имеющие зарядов;
  • Молекулы вещества находятся в непрерывном, хаотическом движении;
  • Взаимодействие частиц имеет электромагнитную природу: при сближении происходит отталкивание, а при удалении друг от друга возобновляется притяжение. В равновесном состоянии силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг другу.

Рис. 1. Молекулы одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях.

Древнегреческий философ Демокрит, живший более 2000 лет назад считается первым мыслителем, создавшим учение (теорию) о том, что весь наш мир построен из мельчайших. невидимых частичек — атомов. Слово атом имеет греческое происхождение (“атомос” — неделимый, неразрезаемый). Эта замечательная идея позднее была надолго забыта. Более тысячи лет безраздельно господствовало учение другого философа — Аристотеля, который отрицал существование атомов. Аристотель утверждал, что все вещества могут взаимно превращаться друг в друга, и любое тело можно делить до бесконечности. И Демокрит, и Аристотель строили свои предположения на основе общих, теоретических рассуждений. Только в начале ХIХ века на основе многочисленных опытов и экспериментов ученые (Гассенди, Ломоносов, Бойль, Мариотт, Дальтон и др.) окончательно пришли к общему мнению о реальности существования атомов и молекул.

Рис. 2. Портрет М. В. Ломоносова:.

Свойства веществ молекулярного строения

Для описания веществ со схожими свойствами выделяют два основных вида: вещества немолекулярного строения и вещества молекулярного строения. Вещества, состоящие из однотипных молекул, имеющих в своем составе один и тот же набор атомов, называются веществами молекулярного строения. Общими для этих веществ являются следующие свойства:

  • Слабые связи между молекулами, которые при небольшом повышении температуры начинают разрываться — сначала происходит переход в жидкое состояние, а затем в газовую фазу;
  • Низкие температуры плавления и кипения.

Примеры веществ молекулярного строения

К молекулярным веществам относятся:

  • Большинство простых веществ-неметаллов: кислород (O2), сера (S2), фосфор (P4), водород (H2), азот (N2), хлор (Cl2), фтор (F2), бром (Br2), йод (I2);
  • Соединения веществ-неметаллов друг с другом: аммиак (NH3), углекислый газ (CO2), серная кислота (HSO4), оксид азота (N2O5);
  • Сахар;
  • Нафталин.

Молекулярная кристаллическая решетка образована молекулами, которые соединены между собой слабыми силами межмолекулярного притяжения. Поэтому эти вещества летучи (их можно обнаружить по запаху), имеют низкие температуры плавления, малую твердость (хрупкие) и являются диэлектриками (практически не проводят электрический ток).

Чаще всего молекулярные вещества при нормальных условиях находятся в жидком или газообразном агрегатном состоянии. Некоторые молекулярные вещества могут быть в твердом виде, но их отличительными свойствами являются: легкоплавкость и растворимость в воде (если в узлах полярные молекулы). Примерами таких веществ могут служить: сахар, глюкоза, нафталин, CO2 (“сухой лед”).

Рис. 3. Молекулярные кристаллические решетки, например: кислород, сера йод, вода:.

Атомов в составе молекулы может быть от 2 штук до бесконечности. Одно из первых мест по количеству атомов занимает молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновая — кислота). В одной молекуле ДНК содержится атомов:

  • углерода — 5750;
  • водорода — 7227;
  • кислорода — 4131;
  • азота — 2215;
  • фосфора — 590.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что к веществам с молекулярным строением относятся газообразные, жидкие и твердые вещества, молекулярная кристаллическая решетка которых образована молекулами, соединенными между собой слабыми силами межмолекулярного притяжения. Такие вещества летучи (обнаруживаются по запаху), имеют низкие температуры плавления, малую твердость (хрупкие) и являются диэлектриками (практически не проводят электрический ток).

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 5

    К веществам молекулярного строения относятся вещества, состоящие из… ?</h3>

    • <label>Атомов</label>
    • <label>Молекул</label>
    • <label>Ионных соединений</label>
    • <label>Электронов</label>

(новая вкладка)

Молекулярное строение газов отличается от строения твердых тел и жидкостей. Благодаря тому, что расстояния между молекулами газа намного больше расстояний между ними в твердых телах и жидкостях, а также значительной кинетической энергии его молекул, газ занимает весь объем, в который попадает. Для выявления основных закономерностей движения газа ввели модель идеального газа, между молекулами которого отсутствуют силы притяжения, а их размеры не учитываются, т. е. молекулы являются материальными точками, а их взаимодействие аналогично взаимодействию упругих шаров.

Основное уравнение кинетической теории газов связывает макроскопические параметры с микроскопическими. Макроскопические параметры описывают состояние газа как системы многих частиц (молекул). Это давление, температура, объем. Микроскопические параметры описывают молекулу как частицу. Это скорость, кинетическая энергия и т. д.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории имеет вид:

где Р — давление газа, п — концентрация газа, Е — средняя кинетическая энергия молекул газа, V — объем газа, N — число молекул, к — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура.

В отличие от идеального газа, реальные обладают межмолекулярными силами, а их молекулы обладают определенными размерами. Реальные газы описываются уравнением Ван-дер-Ваальса:

где Р — давление газа, V объем газа, R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура, Р1 — дополнительное молекулярное давление (влияние межмолекулярных сил), b — константа, зависящая от природы газа (влияние размеров молекул).

Если идеальный газ ни при каких условиях не переходит в жидкость, то реальные газы при понижении температуры и повышении внешнего давления могут сжижаться, т. е. переходить в жидкое агрегатное состояние. Процесс перехода из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией, обратный переход — испарением.

В закрытом сосуде с жидкость наблюдаются оба процесса — испарения и конденсации. Газообразное состояние жидкости называется паром, он может быть насыщенным и ненасыщенным. Пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью, называется насыщенным. Он не подчиняется законам идеального газа. Пар, находящийся в состоянии, при котором преобладает процесс испарения, называется ненасыщенным.

Содержание водяных паров в атмосфере характеризуется влажностью. Выделяют абсолютную и относительную влажность. Абсолютная влажность — это плотность водяных паров или парциальное давление (упругость) водяных паров. Измеряется в единицах плотности или в единицах давления. Относительная влажность — это отношение абсолютной влажности к плотности или давлению насыщенных водяных паров при определенной температуре. Измеряется в долях или процентах. Влажность влияет на функционирование живых организмов. Поддержание определенного значения относительной влажности важно как для человека, так и для животных.

Используемые источники:

  • https://bingoschool.ru/manual/veshhestva-molekulyarnogo-i-nemolekulyarnogo-stroeniya.-tip-kristallicheskoj-reshetki.-zavisimost-svojstv-veshhestv-ot-ix-sostava-i-stroeniya/
  • https://obrazovaka.ru/fizika/stroenie-tverdyh-tel-osobennosti.html
  • https://obrazovaka.ru/fizika/veschestva-molekulyarnogo-stroeniya-primery.html
  • https://bstudy.net/854501/estestvoznanie/molekulyarnoe_stroenie_svoystva_gazov