§ 17. Речовини молекулярної та атомної будови

Міжмолекулярна взаємодія. Речовина незалежно від її будови може перебувати у трьох агрегатних станах. Твердий і рідкий стани молекулярних речовин існують завдяки тому, що молекули притягуються одна до одної, хоча кожна є незарядженою частинкою. Таке явище називають міжмолекулярною взаємодією.

На відміну від міцних ковалентного та йонного зв’язків, взаємодія між молекулами досить слабка. Вона включає притягання електронів атомів однієї молекули до ядер атомів інших молекул, а в багатьох випадках — ще й взаємне притягання атомів із невеликими протилежними зарядами (§ 16), які належать різним молекулам. Останній вид взаємодії існує, наприклад, у воді, деяких органічних сполуках. Він є важливою умовою для існування живих організмів на нашій планеті.

Фізичні властивості молекулярних речовин. Унаслідок того, що молекули слабко притягуються одна до одної, речовини молекулярної будови істотно відрізняються від йонних речовин за фізичними властивостями. Для молекулярних речовин характерні леткість, низька твердість, невисокі температури плавлення і кипіння. Деякі молекулярні речовини при нагріванні переходять із твердого стану в газуватий, минаючи рідкий. Таке явище називають сублімацією 1 . Цю властивість мають, наприклад, йод І₂, карбон(IV) оксид СO₂ (мал. 35).

1 Термін походить від латинського слова sublimare — піднімати вгору.

Мал. 35. Сублімація йоду (а) і карбон(ІV) оксиду (б)

Твердий карбон(ІV) оксид називають «сухим льодом». При підвищенні температури він перетворюється не на рідину, а на газ (вуглекислий), тобто не тане, а випаровується (мал. 35, б). Сухий лід раніше використовували для зберігання морозива.

Звичайний лід за температури, нижчої 0 °С, також перетворюється на пару, щоправда досить повільно. Завдяки цьому випрана білизна висихає і на морозі.

Чимало молекулярних речовин мають запах. Вам добре відомий різкий запах сульфур(ІV) оксиду, або сірчистого газу SO₂; речовина утворюється при запалюванні сірника (сірка входить до складу його голівки). Газ амоніак NH₃ також легко впізнати за запахом. Він виділяється з водного розчину цієї сполуки, відомого під назвою «нашатирний спирт». Не можна сплутати за запахом з іншими речовинами оцтову кислоту СН₃СООН, розчин якої (оцет) використовують у домашньому господарстві.

Молекулярні речовини в будь-якому агрегатному стані не проводять електричного струму. (Спробуйте це пояснити.) Багато твердих речовин цього типу утворюють кристали (мал. 36).

Мал. 36. Кристалічні ґратки (кулестержневі моделі) молекулярних речовин

Хімічні формули молекулярних речовин указують на склад їхніх молекул. У деяких випадках вони мають кратні індекси. Це стосується, наприклад, формули гідроген пероксиду (перекису водню) Н₂O₂. Графічна формула молекули сполуки:

Саме такі молекули (а не НО) містяться в цій речовині. Формулу Н₂О₂, яка показує реальний склад молекули, називають істинною (формула НО є найпростішою). Для більшості молекулярних речовин істинні формули збігаються з найпростішими.

Речовини атомної будови. Існують речовини, у яких усі атоми сполучені один з одним ковалентними зв’язками. Серед них — прості речовини кількох неметалічних елементів (наприклад, бор, графіт, алмаз, силіцій), деякі складні речовини (наприклад, силіцій(ІV) оксид SiO₂)·

Кристал речовини, яка складається з атомів, є ніби однією гігантською молекулою (мал. 37). Унаслідок того, що ковалентні зв’язки міцні, речовини атомної будови мають високі температури плавлення і кипіння, практично не розчиняються у воді, інших розчинниках, а деякі вирізняються дуже високою твердістю (алмаз).

Мал. 37. Речовини атомної будови та їхні кристалічні ґратки

Метали складаються зі щільно «упакованих» атомів. Їхні зовнішні орбіталі перекриваються, і електрони постійно переходять від одних атомів до інших. Завдяки цьому метали проводять електричний струм і мають інші характерні властивості. У цих речовинах існує особливий (металічний) зв’язок, який відрізняється від йонного і ковалентного.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 1

Ознайомлення з фізичними властивостями речовин атомної, молекулярної та йонної будови

Вам видано такі речовини: графіт, сечовина, калій бромід. Вони містяться в посудинах з етикетками. У вашому розпорядженні є пробірки, шпатель, промивалка з водою, спиртівка або сухе пальне.

Дослідіть поведінку речовин при нагріванні. Що спостерігаєте? На яку будову речовини — атомну чи молекулярну — вказує результат досліду із сечовиною?

Визначте, чи розчиняється кожна речовина у воді.

Заповніть таблицю, у якій укажіть результати проведених експериментів.

Характеристика речовин

Калій бромід

Тип хімічного зв’язку

Фізичні властивості:

Викладені в цьому і попередніх параграфах відомості про хімічний зв’язок і будову речовин підсумовує схема 5.

Типи хімічного зв’язку і будова речовин

Молекули притягуються одна до одної досить слабко. Тому речовини молекулярної будови мають невисоку твердість, низькі температури плавлення і кипіння, а деякі — запах. Молекулярні речовини не проводять електричного струму.

У речовинах атомної будови всі атоми міцно сполучені між собою. Характерні фізичні властивості таких речовин — високі температури плавлення і кипіння. Вони не розчиняються у воді, деякі мають дуже високу твердість.

• 113. Що таке міжмолекулярна взаємодія? Чим вона зумовлена?
• 114. Сполука X за звичайних умов перебуває у твердому стані, має запах, а за слабкого нагрівання плавиться. Молекулярною чи йонною є ця сполука? Який тип хімічного зв’язку в ній реалізований? До відповіді дайте пояснення.
• 115. Укажіть у поданому переліку речовини молекулярної будови: парафін, етиловий спирт, калій гідроксид, кальцій оксид, азот, олово, силіцій(ІV) оксид. Обґрунтуйте свій вибір.
• 116. Чи можна передбачити будову речовини (йонну, молекулярну, атомну) за її зовнішнім виглядом, агрегатним станом? Відповідь поясніть.
• 117. Знайдіть відповідність:

Дайте необхідні пояснення.

• 118. Спробуйте пояснити, чому прості речовини галогени за звичайних умов перебувають у різних агрегатних станах: фтор F₂ і хлор Сl₂ — гази, бром Вr₂ — рідина, йод I₂ — кристалічна речовина.
• 119. Хлороводень НСl та фтор F₂ мають молекули приблизно однакової маси (підтвердьте це), але істотно різняться за температурами кипіння: -84 °С (НСl) та -187 °С (F₂). У чому, на вашу думку, причина такої відмінності?
• 120. Сполука із формулою SiC має атомні кристалічні ґратки. Спрогнозуйте її фізичні властивості та перевірте ваше передбачення, знайшовши відповідну інформацію в інтернеті.

ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ

Дослідження фізичних властивостей речовин із різною будовою

Пропонуємо вам з’ясувати, як будова відомих вам речовин — води, кухонної солі та піску — впливає на їхні фізичні властивості.

Знайдіть в інтернеті або інших джерелах інформації температури плавлення і кипіння кухонної солі (натрій хлориду) та піску (силіцій(ІV) оксиду) і запишіть їх у зошит. Додайте до цих відомостей температури замерзання і кипіння води, агрегатний стан речовин за звичайних умов, а також інформацію про те, розчиняється чи не розчиняється у воді сіль, пісок.

Якими частинками — атомами, молекулами, йонами — утворена кожна речовина?

Складіть таблицю і розмістіть у ній зібрану інформацію про властивості речовин та їхню будову.

Зробіть висновок про залежність фізичних властивостей води, кухонної солі та піску від типу частинок, із яких складаються речовини.

§ 7. РІЗНОМАНІТНІСТЬ РЕЧОВИН. ПОНЯТТЯ ПРО ПРОСТІ ТА СКЛАДНІ, НЕОРГАНІЧНІ ТА ОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ

Речовин існує дуже багато. Якщо хімічних елементів понад сто, то речовин – понад 20 мільйонів! Щоб полегшити вивчення й використання речовин, їх поділяють на групи (класифікують).

• Які речовини відносять до простих

Речовини поділяють на прості та складні. Розглянемо приклади таких речовин: графіт, залізо, кисень. Графіт утворений атомами Карбону. З цієї речовини виготовляють графітові стрижні простих олівців. Для виготовлення залізних цвяхів використовують речовину залізо. Вона утворена з атомів Феруму. Кисень ми не бачимо, але його нестачу відчуваємо відразу. Ця речовина складається з молекул кисню, утворених атомами Оксигену.

Кожна з розглянутих речовин утворена атомами одного виду. Графіт утворюють атоми Карбону, залізо – атоми Феруму, кисень – атоми Оксигену. Такі речовини називають простими.

Молекули деяких простих речовин складаються з кількох атомів. Наприклад, молекула водню складається з двох атомів Гідрогену, молекула кисню – з двох атомів Оксигену. Та незважаючи на це, вони залишаються простими речовинами, бо їхні молекули утворені з атомів одного виду.

• Складні речовини

Речовини, утворені з атомів двох і більше видів, називають складними. Наприклад, кожна молекула води містить два атоми Гідрогену та один атом Оксигену (мал. 21).

Іншим прикладом складних речовин є вуглекислий газ. Його видихають усі живі організми, а рослинам він потрібен для живлення. Молекулу вуглекислого газу утворено одним атомом Карбону і двома атомами Оксигену (мал. 23).

Мал. 23. Умовне зображення атомів Карбону (С) й Оксигену (О) і молекули вуглекислого газу

• Чому складних речовин більше, ніж простих

Учені довели, що атоми різних хімічних елементів здатні сполучатися один з одним у різній кількості та послідовності. Подібно до того, як у мові сполученням букв утворюється розмаїття слів, сполученням різних атомів та в різній кількості утворилося понад 20 мільйонів речовин. Отож складних речовин існує значно більше, ніж простих.

Розгляньмо малюнок 24 (а), і побачимо, що молекула води складається з двох атомів Гідрогену та одного атома Оксигену. З таких самих атомів складається і речовина гідроген пероксид, проте вона має зовсім інші властивості, ніж вода. Наприклад, гідроген пероксид має вищу на 50 °С температуру кипіння, знезаражувальні властивості. Жодна аптечка не обходиться без нього, адже розчином цієї речовини з назвою «перекис водню» обробляють ранки, щоб вони швидше гоїлися. Такі відмінні від води властивості перекису водню зумовлені відмінностями у складі молекул. Адже молекула цієї речовини складається з двох атомів Гідрогену і двох атомів Оксигену (мал. 24, б).

Мал. 24. Моделі молекул води (а) і молекули гідроген пероксиду (б)

• Органічні й неорганічні речовини

Речовини поділяють також на органічні й неорганічні.

До складу всіх органічних речовин входять атоми Карбону й зазвичай Гідрогену. Так, з них утворені природний газ, речовини, що входять до складу нафти. Багато органічних речовин містять ще й атоми Оксигену. Це жири, крохмаль, цукор, оцет та інші (мал. 25).

Мал. 25. Органічні речовини входять до складу продуктів харчування

Звідки ж така назва – органічні речовини? Усе дуже просто. Перші з них учені виявили в організмах – тілах живої природи.

Речовини, до складу яких не входять атоми Карбону, належать до неорганічних, як-от: вода, кисень, залізо. Хоча деякі речовини, які містять атоми Карбону, відносять теж до неорганічних. Прикладами є вуглекислий газ, питна сода та ще кілька речовин.

На малюнку 26 ти бачиш приклади виробів з неорганічних речовин. Усі тіла природи, за винятком гірських порід, повітря і води, містять органічні речовини. Крохмаль, сахароза, олія, білок є прикладами органічних речовин.

Мал. 26. Продукти харчування (а) та предмети побуту (б) містять неорганічні речовини

Багато органічних речовин людина створила сама, наприклад пластмаси, гуму, поліетилен. Вони широко використовуються в машино- та літакобудуванні, під час спорудження будівель і мостів, а також у побуті (мал. 27).

Мал. 27. Тіла з органічних речовин, які створила людина

• Речовини поділяють на прості і складні. Прості речовини утворюються з атомів одного виду. Складні речовини утворюються з атомів різних хімічних видів.

• Однією з класифікацій речовин є поділ їх на органічні та неорганічні. Органічні речовини обов’язково містять атоми Карбону.

Сторінка природодослідника

Дослідження вмісту крохмалю в продуктах харчування

Тобі знадобляться: розчин йоду спиртовий (є в домашній аптечці), піпетка, шматочки сирого яблука, вареної картоплини, сирої картоплини, окраєць хліба, одна фігурка макаронних виробів.

На кожний досліджуваний продукт харчування за допомогою піпетки нанеси 1 краплину розчину йоду. Ті продукти, які містять крохмаль, забарвляться у фіолетовий або синій колір. Що насиченіший фіолетовий колір, то більше крохмалю міститься у продукті.

Запиши результати свого дослідження. Зроби висновок про те:

– в яких продуктах харчування міститься крохмаль;

– які методи вивчення природи використано під час роботи.

Сторінка ерудита

Без атомів Карбону не існує жодної органічної речовини. Так, атоми Карбону разом з атомами Гідрогену й Оксигену входять до складу органічної речовини цукру, або сахарози. Причому 1 молекула сахарози складається з 45 атомів. Серед них 12 атомів Карбону, 22 атоми Гідрогену та 11 атомів Оксигену. У тому, що в складі цукру містяться атоми Карбону, переконує пригорання цукрового сиропу. Картопля чи м’ясо, пригораючи, також обвуглюються, набуваючи чорного кольору. Це є доказом наявності Карбону в складі органічних речовин продуктів харчування.

Запитання і завдання

1. Які речовини називають простими? Наведи приклади.

2. Які речовини називають складними? Наведи приклади.

3. Поясни, чому складних речовин більше, ніж простих.

4. Наведи приклади органічних і неорганічних речовин. Чим відрізняються ці речовини?

5*. Підготуй усне повідомлення про якусь речовину, її властивості та застосування.