На конкретных примерах покажите, как проявляется зависимость некоторых физических свойств веществ от типа их кристаллических решёток.

Тип кристаллической решётки сильно влияет на физические свойства вещества: температуру плавления, твёрдость, хрупкость, электропроводность, растворимость, летучесть. Это связано с тем, какие частицы находятся в узлах решётки и какие силы удерживают их вместе.

1. Ионная кристаллическая решётка

В узлах такой решётки находятся положительные и отрицательные ионы. Между ними действуют сильные электростатические силы притяжения.

Примеры: хлорид натрия NaCl, фторид кальция CaF₂, оксид магния MgO.

У веществ с ионной решёткой обычно высокая температура плавления. Например, поваренная соль NaCl плавится только при высокой температуре, потому что для разрушения решётки нужно преодолеть сильное притяжение между ионами Na⁺ и Cl⁻.

Ионные кристаллы твёрдые, но хрупкие. Кристалл соли трудно сжать или деформировать, но при ударе он раскалывается. Это происходит потому, что при смещении слоёв решётки рядом могут оказаться одноимённо заряженные ионы, например Na⁺ около Na⁺ или Cl⁻ около Cl⁻. Они отталкиваются, и кристалл разрушается.

В твёрдом состоянии ионные вещества обычно не проводят электрический ток, потому что ионы закреплены в узлах решётки и не могут свободно перемещаться. Но расплавы и растворы ионных веществ ток проводят. Например, твёрдая поваренная соль не проводит электричество, а её водный раствор проводит, потому что ионы Na⁺ и Cl⁻ становятся подвижными.

2. Атомная, или ковалентная, кристаллическая решётка

В узлах такой решётки находятся атомы, соединённые прочными ковалентными связями. Такая решётка часто представляет собой как бы одну огромную молекулу.

Примеры: алмаз, кремний Si, кварц SiO₂, карборунд SiC.

У веществ с атомной решёткой очень высокая твёрдость и высокая температура плавления. Самый известный пример — алмаз. В его кристалле каждый атом углерода связан прочными ковалентными связями с другими атомами углерода. Поэтому алмаз чрезвычайно твёрдый и плавится только при очень высокой температуре.

Кварц SiO₂ тоже имеет атомную решётку. Именно поэтому он твёрдый, тугоплавкий и практически нерастворим в воде.

Большинство веществ с атомной решёткой не проводят электрический ток, потому что в них нет свободных заряженных частиц. Например, алмаз не проводит электричество. Но есть исключения. Кремний является полупроводником: его электропроводность зависит от температуры и примесей. Поэтому кремний широко используют в электронике.

Особенно показателен пример углерода: алмаз и графит состоят из атомов одного и того же элемента, но имеют разное строение кристаллических решёток. Алмаз очень твёрдый и не проводит электрический ток, а графит мягкий и проводит ток. Это объясняется тем, что в графите атомы углерода образуют слоистую структуру: внутри слоя связи прочные, а между слоями взаимодействие слабое. Поэтому слои легко скользят друг относительно друга, и графит оставляет след на бумаге.

3. Молекулярная кристаллическая решётка

В узлах такой решётки находятся молекулы. Между молекулами действуют сравнительно слабые межмолекулярные силы.

Примеры: лёд H₂O, твёрдый углекислый газ CO₂, иод I₂, сера S₈, нафталин, сахар.

Вещества с молекулярной решёткой обычно имеют низкие температуры плавления и кипения, часто они летучи или легко разрушаются при нагревании. Например, иод при нагревании легко переходит в пар, потому что между его молекулами I₂ действуют слабые силы притяжения.

Твёрдый углекислый газ, который называют сухим льдом, не плавится при обычном давлении, а сразу переходит в газообразное состояние. Это тоже связано со слабым взаимодействием между молекулами CO₂ в кристалле.

Лёд имеет молекулярную решётку: в её узлах находятся молекулы воды. Между ними действуют водородные связи. Они прочнее обычных межмолекулярных взаимодействий, поэтому лёд имеет сравнительно высокую температуру плавления для молекулярного вещества, но всё же значительно ниже, чем у веществ с ионной или атомной решёткой.

Молекулярные кристаллы обычно не проводят электрический ток, потому что в них нет свободных ионов или электронов. Например, сахар в твёрдом состоянии не проводит ток. Его раствор тоже почти не проводит электричество, потому что молекулы сахара растворяются, но не распадаются на ионы.

4. Металлическая кристаллическая решётка

В узлах металлической решётки находятся положительные ионы металла или атомные остовы, а между ними перемещаются свободные электроны. Такое строение называют металлической связью.

Примеры: железо Fe, медь Cu, алюминий Al, натрий Na, серебро Ag.

Главное свойство металлов — хорошая электропроводность. Например, медь хорошо проводит электрический ток, поэтому из неё делают электрические провода. Это объясняется наличием свободных электронов, которые могут перемещаться по всему кристаллу.

Металлы также хорошо проводят тепло. Если нагреть один конец металлического стержня, тепло быстро распространится по всему стержню, потому что свободные электроны переносят энергию.

Для металлов характерны ковкость и пластичность. Например, алюминий можно прокатывать в тонкую фольгу, а медь — вытягивать в проволоку. При деформации слои частиц в металлической решётке могут смещаться, но связь не разрушается полностью, потому что свободные электроны продолжают удерживать положительные ионы вместе.

Металлы имеют металлический блеск. Например, серебро, алюминий и железо блестят после полировки. Это связано с тем, что свободные электроны отражают свет.

Температуры плавления металлов могут сильно различаться. Вольфрам очень тугоплавкий, поэтому его раньше использовали в нитях накаливания ламп. А ртуть при обычных условиях жидкая, потому что её металлическая связь сравнительно слабее.

Сравнение на конкретных примерах

Поваренная соль NaCl и сахар внешне могут быть похожи: оба вещества твёрдые, кристаллические, белые. Но свойства у них разные, потому что решётки разные. У NaCl ионная решётка, поэтому соль имеет высокую температуру плавления, хрупкая, а её раствор проводит ток. У сахара молекулярная решётка, поэтому он легче разрушается при нагревании, не проводит электрический ток и в растворе не образует ионов.

Алмаз и иод тоже резко отличаются из-за типа решётки. Алмаз имеет атомную решётку, поэтому он чрезвычайно твёрдый и тугоплавкий. Иод имеет молекулярную решётку, поэтому легко возгоняется при нагревании и образует фиолетовые пары.

Медь и кварц оба твёрдые вещества, но медь проводит ток и легко деформируется, а кварц ток почти не проводит и является хрупким. Причина в том, что у меди металлическая решётка со свободными электронами, а у кварца атомная решётка с прочными ковалентными связями.

Таким образом, физические свойства веществ напрямую зависят от типа кристаллической решётки. Ионные вещества обычно твёрдые, хрупкие, тугоплавкие и проводят ток в растворах и расплавах. Атомные вещества очень твёрдые и тугоплавкие, чаще всего не проводят ток. Молекулярные вещества имеют низкие температуры плавления, часто летучи и не проводят электричество. Металлы хорошо проводят тепло и электрический ток, обладают блеском, ковкостью и пластичностью.