Кристаллические решётки: всё для ЕГЭ по химии
Кристаллическая решётка — это пространственная структура, образованная регулярно расположенными частицами (атомами, ионами, молекулами) в твёрдом веществе. Тип решётки определяет физические и химические свойства вещества: температуру плавления, твёрдость, электропроводность, растворимость.
На ЕГЭ по химии эта тема встречается в заданиях на установление соответствия между веществом и типом решётки, а также в вопросах о зависимости свойств. Важно не просто запомнить примеры, но и понимать логику: почему у алмаза высокая твёрдость, а у нафталина — низкая температура плавления.
В этом разборе мы пройдём все четыре типа решёток, разберём реальные задачи ЕГЭ и ответим на частые вопросы. Материал подходит для 10–11 классов и подготовки к экзамену.
Без карты, без кредитки. Выбери персонажа — учи голосом, побеждай в баттлах.
Молекулярная кристаллическая решётка
В узлах молекулярной решётки находятся молекулы, связанные между собой слабыми межмолекулярными силами (водородные связи, диполь-дипольное взаимодействие, силы Ван-дер-Ваальса). Внутри молекул — ковалентные связи.
Свойства: низкие температуры плавления и кипения (часто вещества летучие), малая твёрдость, низкая электропроводность (диэлектрики), многие растворимы в неполярных растворителях.
Примеры: лёд (H₂O), твёрдый углекислый газ (CO₂, сухой лёд), иод (I₂), нафталин, сахароза, большинство органических веществ.
Какие из перечисленных веществ имеют молекулярную кристаллическую решётку: алмаз, хлорид натрия, лёд, кремний, иод?
Шаг 1. Вспоминаем, что молекулярную решётку имеют вещества, состоящие из отдельных молекул, связанных слабыми силами. Шаг 2. Алмаз — атомная решётка (атомы углерода связаны ковалентно). Хлорид натрия — ионная решётка (ионы Na+ и Cl-). Лёд — молекулярная (молекулы H₂O, водородные связи). Кремний — атомная решётка (атомы Si, ковалентные связи). Иод — молекулярная (молекулы I₂, межмолекулярные силы). Шаг 3. Ответ: лёд, иод.
Атомная кристаллическая решётка
В узлах атомной решётки находятся атомы, соединённые прочными ковалентными связями. Решётка представляет собой единый гигантский кристалл (полимерную структуру).
Свойства: очень высокая твёрдость, высокая температура плавления, низкая электропроводность (кроме графита, где есть свободные электроны), нерастворимость в воде и органических растворителях.
Примеры: алмаз (C), кремний (Si), германий (Ge), карбид кремния (SiC), оксид кремния (SiO₂, кварц).
Важно: алмаз и графит — аллотропные модификации углерода. У графита слоистая структура, поэтому он мягкий и проводит ток, но формально его относят к атомным решёткам (в плоскости слоя — ковалентные связи, между слоями — слабые силы).
Почему алмаз и графит, состоящие из одного элемента — углерода, имеют разные свойства?
Шаг 1. Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку: каждый атом углерода sp3-гибридизация, тетраэдрическое расположение, прочные ковалентные связи во всех направлениях. Это делает алмаз самым твёрдым природным материалом, диэлектриком, с высокой температурой плавления. Шаг 2. Графит: атомы углерода sp2-гибридизация, образуют плоские слои (шестиугольники), между слоями — слабое Ван-дер-Ваальсово взаимодействие. Слои легко скользят, поэтому графит мягкий. Внутри слоя есть делокализованные π-электроны, обеспечивающие электропроводность. Шаг 3. Вывод: разный тип кристаллической решётки (хотя оба атомные, но структура разная) приводит к разным свойствам.
Ионная кристаллическая решётка
В узлах ионной решётки находятся положительные и отрицательные ионы, удерживаемые электростатическими силами (ионная связь).
Свойства: твёрдые, хрупкие, высокие температуры плавления, не проводят электрический ток в твёрдом состоянии, но проводят в расплаве или растворе, многие растворимы в воде.
Примеры: хлорид натрия (NaCl), хлорид калия (KCl), оксид магния (MgO), гидроксид натрия (NaOH).
Температура плавления ионных соединений зависит от зарядов ионов и радиусов: чем выше заряды и меньше радиусы, тем прочнее решётка. Например, MgO (Mg²⁺, O²⁻) плавится при 2852°C, а NaCl (Na⁺, Cl⁻) — при 801°C.
У какого вещества выше температура плавления: NaCl или MgO? Ответ обоснуйте.
Шаг 1. Оба вещества имеют ионную кристаллическую решётку. Шаг 2. В NaCl ионы Na+ и Cl- имеют заряды +1 и -1. В MgO ионы Mg²⁺ и O²⁻ имеют заряды +2 и -2. Ионная связь тем прочнее, чем выше заряды ионов. Шаг 3. Кроме того, радиусы ионов Mg²⁺ и O²⁻ меньше, чем Na+ и Cl-, что также увеличивает силу притяжения. Шаг 4. Вывод: температура плавления MgO выше (2852°C против 801°C).
Металлическая кристаллическая решётка
В узлах металлической решётки находятся положительные ионы металла, а между ними свободно движутся электроны («электронный газ»). Связь — металлическая.
Свойства: высокая электро- и теплопроводность, ковкость, пластичность, металлический блеск, широкий диапазон температур плавления (от низких у щелочных до очень высоких у тугоплавких).
Примеры: все металлы и сплавы: железо, медь, алюминий, натрий, золото.
Зависимость свойств: количество свободных электронов влияет на проводимость; прочность решётки — на твёрдость и температуру плавления. Например, натрий (мягкий, низкая Tпл) имеет слабую металлическую связь, а вольфрам (очень твёрдый, Tпл 3422°C) — прочную.
Почему металлы проводят электрический ток, а ионные кристаллы в твёрдом состоянии — нет?
Шаг 1. В металлах есть свободные электроны, которые могут перемещаться под действием электрического поля — это обеспечивает электропроводность. Шаг 2. В ионных кристаллах ионы закреплены в узлах решётки и не могут двигаться. Свободных электронов нет. Шаг 3. При расплавлении ионного кристалла ионы получают подвижность, и расплав проводит ток. Шаг 4. Вывод: наличие свободных носителей заряда (электронов в металлах, ионов в расплаве) — условие электропроводности.
Зависимость свойств от типа кристаллической решётки
Температура плавления: у атомных и ионных решёток высокая (прочные связи), у молекулярных низкая (слабые межмолекулярные силы), у металлических варьирует.
Твёрдость: атомные решётки (алмаз) — самые твёрдые; ионные — твёрдые, но хрупкие; металлические — от мягких до твёрдых; молекулярные — мягкие.
Электропроводность: металлы — хорошие проводники; графит (атомная решётка со свободными электронами) — проводит; ионные в твёрдом виде — диэлектрики, в расплаве — проводники; молекулярные — диэлектрики.
Растворимость: ионные часто растворимы в воде; молекулярные неполярные — в неполярных растворителях; атомные и металлические практически нерастворимы.
Для ЕГЭ важно уметь по формуле вещества предположить тип решётки: металл → металлическая; соединение металла с неметаллом → ионная; неметалл (кроме алмаза, кремния) → молекулярная; некоторые неметаллы (C, Si) → атомная.
Установите соответствие между веществом и типом его кристаллической решётки: 1) хлорид калия, 2) алмаз, 3) бром, 4) алюминий. А) молекулярная, Б) ионная, В) атомная, Г) металлическая.
Шаг 1. Хлорид калия (KCl) — соединение металла (K) и неметалла (Cl), ионная связь → ионная решётка (Б). Шаг 2. Алмаз — модификация углерода, атомы связаны ковалентно → атомная решётка (В). Шаг 3. Бром (Br₂) — простое вещество неметалл, молекулы Br₂, между ними слабые силы → молекулярная решётка (А). Шаг 4. Алюминий (Al) — металл → металлическая решётка (Г). Ответ: 1-Б, 2-В, 3-А, 4-Г.
Частые вопросы
Без карты, без кредитки. Выбери персонажа — учи голосом, побеждай в баттлах.