4.2.4. Агрегатное состояние вещества с позиций теории химической связи. Химическое строение твердого тела

В зависимости от условий вещества могут находиться в разных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном.

В газообразном состоянии кинетическая энергия движения молекул велика по сравнению с энергией притяжения между ними. Поэтому в газах существует большая доля свободного объема, и молекулы практически не взаимодействуют друг с другом. Структура вещества в газообразном состоянии не упорядочена.

Конденсированные состояния вещества – твердое и жидкое – характеризуются небольшой долей свободного объема. Различие между жидкостями и твердыми веществами определяется, главным образом, степенью их внутренней упорядоченности. В жидкости молекулы свободно перемещаются в пространстве, хотя и находятся достаточно близко друг к другу. Так как расстояния между частицами значительно меньше, чем в газах, между ними возникают Ванн-дер-Ваальсовы взаимодействия. В большинстве жидкостей наблюдается ближний порядок – число ближайших соседей у каждой молекулы и их взаимное расположение приблизительно одинаковы во всем объеме данной жидкости. Движение каждой отдельной молекулы в основном определяется влиянием ее ближних соседей.

Большинство химических элементов при обычных температурах являются твердыми. Твердые вещества могут находиться в аморфном или кристаллическом состояниях.Аморфныетвердые тела не имеют упорядоченной структуры, подобно жидкостям у них наблюдается ближний порядок. В то же время аморфные твердые тела обладают механическими свойствами, сходнымисо свойствами кристаллов. Большинство твердых тел находится в кристаллическом состоянии, которое характеризуется дальним порядком, т. е. трехмерной периодичностью структуры по всему объему твердого тела. Такая структура называется кристаллической решеткой. При этом у большинства простых веществ наблюдается аллотропия – способность элемента существовать в различных формах (модификациях).

По характеру химической связи кристаллы делятся на молекулярные, ковалентные, ионные и металлические. В узлах молекулярных решеток находятся молекулы (Н₂, Сl₂, Br₂ и др.). Они связаны друг с другом межмолекулярными силами. К веществам с молекулярной решеткой принадлежат неметаллы (за исключением углерода и кремния), все органические соединения с неионной связью и многие неорганические соединения. Силы межмолекулярного взаимодействия слабее сил ковалентной связи, поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую твердость, легкоплавки и летучи.

В узлах атомных решеток находятся атомы, связанные между собой ковалентной связью. Веществ с атомной решеткой немного. К ним принадлежат, например, алмаз, кремний, германий и некоторые неорганические соединения. Эти вещества отличает высокая твердость, тугоплавкость, практическая нерастворимость в каких-либо растворителях. Такие их свойства обусловлены прочностью ковалентной связи.

В узлах ионных решеток располагаются, чередуясь, положительно и отрицательно заряженные ионы. Они связаны друг с другом силами электростатического притяжения. По прочности ионные решетки уступают атомным, но превышают молекулярные. Ионной решеткой обладают большинство солей и небольшое число оксидов. Ионные кристаллы имеют высокие температуры плавления, очень твердые, но хрупкие.

В узлах металлических решеток находятся катионы металла, между которыми свободно движутся общие для них электроны.

Молекулярные и атомные решетки присущи веществам с ковалентной связью, ионные – ионным соединениям, металлические – металлам и их сплавам.