Најважније из лекције
Кристалне vs. Аморфне супстанце: Кристалне имају правилан просторни распоред честица (со, дијамант, лед), док аморфне немају дефинисан дугодосежни ред (скроб, какао).
Зависност својстава од веза:
• Молекулски кристали (лед, \(\text{I}_2\), шећер) \(\to\) слабе међумолекулске силе \(\to\) меке, ниска \(T_{\text{т}}\), изолатори.
• Јонски кристали (\(\text{NaCl}\), \(\text{KCl}\)) \(\to\) јака јонска веза \(\to\) тврди, висока \(T_{\text{т}}\), проводе струју само у течном стању/раствору.
• Метални кристали (\(\text{Ag}\), \(\text{Cu}\)) \(\to\) метална веза \(\to\) проводници струје и топлоте, углавном висока \(T_{\text{т}}\).
• Ковалентни атомски кристали (дијамант) \(\to\) просторна мрежа ковалентних веза \(\to\) изузетно тврди, веома висока \(T_{\text{т}}\). Графит је слојевит, мек и проводи струју због специфичне равнинске структуре.
Сублимација: Директан прелазак из чврстог у гасовито стање (нпр. јод) при чему се раскидају само међумолекулске силе.
Зависност својстава од веза:
• Молекулски кристали (лед, \(\text{I}_2\), шећер) \(\to\) слабе међумолекулске силе \(\to\) меке, ниска \(T_{\text{т}}\), изолатори.
• Јонски кристали (\(\text{NaCl}\), \(\text{KCl}\)) \(\to\) јака јонска веза \(\to\) тврди, висока \(T_{\text{т}}\), проводе струју само у течном стању/раствору.
• Метални кристали (\(\text{Ag}\), \(\text{Cu}\)) \(\to\) метална веза \(\to\) проводници струје и топлоте, углавном висока \(T_{\text{т}}\).
• Ковалентни атомски кристали (дијамант) \(\to\) просторна мрежа ковалентних веза \(\to\) изузетно тврди, веома висока \(T_{\text{т}}\). Графит је слојевит, мек и проводи струју због специфичне равнинске структуре.
Сублимација: Директан прелазак из чврстог у гасовито стање (нпр. јод) при чему се раскидају само међумолекулске силе.
Кристалне супстанце су чврсте супстанце чије су честице (атоми, молекули или јони) правилно и периодично распоређене у простору, градећи кристалну решетку.
Аморфне супстанце су супстанце чврстог агрегатног стања које немају правилан унутрашњи просторни распоред честица. Најчешће се јављају као прашкасте материје.
Примери аморфних супстанци: скроб, какао, аморфни сумпор.
Примери кристалних супстанци: кухињска со (\(\text{NaCl}\)), дијамант, лед (\(\text{H}_2\text{O}\)), сребро (\(\text{Ag}\)).
Примери кристалних супстанци: кухињска со (\(\text{NaCl}\)), дијамант, лед (\(\text{H}_2\text{O}\)), сребро (\(\text{Ag}\)).
Да ли су шећер у кристалу и скроб у праху исте структурне грађе? Објасните разлику.
Нису. Шећер (сахароза) је кристална супстанца са правилним распоредом молекула у кристалној решетки, док је скроб аморфна супстанца са неуређеном структуром честица.
Својства чврстих кристалних супстанци зависе од природе честица које се налазе у чворовима кристалне решетке и јачине хемијских веза односно међумолекулских интеракција међу њима.
| Тип кристалне супстанце | Честице у чворовима | Врста везе / интеракције | Примери |
|---|---|---|---|
| Јонске | Катјони и анјони (јони) | Јонска веза | \(\text{NaCl}\), \(\text{KCl}\), \(\text{Na}_2\text{SO}_4\) |
| Металне | Атоми метала / катјони | Метална веза | \(\text{Fe}\), \(\text{Cu}\), \(\text{Ag}\), \(\text{Au}\) |
| Молекулске | Молекули | Међумолекулске интеракције (водоничне везе, Ван дер Валсове силе) | Лед (\(\text{H}_2\text{O}\)), јод (\(\text{I}_2\)), сумпор (\(\text{S}_8\)), глукоза (\(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6\)) |
| Ковалентне („џиновске”) | Атоми неметала | Ковалентне везе у целој решетки | Дијамант (\(\text{C}\)), графит (\(\text{C}\)) |
Одреди које честице изграђују кристалне решетке следећих супстанци: калијум-хлорид (\(\text{KCl}\)), сумпор (\(\text{S}_8\)) и сребро (\(\text{Ag}\)).
- \(\text{KCl}\) – јони (\(\text{K}^+\) и \(\text{Cl}^-\));
- \(\text{S}_8\) – молекули сумпора;
- \(\text{Ag}\) – атоми метала сребра.
Код молекулских кристала унутар самих молекула владају јаке ковалентне везе, док се између различитих молекула налазе релативно слабе међумолекулске интеракције. Због тога ове супстанце имају ниске температуре топљења и меке су.
У кристалној решетки леда молекули воде (\(\text{H}_2\text{O}\)) повезани су водоничним везама у правилан тетраедарски распоред. Овакав просторни распоред молекула даје карактеристичан облик снежним пахуљама.
Молекули јода (\(\text{I}_2\)) у кристалу држе се на окупу веома слабим Ван дер Валсовим силама. При загревању лако долази до сублимовања (директног преласка из чврстог у гасовито стање). Раскидају се само слабе међумолекулске силе, док ковалентне везе унутар молекула остају очуване.
Паре јода су љубичасте боје и веома отровне! Оглед сублимације јода мора се обавезно изводити у дигестору.
Шта се дешава са хемијским везама приликом сублимовања јода?
При сублимовању јода савладавају се и раскидају само слабе међумолекулске интеракције између молекула, док ковалентна неполарна веза између два атома јода унутар молекула \(\text{I}_2\) остаје непромењена.
Када су сви атоми повезани ковалентним везама у правилне непрекидне просторне структуре („џиновске” молекуле), својства супстанце су диктирана изузетном јачином тих ковалентних веза.
Дијамант:
- Сваки атом угљеника гради четири чврсте \(\sigma\)-ковалентне везе са суседним атомима у правилном тетраедарском распореду.
- Својства: Најтврђа природна супстанца, изузетно високе температуре топљења, не проводи електричну струју (изолатор).
Графит:
- Атоми угљеника у истој равни чине шестоугаоне слојеве (ковалентно повезане „плоче”). Између различитих слојева постоје врло слабе Ван дер Валсове силе.
- Својства: Слојеви лако клизе један преко другог, због чега је графит мек, крт и оставља траг на папиру. Због слободних електрона у равнима, графит проводи електричну струју.
Иако су и дијамант и графит изграђени искључиво од атома истог елемента (угљеника), зашто дијамант спада у најтврђе супстанце, а графит је мек и оставља траг?
Разлика је у њиховој кристалној структури. Код дијаманта сви атоми угљеника повезани су јаким \(\sigma\)-ковалентним везама у тродимензионалну тетраедарску мрежу. Код графита постоји слојевита (дводимензионална) структура где се слојеви међусобно привлаче слабим Ван дер Валсовим силама, па се слојеви лако одвајају и клизе један преко другог.
Температура топљења је температура на којој супстанца прелази из чврстог у течно агрегатно стање. Она директно зависи од јачине веза и интеракција које држе честице у чврстом стању.
При променама агрегатног стања мења се растојање и јачина интеракција између честица:
- Топљење, испаравање, сублимовање: Доводи до удаљавања честица и слабљења/раскидања веза (јонских веза код јонских супстанци, металних веза код метала, међумолекулских интеракција код молекулских супстанци).
- Очвршћавање, кондензовање, десублимовање: Доводи до приближавања честица и успостављања међучестичних интеракција.
| Врста доминантне везе/интеракције | Температура топљења | Тврдоћа | Електрична проводљивост |
|---|---|---|---|
| Међумолекулске интеракције | Ниске | Меке | Не проводе |
| Ковалентне везе („џиновске”) | Високе | Веома тврде (дијамант) | Не проводе (изузетак: графит) |
| Металне везе | Углавном високе | Углавном тврде | Добри проводници струје |
| Јонске везе | Високе | Тврде (али крте) | Проводе само у растопу (течном стању) или раствору |
Зашто натријум-хлорид у чврстом стању не проводи електричну струју, а у растопљеном стању проводи?
У чврстом стању јони \(\text{Na}^+\) и \(\text{Cl}^-\) су чврсто везани на тачно одређеним местима у кристалној решетки и нису покретљиви. При топљењу се јонска решетка разграђује, јони постају покретљиви и могу да преносе електрично наелектрисање.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Разврстајте следеће супстанце на кристалне и аморфне: кухињска со, какао, дијамант, скроб, лед.
- Кристалне супстанце: кухињска со, дијамант, лед.
- Аморфне супстанце: какао, скроб.
Задатак 2 (средњи): За сваку од наведених супстанци одредите врсту честица у кристалу (атоми, молекули или јони) и очекивану вредност температуре топљења (висока или ниска):
а) Глукоза (\(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6\))
б) Калијум-хлорид (\(\text{KCl}\))
в) Бакар (\(\text{Cu}\))
а) Глукоза (\(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6\))
б) Калијум-хлорид (\(\text{KCl}\))
в) Бакар (\(\text{Cu}\))
- Глукоза: Честице су молекули; температура топљења је ниска (јер су везе међу молекулима слабе).
- Калијум-хлорид: Честице су јони (\(\text{K}^+\), \(\text{Cl}^-\)); температура топљења је висока (јака јонска веза).
- Бакар: Честице су атоми/јони метала; температура топљења је висока (јака метална веза).
Задатак 3 (средњи): Која врста веза или интеракција се раскида (слаби) при следећим процесима:
а) Топљење леда
б) Топљење дијаманта
в) Топљење натријум-хлорида
а) Топљење леда
б) Топљење дијаманта
в) Топљење натријум-хлорида
- Топљење леда: Раскидају се/слабе водоничне везе (међумолекулске интеракције).
- Топљење дијаманта: Раскидају се врло јаке ковалентне везе између атома угљеника.
- Топљење натријум-хлорида: Раскидају се/слабе јонске везе између катјона натријума и анјона хлора.
Задатак 4 (тежак): Дата су три бела чврста узорка непознатих супстанци \(A\), \(B\) и \(C\).
- Супстанца \(A\) се топи на \(801\,^\circ\text{C}\), њено чврсто тело не проводи струју, али њен растоп проводи струју.
- Супстанца \(B\) се топи на \(186\,^\circ\text{C}\), не проводи струју ни као чврста ни у раствору.
- Супстанца \(C\) се не топи испод \(3500\,^\circ\text{C}\), изузетно је тврда и не проводи електричну струју.
- Супстанца \(A\) има јонску кристалну решетку: Висока температура топљења и проводљивост искључиво у течном стању (растопу) карактеристични су за јонске кристале (нпр. \(\text{NaCl}\)).
- Супстанца \(B\) има молекулску кристалну решетку: Ниска температура топљења и потпуно одсуство проводљивости указују на молекуле повезане слабим међумолекулским силама (нпр. сахароза).
- Супстанца \(C\) има ковалентну атомску („џиновску”) решетку: Екстремно висока температура топљења, огромна тврдоћа и својство изолатора карактеришу ковалентне кристале попут дијаманта.
