úvod
Na stole leží kuchynská soľ, kryštálový cukor a kúsok medeného drôtu. Všetky tri sú tuhé, no pri zohrievaní sa každá správa inak. Cukor sa roztopí a zhnedne na karamel už okolo 186 °C. Soľ sa roztopí až pri 801 °C a meď pri 1 085 °C. Meď vedie elektrický prúd, soľ ho vedie len rozpustená vo vode a cukor vôbec. Prečo? Všetky tieto látky tvoria kryštály, ale ich kryštály sú poskladané z rôznych častíc, ktoré drží pokope rôzna väzba. V tejto lekcii spojíš všetko, čo vieš o časticiach a väzbách, a naučíš sa zo stavby látky predpovedať jej vlastnosti.
teória
Kryštalické a amorfné látky
Väčšina tuhých látok má častice usporiadané do pravidelnej siete, ktorá sa opakuje vo všetkých smeroch. Takéto usporiadanie sa volá kryštálová mriežka a látky s ním sú kryštalické látky: soľ, cukor, ľad, kovy aj väčšina hornín. Kryštalická látka má presnú teplotu topenia. Pravidelnú stavbu niekedy prezradí aj tvar: kryštáliky soli sú kocky a snehové vločky majú šesť ramien.
Niektoré tuhé látky však pravidelné usporiadanie nemajú. Ich častice sú poukladané neusporiadane, podobne ako v kvapaline, len sa nepohybujú. Sú to amorfné látky, napríklad sklo, asfalt, kolofónia, ktorou sa natiera sláčik, či karamel. Amorfná látka nemá ostrú teplotu topenia. Pri zohrievaní postupne mäkne, a preto sa sklo dá fúkať a ohýbať. Aj tá istá látka môže byť kryštalická aj amorfná: kryštálový cukor je kryštalický, ale karamel alebo cukrová vata z neho sú amorfné.
teória
Z akých častíc je kryštál
Kryštály sa líšia tým, aké častice sú v nich pravidelne usporiadané:
- kryštály z iónov: kuchynská soľ, vápenec. Katióny a anióny drží pokope iónová väzba, ako vieš z lekcie Iónová väzba,
- kryštály z molekúl: ľad, cukor, jód. Celé molekuly drží pokope slabé medzimolekulové sily z lekcie Medzimolekulové sily,
- kryštály kovov: meď, železo, hliník. Katióny kovu drží pokope more voľných elektrónov, ako opisuje lekcia Kovová a koordinačná väzba.
Druh častíc a väzby určuje vlastnosti látky. Porovnaj tri látky z kuchyne a dielne:
| vlastnosť | soľ (z iónov) | cukor (z molekúl) | meď (kov) |
|---|---|---|---|
| teplota topenia | 801 °C | asi 186 °C, potom sa rozkladá | 1 085 °C |
| rozpustnosť vo vode | dobre rozpustná | dobre rozpustný | nerozpustná |
| vedie prúd ako tuhá látka | nie | nie | áno |
| vedie prúd rozpustená alebo roztavená | áno | nie | áno (roztavená) |
| pri údere | rozbije sa | rozbije sa | ohne sa |
vyskúšaj si
Aký kryštál tvorí látka?
Z akých častíc je kryštál? Ióny tvoria iónový kryštál, molekuly molekulový, katióny kovu s voľnými elektrónmi kovový. Na SŠ pribudnú atómové kryštály, v ktorých sú všetky atómy pospájané kovalentnými väzbami.
0 / 0Roztrieď látky do troch skupín podľa toho, z akých častíc je ich kryštál. Pomôže ti otázka: je látka zlúčenina kovu s nekovom (ióny), kov (katióny a elektróny), alebo látka z molekúl? Pozor na ľad, ten je z molekúl, a na vápenec, ktorý má viacatómový anión, no stále je iónový.
teória
Diamant a grafit
Diamant a grafit sú zložené z rovnakých atómov uhlíka, a predsa sa nemôžu viac líšiť. Rôzne podoby toho istého prvku sa volajú alotropické modifikácie, ako vieš z lekcie Uhlík.
V diamante je každý atóm uhlíka viazaný kovalentnými väzbami so štyrmi susedmi a tie zase s ďalšími, takže celý kryštál je jedna obrovská sieť. Diamant je najtvrdšia prírodná látka, je priehľadný a nevedie prúd. V grafite (tuhe) tvoria atómy uhlíka ploché vrstvy zo šesťuholníkov a každý atóm má len troch susedov. Vrstvy sú k sebe pripútané len slabými silami, a tak sa po sebe kĺžu. Preto grafit v ceruzke zanecháva na papieri stopu a dá sa použiť ako mazivo. Štvrtý valenčný elektrón každého atómu sa môže pohybovať pozdĺž vrstvy, a tak grafit vedie prúd, hoci je nekov.
Štyri typy kryštálov
Na strednej škole sa rozlišujú štyri typy kryštálov podľa toho, čo je v uzloch kryštálovej mriežky a aká väzba alebo sila ich drží:
| typ kryštálu | častice v uzloch | čo ich drží | typické vlastnosti | príklady |
|---|---|---|---|---|
| iónový | katióny a anióny | iónová väzba | tvrdý, krehký, vysoká teplota topenia, vedie len roztavený alebo rozpustený | NaCl, CaF₂, MgO |
| atómový (kovalentný) | atómy | kovalentné väzby v celom kryštáli | veľmi tvrdý, veľmi vysoká teplota topenia, väčšinou nevedie | diamant, kremeň SiO₂, kremík Si, karbid kremíka SiC |
| molekulový | molekuly | medzimolekulové sily | mäkký, nízka teplota topenia, často sublimuje, nevedie | jód I₂, ľad, suchý ľad CO₂, sacharóza |
| kovový | katióny kovu a voľné elektróny | kovová väzba | vedie prúd a teplo, lesklý, kujný | Cu, Fe, Al |
Staršie lekcie hovoria o atómovom kryštáli aj ako o kovalentnej sieti. Kremeň SiO₂ sa topí pri asi 1 700 °C, kým oxid uhličitý CO₂ je pri izbovej teplote plyn: kremík netvorí s kyslíkom dvojité väzby a vzniká sieť, uhlík tvorí malé molekuly O=C=O. Suchý ľad, tuhý CO₂, je molekulový kryštál, ktorý pri −78,5 °C sublimuje. Grafit je zvláštny prípad: vo vrstvách je atómovým kryštálom, medzi vrstvami pôsobia slabé sily ako v molekulovom kryštáli a pohyblivé elektróny mu dávajú vodivosť ako kovu.
Zo stavby sa dajú vlastnosti predpovedať. Látka, ktorá sa topí nízko, sublimuje a nevedie prúd, bude najskôr molekulová. Tvrdá látka s vysokou teplotou topenia, ktorá vedie prúd len v roztoku, bude iónová. Kremík a jeho zlúčeniny opisuje lekcia Kremík, kovy a polokovy lekcia Kovy, nekovy a polokovy a súvislosť skupenstva s typom látky lekcia Skupenstvo a hustota.
V sade Roztrieď pre SŠ pribudne štvrtá skupina, atómové kryštály, a ďalšie látky ako dusičnan amónny bez kovu, ktorý je predsa iónový, alebo grafit.
teória
Kryštály okolo nás
Kryštály si môžeš vypestovať aj doma, napríklad z nasýteného roztoku soli alebo modrej skalice, ako opisuje lekcia Rozpustnosť a nasýtený roztok. Krásne kryštály kovu vznikajú v pokuse Kryštály bizmutu, kryštalizácia v sekunde v pokuse Horúci ľad a striebro sa z roztoku vylučuje ako stromček v pokuse Strieborný strom. Pozor na pokus Chemická záhradka: jeho „rastliny“ nie sú kryštály, ale tenké blany z kremičitanov, ktoré rastú osmózou.
Slovensko má aj prírodné kryštálové divy. V Ochtinskej aragonitovej jaskyni rastú biele ihlice a vetvičky aragonitu, ktorý má rovnaké zloženie ako vápenec CaCO₃, ale inú kryštálovú mriežku, ako opisuje lekcia Horčík a vápnik. Drahý opál z Dubníka pri Prešove je naopak amorfný: je to stuhnutý gél oxidu kremičitého s vodou a jeho dúhové farby vznikajú na pravidelne uložených drobných guľôčkach. V Dobšinskej ľadovej jaskyni je ľadový kryštál starý stovky rokov.
rozšírenie Kvapalné kryštály v displeji
V roku 1888 skúmal rakúsky botanik Friedrich Reinitzer v Prahe látku získanú z mrkvy, benzoát cholesterolu. Zistil, že má dve teploty topenia: pri 145 °C sa roztopí na zakalenú kvapalinu a až pri 179 °C sa kvapalina vyčíri. Medzi týmito teplotami bola látka zvláštnym stavom medzi kryštálom a kvapalinou. Molekuly sa v nej mohli pohybovať ako v kvapaline, ale zostávali natočené rovnakým smerom ako v kryštáli. Takéto látky dostali názov kvapalné kryštály.
Dlhé desaťročia boli len zaujímavosťou. Dnes sú v každom displeji LCD, v hodinkách, kalkulačkách, monitoroch aj starších televízoroch. Tenká vrstva kvapalného kryštálu je medzi dvoma polarizačnými filtrami. Keď na ňu pustíš elektrické napätie, molekuly sa natočia inak a vrstva prestane alebo začne prepúšťať svetlo. Každý bod obrazu, pixel, má takú malú bunku, ktorú riadi elektronika. Látka z mrkvy tak po sto rokoch zmenila, ako sa pozeráme na svet.
teória
Časté chyby
- „Každá tuhá látka je kryštál.“ Sklo, asfalt či karamel sú amorfné: nemajú pravidelné usporiadanie častíc ani ostrú teplotu topenia.
- „Molekulové látky sa topia ľahko, lebo majú slabé väzby.“ Väzby vnútri molekúl sú pevné. Slabé sú sily medzi molekulami a len tie sa pri topení prekonávajú.
- „Najtvrdší znamená nerozbitný.“ Diamant je najtvrdší, teda sa najťažšie poškriabe, ale je krehký a pri údere sa môže rozštiepiť.
- „Kremeň SiO₂ je molekulová látka ako CO₂.“ Kremeň je atómový kryštál, sieť kovalentných väzieb. Preto je tvrdý a topí sa pri asi 1 700 °C.
- „Grafit vedie prúd, takže je to kov.“ Grafit je nekov. Vedie prúd vďaka pohyblivým elektrónom vo vrstvách, ale nie je kujný ani lesklý ako kov.
Celú kapitolu si overíš v poslednej lekcii Precvičovanie: test z atómu a chemickej väzby.