Кстати, для передачи любой информации в принципе достаточно всего двух знаков: 0 и 1 (или точки и тире); так действуют и азбука Морзе, и любой компьютер. Вот так и природа из ограниченного числа элементов, соединённых друг с другом в разном количестве и в разном порядке, создала самые разнообразные вещества.
В химии, как и в других естественных науках, а также в математике, большую роль играет классификация веществ (хотя, как уже отмечалось, чётких границ между разными классами, между разными явлениями в химии обычно нет). Вещества можно классифицировать по их внутреннему устройству.
Физики делят все вещества на твёрдые, жидкие и газообразные. Все газообразные вещества устроены одинаково.
Много общего и у разных жидких веществ. А вот среди твёрдых веществ разнообразия гораздо больше.
Все их можно разделить на два класса — аморфные и кристаллические. В аморфных веществах (слово «аморфный» происходит от греч.
amorphos — «не имеющий формы», «бесформенный») нет чёткого порядка в расположении атомов (или молекул, если вещество имеет молекулярное строение) в пространстве.
В этом отношении они отчасти похожи на жидкости, только твёрдые. Аморфные вещества не образуют кристаллов, имеющих определённую форму.
Примером аморфного вещества могут служить обычное стекло, многие полимеры.
Если охлаждать глицерин, он тоже застынет в прозрачную массу, молекулы в которой расположены в беспорядке, хаотично. Это — аморфное твёрдое вещество.
Намного разнообразнее вещества кристаллические.
Атомы (молекулы) в них расположены в строгом порядке.
Поэтому эти вещества при благоприятных условиях могут образовать красивые кристаллы. Чаще всего мы видим кристаллы воды.
Когда вода замерзает, образуются узоры льда на стекле или на асфальте, в воздухе появляются снежинки, построенные из крошечных кристалликов льда.
После появления электронной теории строения вещества и новых методов их исследования стало понятно, как устроены кристаллы. Их можно подразделить на четыре основных типа.
К первому относятся ионные кристаллы, например поваренная соль. Катионы и анионы в таких кристаллах образуют ионную кристаллическую решётку.
В поваренной соли (хлориде натрия NaCl) катионы натрия и анионы хлора размещаются в пространстве одинаково, образуя простую кубическую решётку. В большинстве кристаллов других ионных веществ, например СаС12, катионы образуют решётку одной формы, а анионы — другой, причём одна решётка как бы встроена в другую.
Кристаллические решётки бывают очень сложные, закономерностями их строения и связью между строением решётки и свойствами вещества занимается наука кристаллохимия.
Притяжение между катионами и анионами в ионных кристаллах довольно сильное, поэтому ионные кристаллы обычно твёрдые, их трудно расплавить.
Например, температура плавления хлорида натрия 801 °С, фторида кальция — 1810 С, а оксида кальция СаО — 2627 °С! Ко второму типу относятся кристаллы, построенные из молекул, — почти все органические вещества.
В молекулах таких веществ атомы связаны друг с другом более или менее прочной ковалентной связью.
А вот между молекулами связь, как правило, очень слабая, и чем атомы, из которых построена молекула, и сама молекула меньше, тем обычно слабее силы притяжения между молекулами. При комнатной температуре энергия теплового движения часто бывает больше, чем энергия, с которой молекулы притягиваются друг к другу.
Поэтому многие вещества молекулярного строения при обычных условиях — газы: хлор С12, углекислый газ СО2, метан СН4, этилен С2Н4 и др. Чтобы такие молекулы образовали кристалл, нужно уменьшить тепловую энергию, то есть понизить температуру. Поэтому хлор образует кристаллы только при температуре ниже -101 °С, метан — ниже -182,5 °С, азот (его молекулы среди перечисленных самые маленькие) — ниже -196 °С и т. д. Связь между молекулами воды более прочная, поэтому вода замерзает при температуре ниже нуля по Цельсию.
Молекулы йода 12 большие, поэтому йод образует кристаллы, которые плавятся при температуре выше комнатной, но всё же не очень высокой (113 °С). Молекулярные кристаллы, в отличие от ионных, не очень твёрдые. Например, кристаллики сахара намного легче растереть в очень тонкий порошок (сахарную пудру), чем кристаллы соли.
И температура плавления, и твёрдость молекулярных кристаллов зависят от силы сцепления между молекулами в них. А эта сила зависит также от формы молекул.
И это понятно: если молекулы имеют сложную, неправильную форму, контакты между соседними молекулами будут ослаблены. Вот наглядный пример.
Бензол и толуол — близкие родственники. Но молекулы бензола С6Н6 очень симметричные, они имеют форму правильного шестиугольника, составленного из атомов углерода, к каждому из которых присоединён атом водорода.
При охлаждении бензола молекулы довольно легко упаковываются в кристалл, при этом они хорошо соприкасаются друг с другом.
Бензол кристаллизуется при охлаждении ниже +5,5 °С. Молекула толуола С7Н8 также построена из правильных шестиугольников, но к одному из атомов углерода присоединён вместо атома водорода ещё один атом С, соединённый с тремя атомами водорода: С6Н5-СН3. Поэтому молекулы толуола несимметричные, им трудно хорошо упаковаться. В результате при охлаждении толуол начинает кристаллизоваться только ниже -95 °С! А при очень быстром охлаждении молекулы вообще могут не успеть выстроиться в упорядоченный кристалл, и получится аморфный твёрдый толуол.
Молекулы глицерина С3Н803 имеют несимметричную форму, поэтому нужно очень сильно постараться, чтобы при охлаждении глицерин образовал кристаллы (они плавятся при температуре +19,9 °С). Третий тип — это кристаллы с так называемой атомной решёткой. Ковалентная связь может связывать атомы не только в молекулах.
Например, в алмазе, который построен только из атомов углерода, атомы связаны ковалентными связями. Однако никаких отдельных молекул в кристалле алмаза нет. Как же он устроен?
У атома углерода на валентной оболочке находятся четыре электрона, поэтому он может образовать ковалентную связь с четырьмя соседними атомами. Каждый из соседних атомов также связан с четырьмя атомами углерода.