Условие задачи

Углекислый газ при нормальном давлении переходит в твёрдое состояние при температуре около -70°С, а речной песок (кремнезём) плавится при температуре около 1700°C. Какие выводы о строении этих веществ в твёрдом состоянии можно сделать?

Решение

Дисциплина: Физическая химия (также можно отнести к физике твердого тела).

Рассмотрим задачу подробно.

1. Для углекислого газа (формула: CO₂):
• При нормальном давлении CO₂ переходит в твердое состояние при температуре около –70°С.
• Такая низкая температура плавления (точнее, сублимации) указывает на то, что частицы (молекулы CO₂) в твердом состоянии соединены слабыми межмолекулярными силами – ван-дер-ваальсовыми силами.
• Твердое тело, где отдельные молекулы связаны именно такими слабыми силами, называется молекулярным кристаллом. При нагреве эти силы легко разрушаются, поэтому температура плавления невысока.

2. Для речного песка (кремнезёма, основная составляющая которого – диоксид кремния, SiO₂):
• Плавление происходит при температуре около 1700°С.
• Высокая температура плавления говорит о том, что атомы в твердом состоянии соединены сильными связями.
• В случае кремнезёма атомы кремния и кислорода образуют гигантскую ковалентную сеть, в которой каждый атом связан с несколькими соседями посредством ковалентных связей.
• Такие соединения называют гигантно-ковалентными структурами, и они требуют большого количества энергии для разрыва связей, что и приводит к очень высокой температуре плавления.

Выводы о строении веществ в твердом состоянии:

– Углекислый газ (CO₂) в твердом состоянии имеет молекулярную кристаллическую структуру. Молекулы CO₂ удерживаются вместе слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, что объясняет относительно низкую температуру плавления (сублимации).

– Кремнезём (SiO₂) имеет гигантную ковалентную структуру, при которой атомы связаны в трехмерную сеть сильными ковалентными связями. Это приводит к очень высокой температуре плавления.

Таким образом, анализ температур плавления позволяет судить о характере химических связей и строении вещества в твердом состоянии: слабосвязанные молекулярные кристаллы имеют невысокие температуры плавления, а вещества с гигантно-ковалентными структурами – высокие.