Длина связи Si-O примерно 2 Å. Возьмем мельчайшую песчинку, еле видную в микроскоп, размером 2 мкм (2*10-6 м). По ее длине помещается 2*10-6 м/2*10-10 м = 104 атомов. По ширине и по высоте - примерно столько же, значит, в объеме - порядка 1012 атомов. А в более крупном куске, например, в оконном стекле, порядка 1026 атомов! И все они химически связаны. Ни один атом, ни одну “молекулу” нельзя оторвать, не нарушив прочных связей Si-O. Отсюда и следует высокая устойчивость кремнезема и стекла к нагреванию (высокая т. пл.), к механическому воздействию (твердость) и к химическим воздействиям (низкая активность, низкая растворимость, малая скорость реакций).
Деления веществ на молекулярные и немолекулярные недостаточно. Более содержательно деление по связности. Вспомните различие в свойствах алмаза и графита. И то, и другое – углерод, но одно из них – самое твердое, а другое – очень мягкое, используется как смазка. Почему? Оба вещества – немолекулярные. Может быть, в алмазе ковалентная связь прочнее? Нет, отдельная связь С-С в графите короче и прочнее, чем в алмазе. В чем же разница? В связности (модели). В структуре графита прочные связи есть только в двух измерениях, а в третьем межатомные расстояния очень большие, значит прочной связи нет. По этим слоям графит легко раскалывается и скользит. Посмотрим на кристалл слюды. Какие выводы о расположении прочных связей следуют из его формы и способности расслаиваться?
Связность D (или пространственная размерность) структуры - это число измерений пространства, в которых непрерывна (практически бесконечна) система прочных связей (остов). Очевидно, что D может принимать значения 0, 1, 2 и 3. Соответственно нужно различать островные (молекулярные), цепочечные, слоистые и трехмерно-связные структуры. Не советую употреблять термин координационные структуры, т. к. в разных местах в него вкладывают разный смысл.
Во многих учебниках понятие «немолекулярное вещество» подменяется понятием «кристаллическое вещество». Это грубая ошибка. Эти понятия совершенно разные. Слово «кристаллическое» значит, что строение периодически повторяется в пространстве. А повторяться может и молекула, и немолекулярная структура. Все молекулярные вещества при низкой температуре - кристаллические. Кроме того, немолекулярные вещества не обязательно кристаллические. Они часто бывают аморфными, то есть непериодическими. Примеры:
| кристаллические | аморфные | |
| молекулярные | лед, сахар, аспирин, сера… | воски, смолы |
| немолекулярные | металлы, соли, кварц, алмаз… | плавленый кварц и др. стекла, гели |
Поэтому не надо в теме «немолекулярные вещества» привлекать понятия «кристаллическая решетка», «узлы» и т.д. В учебниках неорганической химии эти термины обычно используются неграмотно, они пока и не нужны. Еще одно распространенное недоразумение: говорят, будто принципы валентности применимы к молекулам, но неприменимы к веществам с атомными решетками. Фактически же характер связи зависит от электронной структуры взаимодействующих атомов, а не от решетки. Среди молекулярных веществ есть много таких, которые необъяснимы на основе традиционной валентности (например, В2Н6), а среди немолекулярных, имеющих «атомные решетки», многие подчиняются валентности (SiO2). Поэтому нет нужды выделять какое-то особое «кристаллохимическое строение», отличающееся от химического (Угай). Принципы химической связи и координации едины для молекулярных и немолекулярных, кристаллических и аморфных веществ.
СМЫСЛ Химических формул. Формулы молекулярных веществ показывают истинное число атомов в молекуле. У немолекулярных веществ число химически связанных атомов неопределённо велико, и в учебниках химии по традиции его даже не пытаются отразить, то есть заменяют истинную формулу на простейшую, которая отражает только состав (соотношение элементов), но не строение. Это вводит в заблуждение. Читателю приходится сравнивать вещества с похожими формулами: СО2 и SiO2, Н2CO3 и Н2SiO3, не видя главного различия между ними: молекулы СО2 реально существуют, а молекул SiO2 при обычных условиях не бывает.
Можно записать с учетом полимерности так: Si nO2n, где n®¥. Но все равно не видны КЧ. Двойка – это не КЧ кремния, а отношение КЧ. Их можно показать в записи SiO4/2. Здесь 4 - это КЧ кремния (тетраэдр SiO4), 2 в знаменателе показывает, что каждый атом О принадлежит данному атому кремния не полностью, а наполовину, т.к. у него КЧ 2. Отношение этих КЧ даёт соотношение элементов в веществе. Аналогично можно записать NaCl6/6и т.п. (заполните таблицу с КЧ выше). Если атомы одного элемента имеют разные КЧ, каждый из них записывается отдельно. Чтобы отразить связность, остов заключают в квадратные скобки и снаружи ставят значок бесконечности с цифрой, равной D. Например, диоксид кремния изображается [SiO4/2]3¥. Эта формула гораздо содержательнее, но все же и она не показывает структуры. У кремнезема известно около десятка кристаллических разновидностей и бесчисленное множество аморфных, и почти все они описываются этой формулой. Чтобы понять их различия, нужны объемные модели.
Таким образом, связность структуры - это очень важная её характеристика. При сопоставлении и прогнозе физико-химических свойств разных веществ нужно прежде всего разобраться, записана истинная или простейшая формула, обратить внимание на связность, а уже потом обсуждать природу и прочность отдельных связей. Авторы, не обращающие внимания на связность, считают само собой разумеющимся, что все вещества состоят из молекул, т.е. игнорируют случаи d = 1, 2, 3. Из учебников неорганической химии для 1 курса наибольшее (но всё же недостаточное) внимание связности уделено у Ахметова, наименьшее – у Карапетьянца.
Моль – это 6,02*1023 структурных единиц. У молекулярных веществ эти частицы обособлены по своей природе, молярная масса М измеряется на опыте однозначно. У немолекулярных веществ структурную единицу можно выбрать по-разному, поэтому моль и молярная масса – понятия условные. Они зависят от способа записи формулы. Например, формулу натриевого полевого шпата записывают либо NaAlSi3O8, либо Na2O*Al2O3*6SiO2 º Na2Al2Si6O16. Во втором случае М вдвое больше. Какая правильнее? Обе условны. Ведь мы не можем их измерить на опыте. Это немолекулярное вещество нельзя испарить или растворить, не нарушив его химического строения. Поэтому в таких случаях часто говорят «формульная масса». Но для расчетов масс по химическим уравнениям одинаково пригодны обе величины М.
6. Комментариев не требует.
7. Различие между химическими и физическими явлениями можно попытаться проследить по энергетическим эффектам процессов. Вот несколько примеров, связанных с молекулярными веществами.
| Процесс | Эффект (DН), кДж/моль | Пояснения | Наука |
| Н2(ж) ® Н2(г) | 0,9 | преодолевается очень слабое межмолекулярное притяжение | мол. Физика |
| Н2О(ж) ® Н2О (г) | 41 | рвутся межмолекулярные водородные связи | ? |
| 2Н2О(ж)® Н3О+ (ж) + ОН-(ж) | 56 | рвутся одни ковалентные связи, образуются другие | Химия |
| Н2О(ж) ® Н2(г) +1/2 O2 | 256 | то же | Химия |
| Н2(г) ® 2H(г) | 430 | рвутся ковалентные связи | Химия |
| О2(г) ® 2О(г) | 500 | рвутся ковалентные связи | Химия |
| О2(г) ® О2+(г) + е | 1200 | разрушается электронная оболочка молекул | ? |
| О ® О6+ + 6е | 4*104 | разрушается электронная оболочка атомов | ат. Физика |
| 147N + 42He ® 178O + 11H | -3*1015 | изменяются ядра элементов | яд. Физика |
Вопросом помечены пограничные явления, которые можно отнести и к физике, и к химии. Если не считать водородные связи «настоящими» химическими связями, то кипение воды – физический процесс, а если считать – то химический.