Кратко и по делу — как строение ковалентной и ионной решётки диктует твердость, проводимость и растворимость на примерах графита, алмаза и NaCl.
Общие принципы
- Ковалентная сетка: направленные сильные ковалентные связи; свойства зависят от размерности сети (3D vs 2D).
- Ионная сеть: ненаправленные электростатические взаимодействия между ионами; свойства определяются энергией решётки $U_{\text{lat}}$, приближённо масштабируемой как Coulomb: $$U_{\text{lat}}\sim \frac{Z^{+}{Z}^{-}{e}^2}{4\pi {\epsilon }_{0}r}$$ где $r$ — расстояние между ионами. Большая $U_{\text{lat}}$ → высокая температура плавления и малая растворимость (если гидратационная энергия не перекрывает её).
Твердость
- Алмаз (ковалентная 3D): каждый C — sp${}^3$, координационное число $4$, трёхмерная жёсткая сеть. Результат: очень высокая твёрдость (Мощь по Моосу ≈ $10$). Причина — требуется разрывать множество направленных σ‑связей одновременно.
- Графит (ковалентная 2D): слои из sp${}^2$-углерода с сильными внутрислоевыми σ‑связями и делокализованной π‑сетью; слои удерживаются слабыми ван‑дер‑Ваальсовыми силами (межслойное расстояние ≈ $3.35\text{A˚}$). Результат: мягкий, легко шелушится (анизотропная твёрдость).
- NaCl (ионная): ионы связаны сильными электростатическими силами, координационное число $6$. Решётка прочная, но при приложении сдвигового напряжения одноимённые ионы сближаются и отталкиваются → хрупкость/растрескивание (хрупкость, не вязкость). Твердость умеренная (по Моосу ≈ $2.5$).
Электропроводность
- Алмаз: полностью занятые валентные уровни, широкий запрещённый промежуток ($E_g\approx$ $5.5\text{eV}$), нет свободных носителей → электрически изолятор при нормальных условиях.
- Графит: делокализованные π‑электроны дают подвижные носители вдоль плоскостей → хорошая проводимость в плоскости, плохая между слоями (анизотропная проводимость).
- NaCl: в твёрдом состоянии ионы фиксированы в узлах → практически диэлектрик (нет подвижных носителей). В расплаве или растворе ионы подвижны → электропроводность наличия заряженных носителей (ионы).
Растворимость
- Алмаз и графит: ковалентные сети нельзя диссоциировать в молекулы водой; очень малая растворимость/распад. Графит может диспергироваться или интеркалироваться, но не растворяться.
- NaCl: растворим в полярной воде, потому что энергия гидратации ионов компенсирует (или превосходит) энергию решётки $U_{\text{lat}}$. В растворе ионы свободны → электролитическое поведение. Раствимость численно высокая (молярность насыщенного раствора при $25^{\circ }\text{C}$ ≈ \(6\ \text{mol·L}^{-1}\)).
Краткое резюме по примерам
- Алмаз: 3D ковалентная сеть → чрезвычайная твёрдость, электроизоляция, нерастворим.
- Графит: 2D ковалентные слои + слабые межслойные силы → мягкий/шелушащийся, проводит вдоль слоёв, нерастворим.
- NaCl: ионная решётка → высокая температура плавления и хрупкость, не проводит в твёрдом виде, растворим в воде и проводит в растворе/расплаве.
Если нужно, могу добавить численные значения (энергии связей, ширины зон, температуры плавления) для каждого примера.