Tri nepoznate krute tvari i vrste kemijskih veza
U školskom laboratoriju tri su uzorka označena A, B i C. Podaci su: A je bijela kristalna tvar, tali se pri 801 °C, u čvrstom stanju ne provodi struju, a rastaljena provodi; dobro se otapa u vodi, a otopina provodi struju. B je mekana, voskasta tvar, tali se pri 52 °C, ne provodi struju ni kao krutina ni kao talina, dobro se otapa u heksanu, a slabo u vodi. C je crna, slojevita i lomljiva krutina, tali se iznad 3500 °C, ne otapa se u vodi, a provodi struju duž slojeva, dok okomito na slojeve gotovo ne provodi. Nastavnik traži da se na temelju tih podataka, bez dodatnih analiza, odredi prevladavajuća vrsta veze i objasni ponašanje. Učenici moraju paziti da ne zaključuju samo iz boje i da razlikuju topljivost od električne vodljivosti. Dodatno, uzorak C se lako cijepa između slojeva, ali ostaje crn i nakon struganja.
1. Odredi prevladavajuću vrstu veze u A, B i C te za svaki uzorak navedi dvije tvrdnje iz opisa koje tvoj zaključak podupiru.
Read the worked answer
A – ionska veza. Visoko talište (801 °C) i vodljivost rastaljene tvari te vodene otopine upućuju na pokretljive ione. U čvrstom stanju ioni su vezani u kristalnoj rešetki i ne mogu se kretati, pa struja ne prolazi.
B – molekulska kovalentna tvar. Nisko talište (52 °C), slabost prema nepolarnom heksanu i izostanak vodljivosti u svim stanjima svojstveni su neutralnim molekulama koje drže slabe međumolekulske sile.
C – kovalentna mreža, konkretno grafit. Vrlo visoko talište i slojevita struktura znače da su atomi ugljika unutar slojeva povezani jakim kovalentnim vezama. Vodljivost duž slojeva posljedica je delokaliziranih π-elektrona, a slaba vodljivost okomito na slojeve posljedica je slabih međuslojnih sila. Zaključak se temelji na talištu, vodljivosti i topljivosti, ne na boji.
2. Objasni zašto rastaljeni A provodi struju, a otopina B u heksanu ne provodi, iako su oba uzorka bila u tekućem stanju.
Read the worked answer
Rastaljeni A provodi struju jer se ionska kristalna rešetka raspada i nastaju pokretljivi ioni. Nositelji naboja su ioni, pa se uspostavlja strujni krug.
B se u heksanu otapa kao molekulska tvar. Heksan je nepolarno otapalo i ne izaziva ionizaciju molekula B. U otopini su prisutne neutralne molekule, a ne ioni, pa nema nositelja naboja i struja ne prolazi. Sama činjenica da je tvar tekuća ili otopljena nije dovoljna za vodljivost; važno je postoje li pokretljivi ioni.
3. Predloži jedan jednostavan pokus kojim bi razlikovao C od crne molekularne tvari slične boje. Navedi što bi opazio i zašto.
Read the worked answer
Dovoljno je ispitati električnu vodljivost u čvrstom stanju. Uzorak se stavi između dvije metalne elektrode spojene sa suhom ćelijom i žaruljom. Ako je uzorak C grafit, on provodi struju duž slojeva i žarulja će zasvijetliti. Crna molekularna tvar ima lokalizirane elektrone i ne provodi struju, pa žarulja neće svijetliti.
Alternativno se može ispitati ponašanje pri struganju, ali vodljivost je pouzdanija jer boja i sjaj nisu dovoljni za razlikovanje grafita od nekih crnih molekularnih tvari.