ЯКУ КРИСТАЛІЧНУ ҐРАТКУ МАЄ CO2?

Вуглекислий газ (CO2) існує в газоподібному стані за звичайних температур і тиску і не має кристалічної ґратки.

При дуже низьких температурах і високому тиску вуглекислий газ може переходити в твердий стан, утворюючи аморфну або склоподібну структуру, яка не має регулярної кристалічної ґратки.

Кристалічна ґратка – це регулярна тривимірна структура, в якій атоми, молекули або іони розташовані в повторюваному порядку. Вуглекислий газ у газоподібному стані не утворює таку структуру через постійний хаотичний рух його молекул.

Хоча твердий вуглекислий газ (сухий лід) і має аморфну структуру, він може демонструвати деякі властивості, які зазвичай асоціюються з кристалами. Наприклад, сухий лід може розколюватися вздовж певних площин, що нагадує розщеплення кристала. Однак це розколювання відбувається не через наявність кристалічної ґратки, а через неоднорідність аморфної структури.

Загалом, вуглекислий газ не має кристалічної ґратки в будь-якому стані. Його газоподібний стан є хаотичним, а твердий стан є аморфним або склоподібним.

Кристалічна ґратка вуглекислого газу (CO₂)

Вуглекислий газ (CO₂) у твердому стані має молекулярну кристалічну ґратку. Молекулярна ґратка – тип кристалічної ґратки, утвореної молекулами, які утримуються разом ван-дер-ваальсовими силами.

В молекулярній ґратці CO₂ кожна молекула є окремою хімічною одиницею, зв'язаною з іншими молекулами лише слабкими міжмолекулярними силами. Ці сили виникають внаслідок взаємодії постійних диполів, які утворюються через нерівномірний розподіл електронів у молекулі.

Молекули CO₂ розташовуються в ґратці у вигляді щільно упакованих шарів. В межах кожного шару молекули утворюють гексагональну структуру. Будова шарів – гексагональна, а тип гратки – гексагональна щільноупакована (ГЩУ). У ГЩУ ґратці кожна молекула оточена шістьма найближчими сусідами, що розташовані в вершинах правильного шестикутника.

Шари в ґратці CO₂ з'єднуються між собою за допомогою слабких міжмолекулярних сил. Розташування шарів відносно один одного може бути різним, що призводить до утворення різних поліморфних модифікацій CO₂. Дві основні модифікації – α-CO₂ та β-CO₂ – мають різні орієнтації шарів та різні фізичні властивості.

α-CO₂ є більш стабільною формою, яка існує при низьких температурах та високому тиску. У α-CO₂ молекули в сусідніх шарах повернуті на 60° одна щодо одної.

β-CO₂ утворюється при вищих температурах і нижчому тиску. У β-CO₂ молекули в сусідніх шарах повернуті на 180° одна щодо одної.

Оскільки вуглекислий газ у твердому стані має молекулярну ґратку, він є крихким і м'яким матеріалом. Слабкі міжмолекулярні сили дозволяють молекулам легко ковзати одна повз одну, що робить його легко деформованим.

Твердий CO₂ відомий також як сухий лід. Сухий лід використовується як охолоджуючий агент через його низьку температуру плавлення (-78,5 °C) і високу сублімаційну теплоту (573 кДж/кг). Він часто використовується в лабораторних експериментах, у харчовій промисловості та для очищення поверхні.

Думки експертів

Валентина Петрівна Горбач
Науковий ступінь і звання: доктор хімічних наук, професор

Роз'яснення питання "Яку кристалічну ґратку має CO₂?"

Діоксид вуглецю (CO₂) у твердому стані має молекулярну кристалічну ґратку. У цій структурі молекули CO₂ не пов'язані хімічними зв'язками одна з одною, а утримуються разом міжмолекулярними силами, такими як сили ван дер Ваальса та диполь-дипольні взаємодії.

Молекули CO₂ лінійні і мають дипольний момент. Їхній дипольний момент створює слабкі притягувальні сили між молекулами, вирівнюючи їх у напрямках, що мінімізують їхню потенційну енергію. Це призводить до утворення регулярної кристалічної решітки, де молекули CO₂ упаковані в гексагональну щільноупаковану структуру.

Молекулярна кристалічна ґратка CO₂ означає, що його твердий стан складається виключно з окремих молекул CO₂, які утримуються разом слабкими міжмолекулярними силами. Ця структура зумовлює відносно низьку температуру плавлення CO₂ (-78,5 °C), оскільки слабкі міжмолекулярні сили легко переборюються теплом.

Відповіді на питання

Запитання 1: Яка кристалічна ґратка у CO2?

Відповідь: Діоксид вуглецю (CO2) за нормальних умов є газом і не має кристалічної ґратки.

Запитання 2: Яку кристалічну ґратку має CO2 при низьких температурах?

Відповідь: При дуже низьких температурах (нижче -78,5 °C) CO2 замерзає і утворює кристалічну ґратку кубічної гранецентрованої структури (ГЦК).

Запитання 3: Які особливості ГЦК-ґратки CO2?

Відповідь: ГЦК-ґратка CO2 характеризується тим, що кожен атом вуглецю знаходиться в центрі куба, атоми кисню розташовані в центрах граней куба, а також в середині ребер, з'єднуючи кубічні комірки.

Запитання 4: Як кристалічна ґратка впливає на властивості CO2?

Відповідь: Кристалічна ґратка CO2 забезпечує речовині міцність і твердість у твердому стані. Однак при нагріванні кристалічна структура руйнується, і CO2 переходить у газоподібний стан.

Запитання 5: Які застосування має CO2 з кубічною гранецентрованою кристалічною ґраткою?

Відповідь: CO2 з ГЦК-ґраткою не має практичного застосування, оскільки він стабільний лише за наднизьких температур. За нормальних умов він існує у вигляді газу.