Типы кристаллических связей

В природе встречаются кристаллы различной структуры. Некоторые из них состоят из нейтральных атомов — это атомные (ковалентные) кристаллы, другие состоят из разноименно заряженных ионов — это ионные кристаллы. Металлические кристаллы построены из положительно заряженных ионов и свободных электронов, а молекулярные кристаллы состоят из молекул.
Различие в структуре определяет различие свойств кристаллов. Рассмотрим структуру указанных кристаллов, а также некоторые их свойства.

Атомные (ковалентные) кристаллы образуются путем плотной упаковки атомов. Рассмотрим упаковку одинаковых атомов. Естественно, что при этом ионы не образуются, но возникают ковалентные связи путем спаривания валентных электронов. Такие связи характерны для элементов IV группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: углерода, кремния, германия и др.

На рисунке изображена плоская модель связей в кристалле германия. На внешней оболочке атома этого вещества находится 4 электрона, а для заполнения необходимо 8. Поэтому атом взаимодействует с четырьмя соседними; при этом пара валентных электронов одновременно принадлежит двум соседним атомам. Заметим, что в этом типе кристаллов нет отдельных молекул, весь кристалл — гигантская молекула.

Ионные кристаллы образуются путем плотной упаковки ионов, заряженных разноименно. К числу ионных кристаллов относится большинство неорганических соединений, например соли. Ионные связи достаточно сильны, на что указывает, например, высокая температура плавления, равная 1074 K для NaCl. Благодаря высокой степени устойчивости электронной структуры ионные кристаллы попадают в разряд диэлектриков.

Рассмотрим строение кристалла поваренной соли — хлорида натрия NаСI. Известно, что атом натрия легко отдает свой валентный электрон, а атом хлора его принимает. Образуются два иона: положительный Nа+ и отрицательный Сl-. У обоих ионов внешняя электронная оболочка оказывается заполненной, ибо она содержит по 8 электронов. Электроны располагаются сферически, симметрично относительно ядер, так что оба иона можно считать шариками, но с разными радиусами: ион хлора больше иона натрия.

Между разноименно заряженными ионами действуют кулоновские силы притяжения, удерживающие их в узлах кубической кристаллической решетки. Каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора, и, наоборот, каждый ион хлора окружен шестью ионами натрия. В кристалле нет молекул NаСl. Аналогично образуется ионная химическая связь и в других случаях, чаще всего между металлами и галогенами — фтором и хлором.

Металлические кристаллы образуются следующим образом. При кристаллизации атомы сближаются, валентные электроны отделяются от атомов и коллективизируются — они уже принадлежат не отдельным атомам, а кристаллической решетке в целом.

Совокупность этих свободных электронов образует электронный газ. Кристаллическая решетка состоит из плотно упакованных положительно заряженных ионов, которые удерживаются в узлах решетки за счет взаимодействия с отрицательно заряженным электронным газом.

Наличие свободных электронов и служит причиной того, что металлы — хорошие проводники электричества. Все три вида рассмотренных выше химических связей — ионная, ковалентная и металлическая — обеспечивают значительную механическую прочность соответствующих кристаллов, их малую сжимаемость. Все они имеют электрическое происхождение, ибо связаны с перераспределением электронов между атомами.

Молекулярные кристаллы. Существует широкий класс кристаллов, состоящих из молекул. Типичными примерами являются лед, иод, бром, твердая углекислота (сухой лед), нафталин и т. п. Дело в том, что между нейтральными атомами существуют слабые силы притяжения, обусловленные взаимодействием электрических диполей, которые индуцируются соседними атомами благодаря синхронизации движения своих электронов. Эти слабые и весьма чувствительные к различным факторам силы называются силами Ван-дер-Ваальса; ими и обусловлена связь между атомами и молекулами в большинстве органических кристаллов. Поскольку притяжение между атомами слабое, молекулярные кристаллы характеризуются малой энергией связи (т.е. энергией, необходимой для удаления атома из твердого тела), а также низкой температурой плавелния. Молекулярные связи значительно слабее ионных, ковалентных или металлических. Поэтому молекулярные кристаллы легко плавятся, а при низком атмосферном давлении испаряются, не переходя в жидкое состояние.Такой процесс называется сублимацией или возгонкой.

Кристаллы с водородными связями. Рассмотренная выше классификация кристаллов основана на связях, создаваемых электронами. Другой тип химической связи возникает благодаря ионам водорода (протонам). Протон - это особый вид иона: у него вообще отсутствуют электроны, а потому он имеет чрезвычайно малые размеры. "Голый" протон способен связывать друг с другом два отрицательных иона, в частности отрицательные ионы фтора, кислорода и азота. Например, ион дифторида водорода HF2-, обладающий линейной структурой F-H+F-, обязан своей устойчивостью наличию протона, связывающего два отрицательных иона фтора. Водородные связи играют важную роль в молекулярной биологии (прежде всего в генетике), поскольку они участвуют в удержании двух цепей двойной спиральной структуры молекул ДНК. Эти связи существенны также в физике сегнетоэлектриков (например, дигидрофосфата калия KH2PO4) и в значительной мере ответственны за удивительные физические свойства воды и льда.

Поиск по сайту: