Ионная связь. Кристаллы. Металлическая связь. Аллотропия

Мы уже говорили о том, что характер химической связи часто находит отражение в агрегатном состоянии и физических свойствах вещества. Ионные соединения (например, хлорид натрия NaCl) - твердые и тугоплавкие от того, что между зарядами их ионов ("+" и "–") существуют мощные силы электростатического притяжения.

Отрицательно заряженный ион хлора притягивает не только "свой" ион Na +, но и другие ионы натрия вокруг себя. Это приводит к тому, что около любого из ионов находится не один ион с противоположным знаком, а несколько (рис. 3-12).

Рис. 3-12. Строение кристалла поваренной соли NaCl.

Фактически, около каждого иона хлора располагается 6 ионов натрия, а около каждого иона натрия - 6 ионов хлора.

Такая упорядоченная упаковка ионов называется ионным кристаллом. Если в кристалле выделить отдельный атом хлора, то среди окружающих его атомов натрия уже невозможно найти тот, с которым хлор вступал в реакцию. Притянутые друг к другу электростатическими силами, ионы крайне неохотно меняют свое местоположение под влиянием внешнего усилия или повышения температуры. Но если температура очень велика (примерно 1500°C), то NaCl испаряется, образуя двухатомные молекулы. Это говорит о том, что силы ковалентного связывания никогда не выключаются полностью.

Совсем по-другому устроены металлические кристаллы. Если рассмотреть кусочек металлического натрия, то обнаружится, что внешне он сильно отличается от поваренной соли. Натрий - очень мягкий металл, легко режется ножом, расплющивается молотком, его можно без труда расплавить в чашечке на спиртовке. В кристалле натрия каждый атом Na окружен восемью другими такими же атомами (рис. 3-13).

Рис. 3-13. Строение кристаллов металлического Na.

Каждый атом натрия в кристалле отдает в пространство между атомами по одному валентному электрону, превращаясь в ион натрия Na⁺. Ионы в кристалле омываются "электронным морем" общих электронов. Это "электронное море" не позволяет металлическому кристаллу распадаться.

** На примере металла натрия рассмотрим более подробно природу металлической связи. У атома натрия, как и у многих других металлов, имеется недостаток валентных электронов. Зато свободные валентные орбитали имеются в избытке. Единственный 3s-электрон натрия может занимать (при поглощении незначительной энергии) любую из свободных и довольно близких по энергии орбиталей - 3p или 3d. При сближении атомов в кристалле валентные орбитали соседних атомов перекрываются, благодаря чему электроны свободно перемещаются от одного атома к другому, осуществляя связь между всеми атомами кристалла металла. Каждому атому натрия энергетически выгодно “потерять” свой единственный 3s-электрон, потому что при этом его электронная оболочка становится подобной электронной оболочке инертного газа.

Таким образом, металлическую связь склонны образовывать элементы, атомы которых на внешних оболочках имеют мало валентных электронов. Эти валентные электроны, осуществляющие металлическую связь, обобществлены настолько, что могут перемещаться по всему металлическому кристаллу и обеспечивают высокую электропроводность металла.

Кристалл NaCl не проводит электрический ток, потому что в пространстве между ионами нет свободных электронов. Все электроны, отданные атомами натрия, прочно удерживают около себя ионы хлора. В этом одно из существенных отличий ионных кристаллов от металлических.

То, что вы теперь знаете о металлической связи, позволяет легко объяснить не только высокую электропроводность, но и ковкость и пластичность металлов. Ковкий и пластичный металл легко расплющивается в тонкий лист, вытягивается в тонкую проволоку.

Разумеется, ничего подобного нельзя сделать с поваренной солью, хотя соль - тоже кристаллическое вещество. Дело в том, что отдельные слои из атомов в кристалле металла могут относительно легко скользить один по другому (рис. 3-14а). Подвижное "электронное море" постоянно смягчает перемещение положительных ионов, экранируя их друг от друга.

Рис. 3-14. Изменения, возникающие при деформации кристаллов. а) сдвиг слоев металлического кристалла не приводит к возникновению больших сил отталкивания между ионами, так как они омываются "электронным морем". б) Сдвиг слоев ионного кристалла вызывает появление больших сил отталкивания между одноименными ионами и разрушение кристалла.

Совсем по-иному обстоит дело в ионных кристаллах, где валентные электроны прочно связаны с ядром атома (рис. 3-14б). Сдвиг одного слоя ионов относительно другого приводит к сближению ионов одинакового заряда и вызывает сильное отталкивание между ними, в результате чего происходит разрушение кристалла.

Еще один вид кристаллов образуют полярные ковалентные соединения. Эти кристаллы состоят не из ионов, а из молекул, поэтому называются молекулярными кристаллами. Молекулы удерживаются рядом друг с другом благодаря силам межмолекулярного взаимодействия.

Существует несколько разновидностей таких сил, но одной из главных является сила электростатического притяжения между частичными разноименными зарядами на концах молекул. В принципе, эти же силы удерживают молекулы друг около друга и в жидкостях, поэтому молекулярные кристаллы относительно легко плавятся. Но если температура не велика (ниже точки плавления), то молекулы собираются в строго упорядоченные каркасы, где каждая молекула ориентирована в пространстве определенным образом.

Рис. 3-15. В кристаллах льда молекулы строго упорядочены. Это часто приводит к причудливым, но симметричным формам кристаллов, наподобие формы снежинок.

Типичные молекулярные кристаллы образуют вода H₂O (рис. 3-15) и кварц SiO₂. Для воды характерен особый вид межмолекулярного взаимодействия - водородная связь, о которой мы более подробно поговорим в главе, посвященной воде и растворам.

Наконец, существуют кристаллы, в которых жесткая решетка удерживаются не силами межмолекулярного взаимодействия, а ковалентными связями. Такие кристаллы называются ковалентными каркасными кристаллами. Они состоят из бесконечных цепочек атомов, связанных друг с другом ковалентными связями, и в них нельзя различить отдельных молекул.

Рис. 3-16. Структура алмаза.

Наиболее известный из таких кристаллов - алмаз (рис. 3-16). Алмаз состоит только из одного элемента углерода - того же самого, из которого состоит обыкновенная сажа и графит. В алмазе каждый 4-х валентный атом углерода связан с другим атомом углерода чисто ковалентной связью и количество таких связанных в каркас атомов чрезвычайно велико. Алмаз можно было бы назвать гигантской молекулой, если бы к молекулам не предъявлялось требование иметь постоянный состав.

В кристалле графита атомы углерода связаны несколько по-иному (рис. 3-17). Они объединены в плоские слои, состоящие из правильных шестиугольников. Можно представить, что в этих шестиугольниках атомы углерода связаны между собой как простыми, так и двойными связями (двойные связи на рисунке не показаны). Расстояние между слоями в графите довольно велико, а силы взаимодействия между ними довольно слабы (в основном это слабые межмолекулярные связи, показанные пунктирными линиями), поэтому графит может расщепляться на тонкие чешуйки. Чешуйки легко прилипают к бумаге – вот почему из графита делают грифели карандашей.

Рис. 3-17. Структура графита. Графит и алмаз очень несхожи по своим свойствам, хотя состоят из одного и того же элемента - углерода.

Вы можете провести простой опыт, когда в очередной раз будете точить карандаш. Разотрите между пальцами немного грифельного порошка - на ощупь он будет жирным. Капельки воды не смачивают графит - проверьте это на испачканных графитом пальцах. Графит и алмаз - ближайшие родственники, хотя и обладают разными свойствами.

Графит - непрочное вещество, его легко превратить в порошок. Совсем другие свойства проявляет алмаз. Он настолько тверд, что оставляет царапины на большинстве материалов. Алмаз проверяют на подлинность, царапая им стекло. Другой метод определения подлинности алмаза таков: если напылить на грань алмаза мелкие капли воды, то они не растекаются по грани, потому что неполярный ковалентный алмаз, как и графит, не притягивает полярные молекулы воды. Все поддельные (не путайте с искусственными!) алмазы можно сделать только из соединений с полярными ковалентными связями. По их поверхности вода растекается так же легко, как по чистому стеклу.

Когда химический элемент образует два или больше простых веществ, различных по строению и свойствам, такое явление называется аллотропией. Графит и алмаз - две аллотропные модификации углерода. Аллотропные модификации при определенных условиях могут переходить друг в друга. Например, при очень высоких давлениях и температурах графит может переходить в алмаз. Именно так из графита делают искусственные алмазы.

Искусственные алмазы не пригодны для ювелирных изделий - они мелкие и черного цвета. Но для промышленных нужд такие алмазы являются очень ценным сырьем. Пылевидный алмазный порошок можно получить и взрывом (в закрытой камере) специальных взрывчатых веществ, содержащих углерод. Возникновение природных алмазов в недрах Земли, вероятно, тоже происходит под влиянием огромных температур и давлений, но в течение неизмеримо более длительного времени.

Поиск по сайту: