Металлические кристаллы

Этот тип кристалла определяет все основные свойства металлов. У этих элементов сильная ковалентная связь между соседними атомами не может образоваться из-за недостаточного числа валентных электронов у каждого атома. Поэтому здесь в узлах решетки расположены ионизованные атомы (т.е. положительные ионы металлов), потерявшие свои валентные электроны. Между этими ионами беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся бывшие валентные электроны, отщепившиеся, как уже сказано, от атомов при образовании кристаллической решетки. Эти обобществленные электроны играют роль «цемента», удерживая вместе положительные ионы. В противном случае решетка, естественно, распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решетки и не могут ее покинуть.

Практически все металлы имеют только одну из трех типов решеток, а именно, кубическую объемно-центрированную, кубическую гранецентрированную или плотную гексагональную. Эти основные виды решеток металлов представлены на рис. 6.

Рис. 6. Кристаллические решетки металлов.

а – кубическая объемно-центрированная (ОЦК-решетка), б – кубическая гранецентрированная (ГЦК-решетка), в – плотная гексагональная

Узлы подобных решеток можно рассматривать как место положения ядер соответствующих одинаковых атомов. Тогда сами атомы можно условно представить в виде шаров, радиус которых равен половине наименьшего из расстояний между ядрами. Это позволяет оценить степень заполнения такими шарами конкретной ячейки. Интересно отметить, что кубическая гранецентрированная и плотная гексагональная (c/a=(8/3)^1/2) решетки соответствуют наиболее плотной упаковке одинаковых шаров. Подобная модель одинаковых шаров широко используется при конструировании и теоретическом изучении возможных типов решеток для одноэлементных веществ.

Молекулярные кристаллы

В узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы. Силы связи между молекулами в кристалле имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящие к отклонению газов от идеальности. По этой причине их называют ван-дер-ваальсовскими силами. Фактически речь идет о взаимодействии диполей, которыми или уже являются молекулы по своей природе или которыми становятся в результате межмолекулярного квантовомеханического взаимодействия.

Силы молекулярного притяжения невелики и соответствуют малому значению энергии связи U₀ ≈ 10^-2 эВ. Химические соединения, образующиеся при наличии только этих сил (типа твердых состояний инертных газов, водорода, кислорода, азота) неустойчивы, летучи, имеют низкие температуры плавления. Однако присутствие молекулярных сил в твердых телах, где определяющими являются другие виды связи (ионная, ковалентная, металлическая), вносит особенности в структуру и свойства этих тел (например, способствует соединению слоев атомов или молекул в единое целое).

Молекулярные решетки образуют, например, следующие вещества в твердом состоянии: H₂, N₂, O₂, CO₂, H₂O. Таким образом, обычный лед, а также т.н. сухой лед (твердая углекислота) представляют молекулярные кристаллы.

Водородная связь

Для общности изучения связей в плотных (т.е. в твердых и жидких) телах необходимо отметить существование т.н. водородной связи, которая возникает в том случае, когда атом водорода оказывается между двумя электроотрицательными атомами (например, кислорода, азота, фтора), с одним из которых он образует ковалентную связь в молекуле. Этот электроотрицательный атом оттягивает на себя электрон связи атома водорода, и образуется маленький диполь (электроотрицательный атом в виде отрицательного иона – атом водорода в виде положительного иона), который притягивает электроотрицательный атом соседней молекулы.

Схематически водородную связь, т.е. взаимодействие между двумя электроотрицательными атомами А и В одной или разных молекул посредством атома водорода, можно представить в виде

А−Н ^... В,

где чертой обозначена ковалентная связь, а тремя точками - водородная связь.

На рис. 7 для примера изображены внутримолекулярные и межмолекулярные связи в жидкой воде.

Рис. 7. Водородная связь между молекулами воды обозначена чёрными пунктирными линиями.

Трубчатые линии обозначают ковалентную связь, которая удерживает вместе атомы кислорода (красный) и водорода (серый)

Водородная связь приводит к дополнительному объединению молекул внутри твердого тела и в жидкости, причем в последнем случае это выражается в повышении вязкости и в увеличении температуры кипения. Кстати, именно эта, хотя и непрочная, связь обеспечивает существование воды при нормальных условиях. Если бы водородной связи не было, вода при атмосферном давлении кипела бы при температуре -80 ^оС, а лед плавился бы при -100 ^оС.

Таким образом, в реальных твердых телах всегда имеется сочетание нескольких типов связей, одна из которых обычно является преобладающей. При этом, как уже неоднократно отмечалось, в случае достаточно больших энергий связи U₀ ≈ 1 эВ для системы атомов образуется устойчивая структура твердого тела.