3.7. Типы кристаллических решеток

Большинство твердых веществ имеет кристаллическое строение. Кристаллическая решетка построена из повторяющихся одинаковых структурных единиц, индивидуальных для каждого кристалла. Эта структурная единица носит название “элементарная ячейка”. Другими словами, кристаллическая решетка служит отображением пространственной структуры твердого вещества.

Классифицировать кристаллические решетки можно различным образом.

I. По симметрии кристаллов решетки классифицируются на кубические, тетрагональные, ромбические, гексагональные.

Эта классификация удобна при оценке оптических свойств кристаллов, а также их каталитической активности.

II. По природе частиц, находящихся в узлах решетки и по типу химической связи между ними различают атомные, молекулярные, ионные и металлические кристаллические решетки. Тип связи в кристалле определяет различие в твердости, растворимости в воде, величине теплоты растворения и теплоты плавления, электрической проводимости.

Важной характеристикой кристалла является энергия кристаллической решетки, кДж/моль – энергия, которую необходимо затратить на разрушение данного кристалла.

Молекулярная решетка

Молекулярные кристаллы состоят из молекул, удерживаемых в определенных положениях кристаллической решетки слабыми межмолекулярными связями (вандерваальсовыми силами) или водородными связями. Эти решетки характерны для веществ с ковалентными связями.

Веществ с молекулярной решеткой очень много. Это большое число органических соединений (сахар, нафталин и др.), кристаллическая вода (лед), твердый углекислый газ (“сухой лед”), твердые галогеноводороды, иод, твердые газы, в том числе и благородные,

Минимальна энергия кристаллической решетки у веществ с неполярными и малополярными молекулами (СН₄, СО₂ и т.п.).

Решетки, образованные более полярными молекулами, имеют и более высокую энергию кристаллической решетки. Наибольшей энергией обладают решетки с веществами, образующими водородные связи (Н₂О, NН₃).

Из-за слабого взаимодействия между молекулами эти вещества летучи, легкоплавки, имеют небольшую твердость, не проводят электрический ток (диэлектрики) и обладают низкой теплопроводностью.

Атомная решетка

В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы одного или различных элементов, связанных между собой ковалентными связями по всем трем осям. Такие кристаллы, которые называют также ковалентными, сравнительно немногочисленны.

Примерами кристаллов этого типа могут служить алмаз, кремний, германий, олово, а также кристаллы сложных веществ, таких как нитрид бора, нитрид алюминия, кварц, карбид кремния. Все эти вещества имеют алмазоподобную решетку.

Рис. 3.3. Структура алмаза

Энергия кристаллической решетки в таких веществах практически совпадает с энергией химической связи (200 – 500 кДж/моль). Это определяет и их физические свойства: высокие твердость, температура плавления и температура кипения.

Разнообразны электропроводящие свойства этих кристаллов: алмаз, кварц, нитрид бора – диэлектрики; кремний, германий – полупроводники; металлическое серое олово хорошо проводит электрический ток.

В кристаллах с атомной кристаллической решеткой нельзя выделить отдельную структурную единицу. Весь монокристалл представляет собой одну гигантскую молекулу.

Ионная решетка

В узлах ионной решетки чередуются положительные и отрицательные ионы, между которыми действуют электростатические силы. Ионные кристаллы образуют соединения с ионной связью, например, хлорид натрия NaCl, фторид кальция СаF₂ и др. В состав ионных соединений могут входить и сложные ионы, например, NO₃^, SO₄^2.

Рис. 3.4. Структура ионных кристаллов.

Ионные кристаллы также представляют собой гигантскую молекулу, в которой каждый ион испытывает значительной воздействие со стороны всех остальных ионов.

Энергия ионной кристаллической решетки может достигать значительных величин. Так, Е (NaCl) = 770 кДж/моль, а Е (ВеО) = 4530 кДж/моль.

Ионные кристаллы имеют высокие температуры плавления и кипения и высокую прочность, но хрупки. Многие из них плохо проводят электричес-кий ток при комнатной температуре (примерно на двадцать порядков ниже, чем у металлов), но с ростом температуры наблюдается увеличение электрической проводимости.

Металлическая решетка

Кристаллы металлов дают примеры простейших кристаллических структур.

Ионы металла в решетке металлического кристалла можно приближенно рассматривать в виде шаров. В твердых металлах эти шары упакованы с максимальной плотностью, на что указывает значительная плотность большинства металлов (от 0,97 г/см³ у натрия, 8,92 г/см³ у меди до 19,30 г/см³ у вольфрама и золота). Наиболее плотная упаковка шаров в одном слое – это гексагональная упаковка, в которой каждый шар окружен шестью другими шарами (в той же плоскости). Центры любых трех соседних шаров образуют равносторонний треугольник.

Такие свойства металлов, как высокие тягучесть и ковкость, указывают на отсутствие жесткости в металлических решетках: их плоскости довольно легко сдвигаются одна относительно другой.

Валентные электроны участвуют в образовании связи со всеми атомами, свободно перемещаются по всему объему куска металла. На это указывают высокие значения электропроводимости и теплопроводности.

По энергии кристаллической решетки металлы занимают промежуточное положение между молекулярными и ковалентными кристаллами. Энергия кристаллической решетки составляет:

Таблица 3.4.

Энергия кристаллической решетки некоторых металлов

Металл	Е, кДж/моль
Na	109
Zn	131
Al	310
Au	344
Mo	651
W	842

Таким образом, физические свойства твердых веществ существенно зависят от типа химической связи и структуры.

Таблица 3.5.

Структура и свойства твердых веществ

Характеристики	Кристаллы
	Металли-ческие	Ионные	Молекулярные	Атомные
Примеры	K, Al, Cr, Fe	NaCl, KNO3	I2, нафталин	алмаз, кварц
Структурные частицы	Положитель-ные ионы и подвижные электроны	Катионы и анионы	Mолекулы	Атомы
Тип химической связи	Металлическая	Ионная	В молекулах – ковалентная; между молекулами – вандерваальсовы силы и водородные связи	Между атомами – ковалентная
t плавления	Высокая	Высокая	Невысокая	Очень высокая
t кипения	Высокая	Высокая	Невысокая	Очень высокая
Механические свойства	Твердые, ковкие, тягучие	Твердые, хрупкие	Мягкие	Очень твердые
Характеристики	Кристаллы
	Металли-ческие	Ионные	Молекулярные	Атомные
Электропроводность	Хорошие проводники	В твердом виде – диэлектрики; в расплаве или растворе – проводники	Диэлектрики	Диэлектрики (кроме графита)
Растворимость
в воде	Нерастворимы	Растворимы	Нерастворимы	Нерастворимы
в неполяр- ных раство- рителях	Нерастворимы	Нерастворимы	Растворимы	Нерастворимы