2. 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.

1.2.4 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.