Водородная связь

Промежуточный характер между ван-дер-ваальсовым взаимодействием и ковалентной связью имеет водородная связь. Она возникает между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и отрицательно поляризованным атомом с большей электроотрицательностью другой молекулы. Положительно поляризованный атом водорода обладает уникальными свойствами: очень малым размером и отсутствием внутренних электронных слоёв, поэтому он может легко проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. В результате между двумя молекулами возникает взаимодействие, которое носит электростатический и частично донорно-акцепторный характер.

Водородная связь условно записывается в виде трёх точек и изображается так:

Х−Н ··· :Y,

где X, Y − атомы F, О, N, реже Cl и S, причём Х=Y или X=Y

Энергия и длина водородной связи определяется электрическим моментом диполя связи Х−Н и размерами атома Y. Длина водородной связи уменьшается, а энергия возрастает с увеличением разности электроотрицательностей атомов Х и Y (и соответственно электрического момента диполя связи Х−Н) и с уменьшением размера атома Y.

Важную роль водородная связь играет в процессах кристаллизации и растворения веществ, а также при образовании кристаллогидратов (например, медного и железного купоросов CuSO₄ ∙ 5H₂O и FeSO₄ ∙ 7H₂O).

1.5. Строение кристаллов химическая связь в твёрдых телах Кристаллическая решётка

Кристаллы − твёрдые тела, обладающие трёхмерной периодической структурой, которая называется кристаллической решёткой.

Существование кристаллической решётки объясняется тем, что равновесие между силами притяжения и отталкивания атомов, соответствующее минимальной потенциальной энергии, достигается при условии их трёхмерной периодичности.

Размещение частиц в кристаллической решётке осуществляется таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную для данного типа кристаллов энергию их связи, а также энергетическую однородность кристалла в целом. Для частиц сферической формы наиболее благоприятным оказывается такое их размещение, при котором каждая сфера находится в соприкосновении с наибольшим числом ближайших соседей. Подобные пространственные образования получили название структур плотнейшей упаковки.

Координационное число

Количество частиц, непосредственно примыкающих к данной частице, определяют как координационное число.

В кристаллах, образованных сферическими частицами одинакового размера, плотнейшая упаковка может осуществляться в виде двух энергетически эквивалентных структур: кубической и гексагональной. Координационное число для каждой из этих структур равно 12, а сами сферы занимают объём порядка 74 % полного объёма кристалла.

В подобные структуры кристаллизуются большинство металлов и их сплавов, благородные газы, а также химические соединения, молекулы которых обладают сферической симметрией: СН₄, CCl₄.

Если частицы, образующие кристалл, не обладают сферической симметрией или имеют разные размеры, то их плотнейшая упаковка искажается, а значит, координационное число будет меньше 12, и доля незанятого объёма кристалла будет возрастать.

Наименьшим значением координационного числа обладают кристаллы, между частицами которых осуществляется направленная ковалентная связь. Это кристаллы С (алмаза), B₄N₃, SiO₂, Ge, Si, ZnS. Значение координационного числа для этих кристаллов равно 4, а доля занимаемого частицами объёма не превышает 34 %.