2. Атомные кристаллы

В узлах кристаллической решетки атомных кристаллов распложены нейтральные атомы. Силы взаимодействия между атомами в таких кристаллах называются обменными. Рассмотрим природу этих сил на примере молекулы водорода H₂. Система из двух атомов водорода схематически изображена на рисунке 4.3. Протоны на схеме обозначены буквами а и b, a электроны - цифрами 1 и 2. Расстояния между элементами схемы обозначены буквой r.

Плотность электронного облака, описывающего состояние электрона в атоме водорода, очень быстро падает с увеличением расстояния, поэтому при больших расстояниях между протонами атомы можно рассматривать как изолированные, а энергию системы, состоящей из двух удаленных атомов, можно считать равной 2Е₀, где Е₀ - энергия изолированного атома в невозбужденном состоянии.

По мере уменьшения расстояния r увеличивается степень перекрытия электронных облаков, т. е. увеличивается вероятность перехода электрона к «чужому» протону. Расчет показывает, что при r50 электрон сможет побывать у «чужого» протона примерно один раз за 10¹² лет. Сблизим атомы на расстояние r2. В этом случае электрон первого атома, может перейти ко второму, 10­¹⁴ раз в секунду. Поэтому теряет смысл говорить о принадлежности данного электрона к данному атому. Фактически образуется общая пара электронов для двух атомов.

Обобществление электронов приводит к перераспределению электронной плотности в пространстве между ядрами атомов и вне ядер. Плотность электронного облака в пространстве между ядрами становится больше плотности, которая бы получилась при простом сложении отдельных плотностей. При этом в пространстве вне ядер оказывается, что суммарная плотность электронного облака будет меньше той, которая бы получилась при сложении плотностей электронных облаков отдельных атомов.

Появление состояния с повышенной плотностью электронного облака в межъядерном пространстве вызывает уменьшение энергии системы и приводит к возникновению сил притяжения между ядрами. В основе возникновения такой связи лежит обменное взаимодействие или обменный эффект, обусловленный обменом атомов электронами и имеющий чисто квантовую природу. Силы такого взаимодействия называются обменными силами, а их энергия - обменной энергией.

Обменное взаимодействие возникает и между другими тождественными частицами, например, между протонами или между нейтронами, когда они сближаются до расстояний, обеспечивающих существенное перекрытие волновых функций этих частиц, что имеет место в атомном ядре.

Нужно отметить, что в зависимости от ориентации спинов обобществленных электронов обменное взаимодействие может проявляться не только в возникновении сил притяжения, но и в возникновении сил отталкивания между сближающимися атомами.

Возникающая в результате обменного взаимодействия ковалентная связь образуется в том направлении, в котором расположена наибольшая часть электронного облака коллективизированных электронов. Это означает, что такая связь имеет направленный характер.

Вследствие того, что ковалентная связь возникает посредством взаимодействия валентных электронов, кристаллы, в которых атомы связаны такой связью, иногда называют валентными.

Представление о перекрывании электронных облаков соседних атомов и обменном направленном взаимодействии двух электронов с антипараллельными спинами составляют основу современной теории строения молекул. Эти представления дали простое объяснение загадочной способности химических сил к насыщению.

Действительно, к молекуле водорода не может присоединиться еще один атом водорода, так как спин его электрона будет параллелен спину одного из электронов, входящих в молекулу водорода, и между ними возникнут силы отталкивания, препятствующие присоединению третьего атома.

В атомных кристаллах тоже нельзя выделить отдельных группировок частиц, которые можно было бы назвать молекулами. Весь кристалл можно рассматривать как гигантскую молекулу с ковалентной связью. Однако при разрушении ковалентной связи, в отличии от ионной, никогда не возникает ионов.

Ковалентная химическая связь очень прочна, поэтому атомные кристаллы отличаются высокой температурой плавления, большой твердостью и малой летучестью.