Тема 5. Структура і властивості кристалічних тіл

1. Класифікація кристалів за ознакою виду їх часток.

2. Приклади кристалічних структур.

3. Особливості фізичних властивостей кристалів.

1. Класифікація кристалів за ознакою виду їх часток.

За видами часток, з яких побудований кристал, і за характером сил взаємодії між частками всі кристали можна поділити на 4 групи: іонні, атомні, металеві та молекулярні.

Іонні кристали. Будівельними частками іонних кристалів є протилежно заряджені іони. Взаємне притягання між ними створює іонний зв’язок. Типовими іонними кристалами є NaCl, CsCl, CdF₂. До іонних кристалів відносяться також деякі інтерметалічні сполуки: AuZn, MgAg, CdAg. Іонні кристали слабо розширюються при нагріванні і мають високу точку плавлення, що свідчить про велику міцність іонного зв’язку.

Чим більший заряд іона, тим вище температура плавлення іонного кристала. Наприклад, NaCl плавиться при температурі ~ 800 °С, а температура плавлення СаО досягає 2570 °С.

Іонні кристали не проводять електричний струм, тому що їх електрони міцно утримуються на орбітах іонів. Проте при нагріванні іонні кристали стають провідними з іонною електропровідністю. Наприклад, якщо кристал NaCl затиснути між двома електродами і розмістити його у нагрівальній печі, з’єднавши електроди з джерелом постійного струму, то при температурах 500 – 550 °С іони Na⁺ почнуть рухатись до катоду.

Атомні кристали. Атомні кристали утворюються атомами, які пов’язані один з одним гомеополярними (ковалентними зв’язками, що утворюються внаслідок того, що у двох або кількох сусідніх атомів створюються усуспільнені («колективізовані») електрони.

Приклад атомного кристала – алмаз. Атомні кристали подібно до іонних не проводять електричний струм, але на відміну від іонних лишаються непровідними не тільки при високих температурах, а навіть у розплаві.

Металічні кристали. Метали являють собою позитивні іони, що оточені середовищем вільних електронів, які пересуваються хаотично. Таким чином, метал можна спрощено уявити як іонний «каркас», що занурений в «електронний газ».

Метали відрізняються від інших кристалічних тіл високими теплопровідністю та електропровідністю, оптичною непрозорістю та високою відбивальною здатністю.

Молекулярні кристали. Молекулярні кристали утворюються молекулами, що пов’язані одна з одною силами взаємодії між молекулярними диполями, які звуться «ван-дер-ваальсовими».

Приклад молекулярного кристала – нафталін (рис. 5.1).

Низька точка плавлення (~ 80 °С), м’якість свідчать про те, що зв’язок такого виду дуже слабкий.

2. Приклади кристалічних структур

Структура графіту (рис. 5.2). У деяких твердих тілах може одночасно існувати декілька видів зв’язку. Прикладом є шарувата структура графіту. Плоскі шари пов’язані один з одним ван-дер-ваальсовими силами, а в межах шару три валентні електрони кожного атома вуглецю утворюють гомеополярний зв’язок із сусідніми атомами, а четвертий електрон лишається вільним («сколективізується»), як у металах (тільки в межах одного шару).

Таким чином, в кристалах графіту існує зв’язок трьох видів: гомеополярний, металічний і ва-дер-ваальсовий.

Структура хлористого натрію (рис. 5.3). Решітка – кубічна, гранецентрована. Аналогічну структуру мають кристали KBr, RbJ, PbS, AgBr, MgO.

Cтруктура хлористого цезію (рис. 5.4). Решітка – проста, кубічна. Структуру хлористого цезію можна уявити у вигляді двох простих решіток, що зміщені одна відносно другої у напрямі [111] на половину довжини діагоналі куба, причому вузли однієї решітки зайняті іонами цезію, а вузли іншої – іонами хлору.

5