§2. Ионные кристаллы

Химическая неактивность инертных газов обусловлена тем, что внешняя электронная структура их атомов, состоящая из восьми электронов, целиком, заполняющих ns– и np– подоболочки, является весьма стабильной конфигурацией. Атомы, стоящие в периодической таблице рядом с инертпыми газами, обладают склонностью принимать их конфигурацию путём отдачи или принятия электронов. У атомов щелочных металлов, стоящих непосредственно за инертными газами, валентный электрон движется вне заполненого слоя и связан с ядром слабо.

У галоидов, стоящих непосредственно перед инертными газами, недостаёт одного электрона для заполненния устойчивого слоя благородного газа. Поэтому они обладают высоким сродством к дополнительному электрону. Они будут иметь электронную структуру подобную инертным газам, если соответствующие атомы отдадут или примут несколько электронов. Например, в ионных соединениях и ионы и имеют электронную конфигурацию неона, а ионы и – электронную конфигурацию аргона. Ионная связь (её также называют полярной, гетерополярной или электровалентной) в таких соединениях является результатом электростатического притяжения разноимённо заряженных ионов. При достаточно тесном сближении ионов их внутренние оболочки приходят в соприкосновение, однако взаимного проникновения этих оболочек не происходит вследствие принципа Паули. В связи с этм возникают силы отталкивания. Связь между слами притяжения и отталкивания и энергией решётки была установлена Борном и Майером в следующем виде

,

где e–заряд электрона, d– расстояние между ионами, величина A – известна под названием постоянной Маделунга и определяется кристаллической структурой соединения. Второй член этого выражения является эмпирическим: он описывает отталкивание между ионами. Кристаллическая структура, свойственная ионным соединениям в значительной степени зависит от относитедльных размеров двух ионов В структуре ионы значительно отличаются по размерам, причём, как видно из рис. а, каждый ион натрия окружён шестью ионами хлора и в свою очередь каждый ион хлора окружён шестью ионами натрия. У соединения CsCl, оба типа ионов которого имеют близкие размеры, решётка построена таким образом, что каждый ион хлора окружён восемью ионами цезия и наоборот – рис. б.

Эти примеры показывают, что яисло ближайших соседей в ионных кристаллах, не является характеристикой данного типа связи. Как правило, кристаллы с преимущественно ионнымр связями отличаются высокой температурой плавления, прочностью и твёрдостью и низким коэффициентом термического расширения. Они также обладают высокопрочной межатомной связью. Поскольку все электроны в ионных кристаллах сосредоточены на орбиталях отдельных атомов, они не могут принимать участие в проводимости, и в связи сэтим ионные кристаллы являются изоляторами.

§3.Ковалентная связь

Стабильный (ns+np)–октет электронов, характерный для инертных газов, можно получить также путём обобществления электронов, принадлежащих разным атомам. Например, у атома хлора не хватает всего одного электрона для образования стабильной конфигурации типа аргона. Следовательно, два атома хлора моеут поделить между собой два электрона,образуя молекулу хлора .Диаграмму этого объединения можно представить в таком виде

Такая связь между двумя атомами известна под названием единичной ковалентной или гомеополярной. Эти два обобществлённых электрона должны иметь противоположно направденные спины, а ковалентную связь можно представить как обменное взаимодействие электронов, принадлежащих двум атомам, в результате которого возникает эффект резонанса, т.е. электроны принадлежат обоим атомам и не связаны ни с одним их них. В общем случае число единичных ковалентных связей, которые может образовать данный атом, равно числу электронов, необходимых для заполнения (ns+np) – подоболочек. Элементы, имеющие N электронов на уровнях (ns+np), будут принадлежать к N–ой группе периодической системы и, следовательно, могут принять участие в образовании (8-N) единичных ковалентных связей. Ковалентная связь характеризуется явно выраженным свойством направленности. Так в кристаллах углерода, германия и кремния в решётке алмаза каждый атом пмещается в центре тетраэдра, образованного четырьмя атомами, являющимися его ближайшими соседями. Связь осуществляется электронами на гибридных sp – орбиталях, направленных к вершинам правильного тетраэдра. Кроме того, имеет свойство насыщаемости,– оно заключается в том, что каждый атом способен образовать связь, лишь с определённым числом соседей. Кристаллы с ковалентной связью отличаются высокими температурами плавления, высокой прочностью и твёрдостью. При этом они, подобно ионным кристаллам являются изоляторами, но с более узкой запрещённой щелью.