Атомные кристаллы

В узлах кристаллической решётки атомных кристаллов находятся атомы. Связь между ними ковалентная. Эта связь возникает между двумя атомами за счёт образования общей пары валентных электронов по одному от каждого атома, т.е. вызвана обменным электронным взаимодействием между атомами.

Типичными представителями кристаллов с чисто ковалентной связью являются: алмаз, кремний, германий, серое олово, а также алмазоподобные соединения A³B⁵,A¹B⁶, A¹B⁷, при образовании которых наряду с ковалентной связью всегда возникает дополнительная ионная компонента связи.

Несколько валентных электронов являются общими для атома и его соседей, поэтому невозможно выделить какую- либо группу атомов, которую можно рассматривать как химически насыщенную.

Весь кристалл представляет собой огромную молекулу. Механизм образования молекулы с ковалентной связью рассматривался в разделе «Квантовая механика».

Металлические кристаллы

Металлические твёрдые тела имеют следующие особенности: высокую электропроводимость, металлический блеск, который связан с большими коэффициентами отражения электромагнитных волн, высокую пластичность и другие. Удельная электропроводимость металлов при комнатных температурах 10^{8 ―}10⁶ Ом^-1 м^-1, тогда как типичные неметаллы проводят ток в 10²⁴ раз хуже. Для металлов характерно возрастание электропроводимости с понижением температуры. Из 105 элементов таблицы Менделеева 19 не являются металлами.

Эти специфические свойства обусловлены наличием в металлах свободных электронов. Металлическая связь возникает при взаимодействии атомов электроположительных элементов, внешние валентные электроны которых связаны с ядром относительно слабо.

При образовании твёрдого состояния в результате перекрытия волновых функций металлических атомов движение электронов претерпевает радикальное изменение, в результате которого электроны обобществляются (например, у атомов Na). Каждая соседняя пара электронов предпочла бы образовать молекулу, с тем, чтобы поделить себя между двумя атомами, но у каждого атома Na в твёрдом состоянии имеется в среднем восемь соседей и только один валентный электрон, который должен быть поделён с каждым из этих соседей. В отличие от случая ковалентной связи, когда пара электронов курсирует между двумя соседними атомами, коллективизированному электрону в металле приходится совершать довольно сложный путь, посещая по очереди каждый атом (положительный ион) твёрдого тела. В описанной ситуации все ионы обладают всеми электронами вместе, и электроны могут свободно перемещаться от одного иона к другому.

Таким образом, в металле внешние валентные электроны коллективизированы и образуют газ, заполняющий пространство между ионами. Положительно заряженные ионы стягиваются отрицательно заряженным электронным газом в кристалле, т.е. связь в решётке металла возникает в результате взаимодействия положительных ионов с электронным газом.

Взаимодействие положительных атомных остатков друг с другом не сводится только к их взаимному отталкиванию, а заключается также в перекрытии их внешних электронных оболочек, ведущем к образованию валентных связей. Именно это перекрытие и определяет образование того или иного типа кристалла.

Металлы успешно описываются ионной моделью кристалла - положительно заряженные ионы расположены в узлах кристаллической решётки, а коллективизированные электроны равномерно распределены между ионами.

Свободные электроны в металле определяют как электрические свойства, так и кристаллическую структуру. Металлическая связь ненаправленная и ненасыщенная в результате наличия свободных электронов.

Большинство металлов кристаллизуется в структуры с плотнейшей шаровой упаковкой атомов с максимальными координационными числами (до 12).