Структура кристаллов

Вид связи, действующей между частицами в кристалле, влияет на структуру кристалла, на характер упорядочения частиц в нем.

Для ионных, металлических и вандерваальсовых сил взаимодействия характерны их симметричность и ненаправленность. Действительно, мы видели, что в ионном кристалле любой ион стремится со всех сторон притянуть к себе ионы противоположного знака. Столь же симметричны силы связи в молекулярных и металлических кристаллах.

Симметричный характер сил связи приводит к тому, что ионы (а в молекулярных кристаллах-молекулы) оказываются плотно упакованными. Расположение частиц в таких кристаллах подобно плотной упаковке шаров в некотором объеме. Многообразие факторов, влияющих на характер плотной упаковки ионов в кристалле (число слоев, размер ионов, относительное их количество в веществе) приводит к большому разнообразию пространственных решеток.

Молекулярные, ионные и металлические кристаллы имеют плотноупакованные структуры вследствие того, что силы связи имеют симметричный ненаправленный характер. Кроме того, для этих сил не существует предельного числа атомов, на которые они могут действовать (координационное число определяется не характером связи , а радиусом частиц).

Ковалентные связи имеют совершенно другой характер. Они определяют число возможных «соседей» атома в кристалле и носят, кроме того, направленный характер. Например, атом углерода в кристалле может иметь только четырех соседей, ибо он может образовать только четыре ковалентные связи с окружающими его атомами. Кроме того, электронные облака валентных электронов имеют определенное расположение в пространстве; при «обобществлении» электронов электронные облака, частично перекрываясь, выстраиваются в цепочку и вынуждают атомы занять вполне определенное положение в пространстве. В результате каждый атом углерода оказывается в вершине правильного тетраэдра. Таким образом, структура атомных кристаллов не является плотноупакованной. Она определяется числом и видом ненасыщенных связей атома.

Свойство некоторых веществ – полиморфизм

Ни у кого не вызывает удивления тот факт, что разные вещества, имея различный химический состав, обладают весьма отличными друг от друга свойствами. Гораздо удивительнее то, что некоторые вещества, обладая весьма различными свойствами, имеют одинаковый химический состав. Возьмем, например, олово. Это металл с характерным блеском, белого цвета, ковкий, обладающий, как и все металлы, хорошей электропроводностью и теплопроводностью. И рядом какое-то порошкообразное вещество серого цвета. Кажется, что между ними общего? А между тем химический анализ показывает, что этот порошок тоже олово.

Или алмаз – одно из самых твердых веществ, диэлектрик. Искусные руки ювелира превращают его в бриллиант, сверкающий драгоценный камень, играющий всеми своими гранями. Что общего у него с графитом – черным, легко расслаивающимся, электропроводным? А между тем химический анализ показывает, что графит, как и алмаз, представляет собой углерод в чистом виде.

Отличие алмаза от графита, серого олова от белого объясняется различием их кристаллических структур. У алмаза пространственная решетка объемная, у графита – плоская, слоистая.

Свойство вещества иметь два (или несколько) различные кристаллические структуры называют полиморфизмом.

Полиморфизм присущ практически всем веществам. При одних условиях (температура и давление) энергетически выгодны одни структуры, при других – другие.

Встречаются в природе и обратные случаи, когда два вещества, имея различный состав, обладают сходными свойствами вследствие сходства структур.

Все это говорит о том, что свойства твердых тел в значительной степени объясняются их внутренним строением.

Энергия связи молекул в кристалле.

Рассмотрим взаимодействие двух частиц. На большом расстоянии они практически не взаимодействуют между собой. При сближении атомов (молекул) появляются как силы притяжения между ними, так и силы отталкивания (электрон атома притягивает к себе ядро соседнего атома и отталкивает его электроны). Силы притяжения и силы отталкивания по-разному зависят от расстояния r между частицами. При уменьшении расстояния между частицами силы отталкивания возрастают быстрее, чем силы притяжения.

Зная зависимость характера сил связи от расстояния, можно установить зависимость потенциальной энергии взаимодействия частиц от расстояния. В кристалле все частицы находятся на таких расстояниях друг от друга, которые соответствуют минимуму их потенциальной энергии.

Знание энергии связи частиц позволяет объяснить, почему при одной и той же температуре одни вещества находятся в твердом, другие- в жидком, а третьи- в газообразном состоянии. Если при данной температуре энергия теплового движения гораздо больше энергии связи, вещество будет находиться в газообразном состоянии. Если же энергия теплового движения много меньше энергии связи, то вещество находится в твердом состоянии. В жидком состоянии энергия связи и энергия теплового движения частиц имеют одинаковый порядок.