§2. Классификация кристаллов по типу молекул, составляющих кристалл

Кристаллизация вещества осуществляется благодаря силам притяжения, действующим между его молекулами; однако на малых расстояниях начинают преобладать силы отталкивания, которые будут препятствовать дальнейшему сближению молекул. В результате молекулы будут доведены до такого взаимного расположения, когда силы взаимодействия между молекулами окажутся равными нулю или, что тоже, потенциальная энергия станет минимальной. Это будет наблюдаться, очевидно, тогда, когда энергией теплового движения молекул можно пренебречь, что соответствует температуре близкой к абсолютному нулю.

Образовавшееся состояние вещества называют кристаллическим. Оно характеризуется максимально плотной упаковкой частиц и высокой упорядоченностью строения.

Физические свойства этой упорядоченной кристаллической структуры существенным образом зависят от типа или сорта молекул, составляющей ее. Все кристаллы можно подразделить на четыре группы: ионные, атомные, металлические и молекулярные.

1 . Ионные кристаллы. В этом случае твердое тело образуется из положительных и отрицательных ионов разных атомов, которые попеременно и регулярно располагаются в пространстве, создавая правильную пространственную решетку. Взаимное притяжение между ионами создаст ионную связь. Типичными ионными кристаллами являются NaCl, CsCl, CaF₂ (полевой шпат). В качестве примера на рис. 39 приведена структура каменной соли (NaCl), где ионы Na⁺ и Cl^– изображены соответственно белыми и серыми шарами. Ионы Na⁺ и Cl^– расположены друг за другом в узлах кубической решетки. Такую решетку можно построить путем многократной трансляции элементарной ячейки (которая имеет форму куба) по трем взаимноперпендикулярным направлениям в пространстве с шагом, равным а (ребру элементарного куба).

И онные кристаллы слабо расширяются при нагревании и имеют высокую температуру плавления, что свидетельствует о большой прочности ионной связи. Чем больше заряд иона, тем выше температура плавления ионного кристалла. Например, NaCl плавится при ºC, а CaO (Ca²⁺, O^2–) — при ºC. Ионные кристаллы обычно не проводят электричества, так как у них электроны прочно удерживаются на орбитах отдельных ионов. Однако при нагревании до достаточно высокой температуры (у NaCl до 550 ºC) ионные кристаллы становятся проводниками с ионной проводимостью.

2. Атомные кристаллы состоят из атомов, которые связаны друг с другом ковалентными связями, образующимися благодаря тому, что у двух или нескольких соседних атомов создаются общие (коллективизированные) электроны. Поскольку ковалентные связи весьма прочны, вещества, имеющие атомные решетки, всегда являются твердыми, тугоплавкими; они практически нерастворимы. Алмаз, например, — атомный кристалл. Атомные кристаллы являются непроводниками электричества не только при высоких температурах, но и даже в расплаве.

3. Металлы представляют собой положительные ионы, окруженные средой хаотически перемещающихся свободных электронов. Таким образом, металл можно представить себе как ионный «каркас», погруженный в «электронный газ». Металлы отличает хорошая теплопроводность и электропроводность, оптическая непрозрачность и сильная отражательная способность.

4. Молекулярные кристаллы состоят из молекул, связанных друг с другом силами взаимодействия между молекулярными диполями, которые называют вандер-ваальсовыми. Молекулярные решетки образуют твердые водород, хлор, углекислота, нафталин и др. Так как силы, удерживающие молекулы в кристалле, сравнительно невелики, то молекулярные кристаллы легкоплавки, твердость их невелика, они имеют большой коэффициент сжимаемости, а также большой коэффициент расширения.