§3. Физические типы кристаллических решеток

В зависимости от природы частиц, помещающихся в узлах кристаллической решетки, и от характера сил взаимодействие между частицами различают четыре типа кристаллических решеток и соответственно четыре типа кристаллов: ионные, атомные, металлические и молекулярные.

1. И онные кристаллы. В узлах кристаллической решетки помещаются ионы разных знаков. Силы взаимодействия между ними являются в основном электростатическими. Связь, обусловленная электростатическими силами притяжения между разноименно заряженными ионами, называются гетерополярной или ионной. Примером ионной решетки может быть решетка каменной соли (NaCl) (рис.3). Эта решетка принадлежит к кубической системе. Белыми кружками изображены несущие положительный заряд ионы натрия, черными кружками - отрицательные ионы хлора. Как видно из рисунка, ближайшими соседями иона данного знака будут ионы противоположного знака.

2. Атомные кристаллы. В узлах кристаллической решетки помещаются нейтральные атомы. Связь, объединяющая в кристалле нейтральные атомы, называется гомеополярной или ковалентной. Силы взаимодействия при гомеополярной связи имеют также электрический (но не кулоновский) характер. Объяснение этих сил может быть дано только на основе квантовой механики. Гомеополярная связь осуществляется электронными шарами. Это означает, что в обеспечении связи между атомами участвуют по одному электрону от каждого атома. По этой причине гомеополярная связь имеет направленный характер, причем воздействие направлено на тот атом, с которым у данного атома имеется совместная электронная пара. Гомеополярная связь осуществляется только валентными, т.е. наименее связанными с атомом электронами, число связей данного атома с соседями определяется его валентностью. Типичными примерами атомных кристаллов могут служить алмаз и гранит. Обе эти вещества тождественны по химической природе, но отличаются кристаллическим строением.

3. Металлические кристаллы. Во всех узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль "цемента", удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решетки и не могут ее покинуть.

4. Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы. Силы связи между молекулами в кристалле имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящие к отклонению газов от идеальности. По этой причине их называют Ван-дер-Ваальсовскими силами. Молекулярные решетки образуют следующие вещества: Н₂, N₂, O₂, CO₂, H₂O. Таким образом, обычный лед, а также так называемый сухой лед (твердая углекислота) представляют собой молекулярные кристаллы.

§4. Тепловое движение в кристаллах

Узлы кристаллической решетки определяют средние положения частиц.

С

Рис.4

ами же частицы (ионы, атомы или молекулы) непрерывно колеблются около этих средних положений, причем интенсивность колебаний растет с температурой силы притяжения между частицами, образующими кристалл, на достаточно малых расстояниях сменяются быстро возрастающими с уменьшением расстояния силами отталкивания. Это справедливо и для двух разноименных ионов, так как при большом сближении электронных оболочек ионов начинают сильно оказываться силы отталкивания между ними. Таким образом, взаимодействие между частицами любого вида в кристалле может быть представлено потенциальной кривой, изображенной на рисунке. Кривая несимметрична относительно минимума. Поэтому только очень малые колебания частиц около положения равновесия будут иметь гармонический характер. С ростом температуры амплитуда колебаний растет, и все сильнее проявляется ангармоничность, т.е. отклонение колебаний от гармонических. Это приводит к возрастанию средних расстояний между частицами, и, следовательно, к увеличению объема кристалла. Так объясняется расширение кристаллов.