4.8. Типи хімічного зв’язку між частинками в кристалах

Коли речовина знаходиться у газоподібному стані, частинки газу хаотично рухаються і при цьому більшу частину часу знаходяться на великій (у порівнянні з їх власними розмірами) відстані одна від одної. Внаслідок цього сили взаємодії між ними зневажливо малі. Коли речовина знаходиться в конденсованому, рідкому або твердому стані, відстані між молекулами незначні. Сили Ван-дер-Ваальса утримують частинки рідкого або твердого тіла одна біля одної. Тому речовина в конденсовану стані, на відміну від газів, має сталий при даній температурі об’єм.

Кристалічні речовини класифікуються за симетрією кристалів (кубічні, тетрагональні й т.п.) або за типом хімічного зв’язку (іонний, ковалентний, металевий, молекулярний). Обидва типи класифікації доповнюють один одного. Перша класифікація більш зручна у випадку оцінки оптичних властивостей кристалів, а також їх каталітичної активності. Порівняльну оцінку теплоти плавлення, твердості, електропровідності, розчинності зручніше робити на підставі типу хімічного зв’язку між частинками в кристалі.

Структурними одиницями у кристалічній гратці ковалентних (атомних) кристалів вважаються атоми одного або різних елементів, зв’язок між якими має ковалентний характер. Ковалентних кристалів небагато: алмаз, кремній, германій, кварц (SiO₂), цинку сульфід і деякі інші. Хімічний зв’язок між атомами, що знаходяться в кутах кристалічної гратки, міцний, тому такі кристали мають твердість і високу температуру плавлення. Іонні кристалічні гратки складаються з позитивних і негативних іонів, між якими діють електричні сили взаємодії. Іонні кристали утворюються при різкій різниці електронегативностей взаємодіючих елементів: NaCl, CaF₂, KF і под.

Іонний кристал треба розглядати як одну гігантську молекулу, в якій кожен іон зазнає значної дії з боку всіх оточуючих його іонів. Енергія зв’язку в таких кристалах велика, тому іонні кристали володіють високою міцністю, температурою плавлення і т.п.

У вузлах кристалічної гратки металу знаходяться його позитивні іони, а між вузлами вільно переміщуються електрони – електронний газ із валентних електронів. Валентні електрони беруть участь в утворенні зв’язку одночасно з вісьмома або дванадцятьма атомами, кожен з яких у свою чергу входить до сусіднього угрупування. Наявністю електронного газу в кристалічній гратці метала пояснюються характерні властивості металів: висока тепло- і електропровідність, пластичність, здатність до фотоефекту.

Структурні одиниці в молекулярних кристалах – це молекули. Між ними діють сили Ван-дер-Ваальса, які набагато слабкіші сил хімічної взаємодії. Тому кристали з молекулярним типом гратки відрізняються незначною механічною міцністю, низькою температурою плавлення, високою леткістю та ін.

Питання для самоперевірки

1. Назвіть загальні ознаки ковалентного та іонного зв'язків.

2. За якою ознакою відрізняється між собою ковалентний неполярний, ковалентний полярний та іонний зв'язки?

3. Чим відрізняється водневий зв’язок від донорно-акцепторного?

4. Назвіть особливості металевого зв’язку.

5. Яким чином енергія і довжина зв’язку впливають на властивості молекул?

6. Як тип зв’язку між частинками в кристалі впливає на їх властивості?

7. Що таке гібридизація атомних орбіталей? Яким є просторове розташування відносно центрального атома sp-, sp²-, sp³-, d²sp³-гібридних орбіталей?

8. Який ковалентний зв’язок називається δ- і π-зв’язком ? Як метод валетних зв’язків пояснює будову молекули кисню?

Розглянутий навчальний матеріал дає можливість студентам мати уявлення про природу і властивості хімічного зв'язку, а також зрозуміти, що будова молекул, їх реакційна здатність у значній мірі залежить від типу й міцності хімічного зв'язку між атомами у молекулі.

49