Типы связей в кристаллах
Классификация кристаллов по кристаллическим системам дает предста-вление о геометрических характеристиках кристалла, но не затрагивает во-проса о природе сил, удерживающих атомы (молекулы или ионы) в опре-деленных местах друг относительно друга -- в узлах кристаллической решетки. Классификацию кристаллов можно провести по другому принци-пу -- в зависимости от физической природы сил, действующих между части-цами кристалла. В таком случае мы получаем четыре типа кристаллов (и кристаллических решеток): ионные, атомные, металлические и молекуляр-ные. Фактически, рассматривая кристаллы с этой точки зрения, мы ищем структуру основного состояния.
Атомные кристаллы. В узлах кристаллической решетки атомных кристаллов находятся атомы того или другого вещества. Атомные или го-меополярные кристаллы образуются при наличии так называемой гомеопо-лярной или ковалентной связи. Такая связь есть результат квантовомеха-нического обменного взаимодействия, которое подробно разбиралось раньше на примере молекулы водорода. Ковалентная химическая связь возникав!' между двумя атомами за счет образования общей пары валентных электро-нов по одному от каждого атома. За счет ковалентных связей образуют-ся кристаллы углерода (алмаз), кремния, германия, серого олова. Гомеопо-лярная связь бывает не только между одинаковыми атомами, но и между атомами различных элементов -- например, карбид кремния SiC, нитрид алюминия A1N
Ковалентная связь образуется в том направлении, в котором расположена наибольшая часть электронного облака обобществленных электронов. Это означает, что такая связь имеет направленный характер и под влиянием го-меополярной связи атомы не только устанавливаются на определенных рас-стояниях друг от друга, но и образуют определенные пространственные кон-фигурации. Ковалентная химическая связь очень прочна, поэтому атомные кристаллы отличаются высокой температурой плавления, большой твердо-стью и малой летучестью.
Ионные кристаллы. В узлах кристаллической решетки ионных кри-сталлов находятся ионы. Ионы располагаются так, что силы кулоновского притяжения между ионами противоположного знака больше, чем силы от-талкивания между ионами одного знака. Таким образом, ионная связь (она также называется полярной, гетерополярной) обусловлена преимуществен-но электростатическим взаимодействием противоположно заряженных ио-нов. Ионная связь является типичной для неорганических соединений. Силы электростатического притяжения и отталкивания между ионами обладают сферической симметрией, и поэтому ионы разных знаков ведут себя подобно твердым шарам, притягивающимся друг к другу.
Возникает естественный вопрос: почему многие атомы легко присоединя-ют электрон и становятся электроотрицательными ионами (как, например, хлор)? Казалось бы, у нейтрального атома нет сил кулоновского взаимо-действия с электроном. На самом деле, действительно, взаимодействие ней-трального атома с электроном не является следствием статического притя-жения. Электрон наводит в атоме электрический днпольный момент, в ре-зультате чего возникает потенциал притяжения, пропорциональный 1/г* и действующий на больших расстояниях. Во многих случаях этот поляризаци-онный потенциал притяжения достаточно велик для того, чтобы свободный атом смог присоединить добавочный электрон.
Число ионов противоположного знака, которое составляет ближайшее ок-ружение данного иона в кристалле, называется координационным числом К. Значение координационного числа определяется величиной отношения ра-диусов ионов противоположного знака гл/гд. Чем ближе это отношение к единице, тем больше К. Так, например, при равенстве ионных радиусов (гл = гд) К = 12, при гд/гв < 0,22 координационное число К -- 2.
Достаточно хорошей моделью ионных кристаллов является модель твер-дых шаров. Это связано с тем, что степень ионизации атомов, составляющих ионный кристалл, часто такова, что электронные оболочки всех ионов со-ответствуют электронным оболочкам, характерным для атомов инертных газов. Так, например, электронная оболочка иона Na+ подобна Ne, иона С1~ -- Аг, и тем самым ионный кристалл состоит как бы из сферических заряженных атомов. Поэтому тип решетки ионных кристаллов практически определяется соотношением ионных радиусов. Например, кристаллы хло-ристого натрия имеют структуру граненентрированной кубической решетки вследствие того, что размер иона хлора (1,81 А) почти вдвое превышает раз-мер иона натрия (0,98 А); при таком соотношении ионных радиусов в центре кубической ячейки хлористого натрия свободное пространство оказывается недостаточным для размещения еще одного иона и образования объсмноцен-трированной ячейки. Иначе обстоит дело с кристаллом хлористого цезия. Размеры ионов хлора и цезия близки (1,81 и 1,65 А), пространство и центре элементарного куба оказывается достаточным для размещения еще одно-го иона, и энергетически выгоднее оказывается более плотно упакованная структура -- объемноцептрированный куб.
Металлические кристаллы. Как и в ковалептных кристаллах, в уз-лах пространственной решетки металлических кристаллов размещаются со-вершенно одинаковые частицы (для простоты рассуждений мы будем рас-сматривать чистые металлы, а не сплавы). При конденсации паров метал-ла в жидкое или твердое состояние его атомы сближаются столь близко, что волновые функции валентных электронов существенно перекрывают-ся и становятся «общими» для всего объема металла. Поэтому валентные электроны п металлах принято называть обобществленными или коллекти-визированными. Можно говорить в таком случае, что внутри металлическо-го кристалла имеется свободный электронный газ. Электроны связывают положительные ионы металла в прочную систему.
Если исходить из модели плотной упаковки шаров, то можно определить атомный радиус элемента как половину расстояния между соседними ато-мами. Атомный радиус металла значительно больше его ионного радиуса в каком-либо соединении. Например, радиус иона натрия в кристаллах пова-ренной соли равен 0,98 А, а его атомный радиус в кристалле металлического натрия -- 1,89 А. Это говорит о том, что одноименно заряженные ионы ме-талла в металлическом кристалле не могут сближаться так же тесно, как разноименные ионы в ионных соединениях.
Если предположить, что ионы металла имеют сферическую форму, то можно полагать, что структура таких кристаллов должна соответствовать плотной упаковке шаров одинакового размера -- гранецентрированному или объемно центрированному кубу, либо гексагональной решетке. Ближе всего к идеальной плотноупаковашюй гексагональной решетке подходит решетка магния. Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решетки таких кристаллов находятся устойчивые молекулы, которые сохраняют индиви-дуальность не только в газообразной, но и в жидкой и твердой фазах (На, N2, Cfo, Bra, CH, CC>2, H2O}. Молекулы удерживаются в узлах решетки до-вольно слабыми вандерваальсовскими силами, природа которых сводится к взаимодействию между молекулярными диполями.
Различают три вида взаимодействия молекул, связанных силами Ван-дер-Ваал ьса.
1. Если молекулы данного вещества являются электрическими диполями, то силы электростатического взаимодействия между ними будут стремить-ся расположить молекулы в определенном порядке, которому соответствует минимум потенциальной энергии. Такой тип взаимодействия полярных мо-лекул, зависящий от их ориентации, называется ориентационным.
2. Неполярные молекулы некоторых веществ обладают высокой поляри-зуемостью, поэтому под влиянием внешнего электрического поля (напри-мер, при приближении полярной молекулы) у таких молекул возникает на-веденный (индуцированный) электрический момент. При сближении такие индуцированные диполи будут взаимодействовать друг с другом аналогично взаимодействию жестких диполей. Такое взаимодействие называют индук-ционным или поляризационным.
3. Возможен и так называемый дисперсионный вид взаимодействия. Это динамическое по своей природе взаимодействие является результатом того, что атом (молекула) обладает вследствие движения электронов переменным по величине и направлению дипольным моментом, равным произведению заряда электрона на радиус его орбиты. Энергетически оказывается более выгодной такая конфигурация соседних атомов, когда мгновенные значе-ния дипольных моментов соседних атомов совпадают по направлению, что приводит к возникновению притяжения между ними.
Силы Ван-дер-Ваальса являются более короткодействующими, чем ку-лоновские силы. Кулоновские силы пропорциональны г , а вандервааль-ские -- ~ г~6. Эта зависимость легко получается из рассмотрения поляриза-ционного взаимодействия, когда статический диполь с моментом р] наводит дипольный момент р2 = 2ар|/т-3. Так как pi || р2, то потенциальная энергия равна
U(г) = -2Р1р2/г3 - 4ар?/г6. (7.2)
Силы Ван-дер-Ваальса всегда слабы, поэтому молекулярные связи четко проявляются лишь в тех случаях, когда они возникают между нейтральны-ми атомами или молекулами. Многие органические соединения (парафино-вые цепи и жирные кислоты) образуют молекулярные кристаллы.
Одним из видов межмолекулярного взаимодействия является и водород-ная связь. Водородная связь между молекулами осуществляется атомом водорода, который, будучи химически связан с одной молекулой (напри-мер, через гидроксил), одновременно взаимодействует с атомом кислорода другой молекулы. Соединения с водородной связью обладают тенденцией к полимеризации. Существенную роль водородная связь играет во взаимо-действии молекул воды, побуждая их ассоциироваться в группы из двух, четырех или восьми молекул, что обусловливает аномальные физические Конечно, классификация кристаллов по типам связи достаточно условна, ибо в ряде случаев трудно отнести с определенностью кристаллы лишь к то-му или иному классу. Но, тем не менее, приближенная классификация ока-зывается во многих случаях очень полезна, так как она позволяет выявить физическую природу сил, а значит и свойства образующихся структур.
7.4. Жидкие кристаллы
Большинство веществ может находиться только в трех агрегатных состо-яниях: твердом, жидком или газообразном. Однако некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, могут образовывать четвер-тое, жидкокристаллическое. Как следует из самого названия, речь идет о специфическом агрегатном состоянии вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Оказывается, что при плав-лении кристаллов этих веществ образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
