ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Типы кристаллических веществ из "Общая химия" Существует множество кристаллических веществ различных типов, различия между которыми обусловлены несколькими факторами. До сих пор мы описывали кристалл как пространственную решетку, в узлах которой находятся атомы или частицы шаровой формы. На самом же деле узлы кристаллической решетки часто бывают заняты вовсе не шарообразными частицами. Мы уже упоминали о том, что в кристаллах металлических веществ число ближайших соседей может изменяться от 12 до 6, однако во многих кристаллических веществах это число равно всего лишь 4. [c.176] Рассмотрим теперь некоторые, наиболее распространенные типы кристаллов и выясним, какое влияние оказывают на их строение перечисленные факторы. [c.176] Кристаллическая решетка дает представление о правильном расположении атомов, ионов или молекул в кристаллическом веществе, но не позволяет объяснить многие его свойства. Она почти не дает сведений о силах, действующих между атомами, ионами или молекулами вместе с тем различия между некоторыми типами кристаллических веществ обусловлены главным образом природой сил взаимодействия между образующими их частицами. [c.176] Самые слабые силы взаимодействия между частицами существуют в молекулярных кристаллах, к числу которых относятся, например, кристаллы диоксида углерода, серы, бензола, иода и азота. Эти вещества состоят из молекул, слабо взаимодействующих друг с другом. Взаимодействие между их молекулами относится к такому же типу, который описывается поправочным членом в уравнении Ваи-дер-Ваальса. В кристаллических веществах рассматриваемого типа расположение молекул определяется в основном их формой, дипольным моментом и поляризуемостью. Поскольку силы межмолекулярного взаимодействия невелики, для молекулярных кристаллов характерны низкие температуры плавления или сублимации, мягкость или хрупкость, а также необычайно высокое давление паров над их поверхностью. Наличие запаха у таких твердых веществ, как камфора, нафталин или иод, свидетельствует о том, что их молекулы легко испаряются с поверхности твердого вещества. Электропроводность молекулярных кристаллов очень мала, потому что в их молекулах существует ковалентная связь, и способность электронов перемещаться между молекулами оказывается чрезвычайно низкой. [c.176] В кристаллических веществах другого типа действуют большие силы кулоновского (электрического) взаимодействия между образующими их частицами. Твердые вещества этого типа называются ионными кристаллами. В качестве примера можно привести многие известные соли, скажем Na l или КС1. Поскольку электрическое поле, создаваемое каждым ионом, обладает ненаправленным характером, в ионных кристаллах положительные ионы со всех сторон окружены отрицательными ионами и, наоборот, отрицательные ионы окружены положительными ионами. В большинстве простых солей вокруг каждого иона располагается по шесть или восемь ионов с зарядом противоположного знака, причем это число зависит от относительных размеров катиона и аниона. Как правило, если отношение этих радиусов, Гк ,тион/ тион, находится в пределах от 0,73 до 0,41, ионный кристалл имеет такую же структуру, как Na l, с числом ближайших соседей каждого иона, равным шести (рис. 10.14). При больших значениях отношения ионных радиусов у каждого иона оказывается восемь ближайших соседей с зарядами противоположного знака, как это показано для кристаллической структуры s l на рис. 10.15. [c.177] соединяющие частицы ионного кристалла в единое целое, очень велики, поэтому многие свойства таких кристаллов значительно отличаются от свойств молекулярных кристаллов. Как правило, вещества ионного типа имеют высокие температуры плавления и кипения и характеризуются чрезвычайно низким давлением паров они растворяются только в наиболее полярных растворителях. Хотя ионным веществам приписывают обычные формулы (например, Na l, Сар2, А12(804)з и т. д.), сведения о строении их кристаллов не дают никаких оснований считать, что они обладают молекулярным составом. В связи с этим следует напомнить, что формулы ионных веществ отражают лищь брутто-состав ионных частиц. На основании формул нельзя сделать выводы о расположении частиц в веществе или о его молекулярном составе. [c.178] Кристаллические структуры, частицы которых соединяются друг с другом в результате обобществления электронных пар, относятся к совершенно иному типу твердых веществ, называемых ковалентными кристаллами. Силы взаимодействия между атомами в таких кристаллах аналогичны силам, действующим между атомами в ковалентных молекулах, как, например, СО2, ССЦ или КНз. Однако ковалентные кристаллы в отличие от молекул простираются на несравненно большие расстояния во всех трех измерениях, и поэтому говорят, что в них существует протяженный трехмерный каркас ковалентных связей между соседними атомами. Наиболее известным представителем ковалентных кристаллов является алмаз (рис. 10.16). В кристаллической структуре алмаза каждый атом углерода ковалентно связан с четырьмя соседними атомами углерода, располагающимися вокруг него в тетраэдрической конфигурации. Ориентация четырех возникающих в этом случае связей ничем не отличается от существующей в молекулах с простыми углерод-углеродными связями, поэтому весь кристалл алмаза можно рассматривать как одну молекулу. Поскольку протяженность системы углерод-углеродных связей в алмазе чрезвычайно велика, этот кристалл и подобные ему кристаллические ковалентно связанные вещества иногда называют гигантскими молекулами. [c.179] Однако, чтобы лучше представить себе эту структуру, следовало бы изобразить па рисунке восемь подобных ячеек. [c.179] Еще одним примером ковалентного кристалла, который также можно отнести к гигантским молекулам, является кварц 8102. кристалле кварца каждый атом кремния ковалентно связан с четырьмя окружающими его атомами кислорода. Каждый из этих атомов кислорода в свою очередь связан с атомами кремния, и таким образом через весь кристалл простирается непрерывный каркас связей 81—О—81. Подробное расположение атомов существует в многочисленных силикатных минералах, в которых структурные группы 8104 соединяются друг с другом, образуя одномерные цепи, двумерные слои или трехмерный каркас, В глинах, слюдах и других минералах плоские слои, состоящие из групп 8104 , ковалентно связаны с чередующимися с ними плоскими слоями гидроксида алюминия А12(0Н)(5, образуя структуры, подобные слоеному пирогу. Кристалл полевого шпата содержит трехмерный каркас чередующихся групп оксида алюминия и оксида кремния, ковалентно связанных в одну гигантскую молекулу (см. гл. 21). [c.179] Существуют также металлические кристаллы с кубической объемноцентрированной решеткой (см. рис. 10.5), к их числу относятся щелочные металлы, -модификация железа и др. Гексагональная и кубическая плотноупакованные структуры больше всего распространены среди металлов. [c.180] Описанные структуры позволяют объяснить многие свойства металлов. Например, хорошая ковкость таких металлов, как серебро или медь, обусловлена тем, что в их кристаллах слои атомов способны скользить вдоль так называемых плоскостей скольжения. Плоскости скольжения располагаются наиболее регулярно и имеются в наибольшем количестве в кристаллах с кубической плотноупакованной структурой, которой обладают наиболее ковкие и пластичные металлы. Наличие в металле небольшого количества примесей, как, например, в сплавах, означает появление в их кристаллической решетке атомов другого размера. Такие неоднородности могут очень сильно искажать плоскости скольжения и препятствовать скольжению одних атомных плоскостей вдоль других. Наиболее ярким примером такого влияния служит сплав меди с небольшим ( 1%) количеством бериллия. Этот сплав обладает такой твердостью и упругостью, что из него получаются прекрасные пружины вместе с тем хорошо известно, что медь—довольно мягкий и податливый металл. [c.180] Свойства кристаллических веществ различных типов перечислены в табл. 10.2. [c.180] Вернуться к основной статье