1.3. Влияние типа связи на структуру и свойства кристаллов

1.3.1. Взаимодействие частиц в кристаллах

Тип связи, возникающий между частицами в кристалле, определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Частицы в кристалле сближаются на определенное расстояние, которое обеспечивает кристаллу наибольшую термодинамическую стабильность. Расстояние определяется взаимодействием сил, действующих в кристалле.

Силы притяжения возникают благодаря взаимодействию электронов с положительно заряженным ядром собственного атома, а также с положительно заряженными ядрами соседних атомов.

Силы отталкивания образуются в результате взаимодействия положительно заряженных ядер соседних атомов при их сближении. Они проявляются при сильном сближении и растут интенсивнее, чем силы притяжения (рис 1.8).

Рис. 1.8. Силы взаимодействия частиц в кристалле

Уравновешивание происходит при сближении частиц на расстояние d_о. Этому сближению соответствует минимум энергии связи Е_св, что делает кристалл термодинамически стабильным. Энергия связи Е_св для различных кристаллов различна:

Кристалл	Ar	CH4	Алмаз	SiC	LiF	NaCl	Fe	La
Энергия Кдж/моль	7,5	10	750	1180	1000	750	390	110
Тип связи	Молекулярная		Ковалентная		Ионная		Металлическая

Энергия связи определяет температуру плавления, модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения и др.

Электронное строение атомов при сближении в кристалле претерпевает существенные изменения. Энергетические подуровни превращаются в зоны, которые, перекрываясь, делают возможным обмен и обобществление валентных электронов. Плотность заполнения электронных валентных зон определяет электрические и тепловые свойства.

Наличие незаполненных подуровней в валентной зоне металлов обеспечивает кристаллам хорошую электрическую проводимость.

Кристаллы с заполненной валентной зоной по своим электронным свойствам относятся к полупроводникам или диэлектрикам.

По характеру связи все кристаллы делятся на молекулярные, ковалентные, металлические, ионные.

1.3.2. Молекулярные кристаллы

Кристаллы, в которых преобладает молекулярная связь, возникающая между любыми частицами (ионами, атомами, молекулами) называют молекулярными. Для многих кристаллов она мала, по сравнению с другими, более прочными связями.

В кристаллах инертных газов эта связь единственная, и она определяет структуру и свойства кристаллов, которые образуются при очень низких температурах.

Атомы инертных газов имеют полностью достроенные энергетические уровни, поэтому при сближении атомов обмен электронами невозможен. Возникновение сил притяжения между атомами объясняют их мгновенной поляризацией при сближении.

Аналогичные связи действуют между молекулами с насыщенными связями в кристаллах двухатомных газов H₂, N₂, Cl₂ (при очень низких температурах), в кристаллах I₂, H₂O, CO₂, CH₄ и др. органических веществ – при нормальных условиях.

Силы Ван-дер-Ваальса (межмолекулярные взаимодействия) не имеют направленного характера, т.к. мгновенный диполь образуется с каждым из соседних атомов. В результате атомы, стремясь увеличить число соседей в кристаллической решетке, укладываются наиболее компактным образом. Типичной решеткой для инертных газов является – гранецентрическая кубическая (ГЦК) (рис. 1.2 б).

Энергия связи сил Ван-дер-Ваальса невелика, поэтому молекулярные кристаллы имеют низкие температуры плавления и легко возгоняются.

Молекулярные кристаллы – диэлектрики, плохо проводящие электрический ток.