Кристали: іонні, металеві, молекулярні, атомні. Алотропія

Ми вже говорили про те, що характер хімічного зв’язку часто знаходить відображення в агрегатному стані і фізичних властивостях речовини. Такі іонні сполуки, як хлорид натрію NaCl тверді і тугоплавкі тому, що між зарядами їх іонів ” +” і “-” існують потужні сили електростатичного притягання.

Негативно заряджений іон хлору притягує не тільки “свій” іон Na +, але й інші іони натрію навколо себе. Це призводить до того, що близько будь-якого з іонів знаходиться не один іон з протилежним знаком, а кілька Фактично, біля кожного іона хлору розташовується 6 іонів натрію, а біля кожного іона натрію – 6 іонів хлору. Така впорядкована упаковка іонів називається іонним кристалом. Якщо в кристалі виділити окремий атом хлору, то серед оточуючих його атомів натрію вже неможливо знайти той, з яким хлор вступав у реакцію. Притягнуті один до одного електростатичними силами, іони вкрай неохоче змінюють своє місце розташування під впливом зовнішнього зусилля або підвищення температури. Але якщо хлорид натрію розплавити і продовжувати нагрівати у вакуумі, то він випаровується, утворюючи двоатомні молекули NaCl. Це говорить про те, що сили ковалентного зв’язування ніколи не вимикаються повністю.

По-іншому влаштовані металеві кристали. Якщо розглянути шматочок металевого натрію, то виявиться, що зовні він сильно відрізняється від кухонної солі. Натрій – м’який метал, легко ріжеться ножем, розплющується молотком, його можна без праці розплавити в чашечці на спиртівці (температура плавлення 97,8 оС). Будова кристала металевого Na. З малюнка видно, що атом Na в центрі куба має 8 найближчих сусідів. Але це ж можна сказати і про будь-якому іншому атомі в кристалі, оскільки всі вони однакові. Кристал складається з “нескінченно” повторюваних фрагментів, зображених на малюнку.

На рис. 3-13 металевий кристал виглядає досить простим, але насправді його електронний пристрій складніше, ніж у кристалів іонних солей. На зовнішній електронній оболонці елементів – металів недостатньо електронів для утворення повноцінної ” октетное ” ковалентного або іонного зв’язку. Тому в газоподібному стані більшість металів складається з одноатомних молекул, (тобто окремих, не пов’язаних між собою атомів). Типовий приклад – пари ртуті. Таким чином, металевий зв’язок між атомами металів виникає тільки в рідкому і твердому агрегатному стані.

Описати металеву зв’язок можна таким чином: частина атомів металу в утворюється кристалі віддають в простір між атомами свої валентні електрони (у натрію це… 3s1), перетворюючись на іони (рис. 3-14). Оскільки всі атоми металу в кристалі однакові, кожен з них має рівні з іншими шанси втратити валентний електрон. Іншими словами, перехід електронів між нейтральними і іонізованими атомами металу відбувається без витрат енергії. Частина електронів при цьому завжди виявляється в просторі між атомами у вигляді “електронного газу”. Ці вільні електрони, по-перше, утримують атоми металу на певному рівноважному відстані один від одного. По-друге, вони надають металам характерний ” металевий блиск ” (вільні електрони можуть взаємодіяти з квантами світла). По-третє, вільні електрони забезпечують металам хорошу електропровідність. Висока теплопровідність металів теж пояснюється наявністю вільних електронів в міжатомних просторі – вони легко ” відгукуються ” на зміни енергії і сприяють її швидкому перенесенню в кристалі. На прикладі металу натрію розглянемо природу металевого зв’язку з точки зору уявлень про атомні орбиталях. У атома натрію, як і у багатьох інших металів, є недолік валентних електронів, зате є вільні валентні орбіталі. Єдиний 3s -електрон натрію здатний переміщатися на будь-яку з вільних і близьких по енергії сусідніх орбіталей. При зближенні атомів в кристалі зовнішні орбіталі сусідніх атомів перекриваються, завдяки чому віддані електрони вільно переміщуються по всьому кристалу.

Рідкий сплав натрію і каліяОднако “електронний газ” зовсім не беспорядочен, як може здатися. Вільні електрони в металевому кристалі знаходяться на перекриваються орбиталях і в якійсь мірі усуспільнюється, утворюючи подобу ковалентних зв’язків. У натрію, калію, рубідію та інших металевих s – елементів усуспільнених електронів просто мало, тому їх кристали неміцні і легкоплавкі. Зі збільшенням числа валентних електронів міцність металів, як правило, зростає. У кінці пункту ми ще повернемося до цього питання.

Таким чином, металевий зв’язок схильні утворювати елементи, атоми яких на зовнішніх оболонках мають мало валентних електронів. Ці валентні електрони, які здійснюють металеву зв’язок, усуспільнено настільки, що можуть переміщатися по всьому металевому кристалу і забезпечують високу електропровідність металу.

Кристал NaCl не проводить електричний струм, тому що в просторі між іонами немає вільних електронів. Всі електрони, віддані атомами натрію, міцно утримують біля себе іони хлору. У цьому одна з істотних відмінностей іонних кристалів від металевих.

Те, що ви тепер знаєте про металевої зв’язку, дозволяє пояснити і високу ковкість (пластичність) більшості металів. Метал можна розплющити в тонкий лист, витягнути в дріт. Справа в тому, що окремі шари з атомів в кристалі металу можуть відносно легко ковзати один по іншому: рухливий ” електронний газ ” постійно пом’якшує переміщення окремих позитивних іонів, екрануючи їх один від одного (рис. 3-14).

Зрозуміло, нічого подібного не можна зробити з кухонною сіллю, хоча сіль – теж кристалічна речовина. У іонних кристалах валентні електрони міцно пов’язані з ядром атома (рис. 3-12). Зрушення одного шару іонів щодо іншого призводить до зближення іонів однакового заряду (рис. 3-15) і викликає сильне відштовхування між ними, в результаті чого відбувається руйнування кристала (NaCl – крихка речовина). Ще один вид кристалів – це так звані молекулярні кристали. ” Будівельними деталями ” в них виступають окремі молекули, які утримуються поруч один з одним силами міжмолекулярної взаємодії.

Сублімація йодаТакіе сили можуть мати різну природу – наприклад, у води це водневі зв’язки (ми ще повернемося до них у § 7.4). Молекули також можуть зв’язуватися один з одним слабким електростатичним диполь – дипольним взаємодією – тобто притяганням різнойменних часткових зарядів (як в кристалічних органічних речовинах). Це можуть бути і міжмолекулярні сили, що виникають при поляризації одних молекул іншими – в результаті випадкового перерозподілу електронної густини в однієї з молекул. Така взаємодія називається індукційним або наведеною. Наприклад, молекули I2 неполярні, але складаються з “великих ” (відносно, звичайно) атомів, електронні оболонки яких легко поляризуються під впливом сусідніх частинок або стінок посудини. Сили міжмолекулярної взаємодії слабкіше справжніх хімічних зв’язків, тому молекулярні кристали неміцні. В принципі, ці ж сили утримують молекули один біля одного і в рідинах і молекулярні кристали зазвичай легко плавляться або навіть возгоняются. Сублімація – перехід речовини з твердого стану в газоподібний, оминаючи рідкий (подивіться відеоопит ” сублімація йоду ” з Єдиної колекції цифрових освітніх ресурсів).

Але якщо температура не велика (нижче точки плавлення або сублімації), то молекули збираються в впорядковані каркаси, де кожна з них орієнтована в просторі строго певним чином. Хороший приклад – молекулярні кристали льоду, в яких молекули H2O розташовуються в строгому порядку відносно один одного (рис. 3-16).

Посилання на основну публікацію