Типы кристаллических решеток и свойства веществ

По характеру структуры кристаллические решетки всех веществ относят к одному из четырех основных типов:

а) молекулярная решетка,

б) атомная,

в) ионная,

г) металлическая.

В основу этой классификации положен род структурных частиц (молекулы-атомы-ионы), находящихся в узлах кристаллической решетки.

Молекулярная решетка

В узлах молекулярной решетки находятся полярные или неполярные молекулы, связанные между собой слабыми силами межмолекулярного взаимодействия (силами Ван-дер-Ваальса). Молекулы в кристалле способны совершать незначительные колебания различного характера. Вещества с молекулярным типом решетки, например, органические вещества, кристаллы инертных газов и большинства неметаллов, сухой лед (СО₂ тверд.) обладают малой твердостью, низкими температурами плавления и кипения. Эти характеристики объясняются тем, что при приложении незначительной  энергии межмолекулярные связи разрываются и кристалл разрушается с образованием отдельных молекул, что и наблюдается  при плавлении и при испарении кристаллов. Внутри отдельных молекул атомы связаны значительно более прочными связями (ковалентными полярными или неполярными). Эти связи разрушаются при более высокой температуре, и молекулы распадаются на составляющие их атомы (происходит термическая диссоциация).

Атомная решетка

В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы. Роль сил межмолекулярного взаимодействия здесь играют достаточно прочные ковалентные связи. Выделить из общей массы атомов один невозможно. Вещества с атомным типом кристаллической решетки (алмаз, бор, кремний, карборунд SiC, нитрид алюминия и другие) характеризуются очень большой твердостью, иногда сочетающейся с хрупкостью, нерастворимостью в обычных растворителях, очень высокими температурами плавления и кипения. Все связи в кристалле равноценны. При разрыве этих связей, достигаемом лишь при высокой температуре, кристалл диссоциирует на отдельные атомы: плавление, кипение и термическая диссоциация практически совпадают.

Ионная (координационная) решетка

В узлах ионной кристаллической решетки находятся чередующиеся положительные и отрицательные ионы, связанные между собой силами кулоновского взаимодействия. Особенностью этих сил является их ненасыщаемость. Это приводит к тому, что отдельный ион координирует вокруг себя несколько ионов противоположного заряда. Ионы в кристаллах совершают упорядоченные колебания. Энергия связей между противоположно заряженными ионами очень велика, и такие кристаллы, казалось бы, должны обладать наиболее высокой твердостью и высокими температурами плавления и кипения. На самом деле эти свойства у них ниже, чем у кристаллов с атомной структурой. Причина заключается в том, что наряду с силами притяжения в кристалле действуют силы отталкивания между одноименно заряженными ионами, причем соотношение этих сил приводит к определенному равновесному состоянию. Вещества с ионной решеткой растворимы в той или иной степени в полярных растворителях.

Металлическая решетка

В узлах металлической решетки находятся положительно заряженные ионы металлов, окруженные электронами. Эти электроны, связанные отчасти с ионами силами электростатического взаимодействия, являются «полусвободными», иначе говоря «не прикреплены» к отдельным ионам, а более или менее свободно перемещаются между ними. Этот «электронный газ» обусловливает типичные для металлов свойства: тепло- и электропроводность, серовато-серебристый (у большинства металлов) цвет, металлический блеск (отражательную способность), способность отражать радиоволны, пластичность, ковкость и в то же время достаточную прочность (результат обволакивания ионов «электронным газом»). Подходя к катиону металла, электроны образуют с ним на мгновение электронейтральную частицу, которая быстро разрушается и через мгновение такой же непрочный «атом» образуется с этим или другим электроном и другим ионом металла. Между «атомами» возникают мгновенные ковалентные связи. Это и приводит к возникновению особой металлической связи, промежуточной по характеру между ионной и ковалентной, качественно отличающейся от той и другой и наблюдаемой лишь в куске металла. Энергия электронов в металле недостаточна, чтобы они могли «оторваться» от катионов металла и самопроизвольно покинуть металлическую решетку. Но при подведении энергии извне выход электронов наблюдается: фотоэлектрический эффект, термоэлектронная эмиссия. Прочность и температуры плавления и кипения у металлов не всегда имеют промежуточные значения между этими же свойствами у веществ с атомными и ионными решетками. Это зависит от природы металла. Интересно, что заряд ионов в металлах не всегда отвечает номеру группы периодической системы, в которой металл находится. Например, в кристаллической решетке алюминия ионы имеют средний заряд +2. Это можно объяснить двумя способами:

а) все атомы алюминия отдали по два электрона в «электронный газ»;

б) все атомы отдали по три электрона, но в среднем одна треть образовавшихся ионов Al⁺³ снова образует «атомы», поэтому средний заряд всех структурных частиц +2.

Таким образом, металлическое состояние в упрощенном представлении подобно атомарному ввиду его суммарной электронейтральности; это сосуществование и взаимосвязь «атомов»-ионов-электронов.

Типы кристаллических решеток и свойства веществ