Четыре типа кристаллов

Алмаз и парафиновая свеча... Первый — символ твердости; парафин, подобно воску, мягок и податлив. Сразу можно подумать,

что полярности свойств соответствует полярность способов сочленения в единое целое тех отдельных элементов, из которых состоят эти вещества.

Подумав так, вы не ошибетесь. Парафин состоит из отдельных молекул, связанных друг с другом силами Ван-дер-Ваальса. Кристалл алмаза можно рассматривать как одну гигантскую молекулу. Силы молекулярного притяжения значительно слабее химических сил и соответственно парафин не идет ни в какое сравнение по твердости с алмазом.

Кристаллы, состоящие из обособленных молекул, называются молекулярными *). Алмаз — валентный кристалл.

0200.gif

Такое название дано ему неспроста. Число ближайших соседей каждого атома углерода в алмазе равно его валентности, т. е. четырем. Любые два соседа налаживают между собой           парноэлектронную связь, выделяя для этого по одному электрону. Но не надо думать, что коллективизированная пара принадлежит лишь двум атомам. От атома к соседям ведут четыре тропинки (связи), и данный валентный электрон может двигаться по любой из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему и блуждать по тропинкам — связям вдоль всего кристалла. На плоской схеме кристаллическую решетку алмаза можно изобразить в виде плотно прижатых друг к другу кружков, а парноэлектронные валентные связи — в виде штрихов в точках касания.

0201.gif

Единственное непреложное правило, которое должны выполнять электроны, диктуется принципом Паули: по одной «тропинке» не могут двигаться одновременно более двух электронов. Коллективизированные валентные электроны принадлежат всему кристаллу в целом, и поэтому кристалл — это в сущности колоссальная молекула.

Парноэлектронные связи алмаза очень прочны и не рвутся с увеличением интенсивности тепловых колебаний атомов, т. е. с ростом температуры. Поэтому алмаз не проводит электрического тока. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Кристаллы кремния и германия подобны кристаллу алмаза, но у них парноэлектронные связи не столь прочны. Небольшое нагревание вызывает разрыв отдельных связей. Электроны покидают проторенные тропы и обретают свободу. Во внешнем электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток. Подобного рода вещества называются полупроводниками.

Коллективизация валентных электронов связывает также атомы так называемых ионных кристаллов: поваренной соли (NaCl), бромистого серебра (AgBr) и др. У молекулы NaCl, как вы помните, коллективизация в сущности сводится к экспроприации хлором одного электрона натрия. То же самое происходит в кристалле поваренной соли. Все валентные электроны фактически движутся по хлорным узлам решетки и кристалл, грубо говоря, состоит из ионов противоположных знаков. Связь в этом случае обеспечивается электростатическими силами притяжения.

0201-1.gif

Четвертый тип кристаллов — это металлы и сплавы. При образовании куска металла из отдельных атомов валентные электроны полностью утрачивают связь с атомами и становятся «собственностью» всего куска в целом. Положительные ионы «плавают» в отрицательной «жидкости», образованной коллективизированными электронами. Эта «жидкость» заполняет все промежутки между ионами и стягивает их кулоновскими силами. Связь имеет, таким образом, химическую природу, как и у валентных кристаллов **).

1 2