Типы кристаллов

В зависимости от физической природы сил, действующих между частицами кристалла, можно выделить пять типов кристаллов: ионные, атомные, металлические, молекулярные кристаллы и кристаллы с водородными связями.

1. Ионные кристаллы (соли). В узлах кристаллической решетки расположены правильно чередующиеся положительные и отрицательные ионы, между которыми осуществляется ионная связь.

2. Металлы (Na, Cu и т.д.) образуются однотипными атомами элементов I и II групп. В узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы, образовавшиеся в результате обобществления валентных электронов. В металлах реализуется металлическая связь. В данном случае атомы сближаются настолько близко, что волновые функции валентных электронов существенно перекрываются. Вследствие этого валентные электроны являются общими для всего кристалла. Электронное облако, образованное этими электронами, связывает в прочное целое положительные ионы кристалла.

3. Атомные (ковалентные) кристаллы. В узлах кристаллической решетки находятся атомы, между которыми осуществляется ковалентная связь.

4. Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решетки находятся устойчивые молекулы (H₂, N₂, Cl₂, CH₄ и т.д.). Силы взаимодействия между молекулами, называемые ван-дер-Ваальсовыми, довольно слабые. Физическая природа этих сил сводится к взаимодействию между молекулярными диполями. Величина сил убывает . Молекулярная связь легко разрушается тепловым движением молекул, поэтому молекулярные кристаллы плавятся при низких температурах и легко испаряются.

5. Кристаллы с водородными связями выделяются в особый класс, хотя по существу являются молекулярными кристаллами. Водородная связь между двумя молекулами осуществляется атомом водорода (рис. 42), который будучи связанным с одной молекулой, одновременно взаимодействует с атомом кислорода другой молекулы.

По мере убывания энергии связи кристаллы образуют следующую последовательность:

ионные → ковалентные → металлические → водородные → молекулярные.

Энергия связи — это энергия, необходимая для разделения твердого тела на отдельные атомы, молекулы или ионы (в зависимости от типа связи). Кроме названных типов кристаллов, которые характеризуются локализацией атомов в своей элементарной ячейке, имеются квантовые кристаллы, образованные легкими атомами.

В каждом кристалле имеются случайные дефекты в упаковке атомов – пустое место в узле кристаллической решетки. Такой пустой узел называется вакансией. Роль вакансий велика в диффузии и самодиффузии атомов в твердых телах. Если на вакантный узел перешел соседний атом, то это означает, что вакансия переместилась. Для такого перемещения атом должен преодолеть потенциальный барьер. Поэтому эти процессы очень редки при низких температурах. Коэффициент диффузии стремится к нулю. В квантовых кристаллах атомы могут туннелировать из одного узла в другой. Поэтому диффузия и самодиффузия продолжаются и при температуре Т → 0 К. В таких кристаллах узлы кристаллической решетки выделены, но атомы не локализованы в своей кристаллической ячейке: даже при Т = 0 К они перемещаются по кристаллу.