yavor1 (553178), страница 65
Текст из файла (страница 65)
п. Характерным признаком кристаллов данного типа является то, что расстояние между частицами внутри молекулы значительно меньше межмолекулярных расстояний в кристалле. Поэтому здесь можно каждую молекулу изобра. вить в виде тела, ограниченного частями сферических поверхностей, а сам кристалл — как плотную упаковку молекул, построенных из срезанных шаров (рис. 33.1). Между молекуламн действуют ван-дер-ваальсовы силы типа сил взаимодействия между индуктированными диполями (см.
3 31.3). Вследствие того, что эти силы довольно слабые, молекулярные кристаллы легко разрушаются за счет теплового движения моле- й увг '), -" )г кУл — они плаватсЯ пРи очень низ-,г7 ф.~ ких температурах, а также легко '' г"-=~'~,~~ ) Ф дг испаряются. Так, кристаллы йода г, ', '. ~ 5л при нормальном атмосферном давлении испаряются (возгоняются) О~Я, ) 4 ~' ',.
при +39,6' С, а кристаллы сухого льда — при — 78,5 С. 5. Металлические кристаллы. Как говорит само их наименование, данный тип связи представляет собой способ упаковки атомов металлов в кристаллическую решетку. При кристаллизации металлов их атомы сближаются и между Хггквггэ гг ллрслик ними возникают большие силы Рис 33 г. квантовомеханического происхождения. За счет этих сил электроны, находящиеся на внешних орбитах (валентиые электроны), отделяются от атомов. Однако, в отличие от случая ионной связи, здесь электроны ие могут присоединиться к другому атому н образовать отрицательный ион, ибо все атомы металла одинаковы.
Поэтому валентные электроны коллекгггггвгсзируготся — они уже принадлежат не одному атому, как в случае ионной связи, и не паре соседних атомов, как при ковалентном взаимодействии, а всему кристаллу в не,чом. Металлическая связь обеспечивается притяжением между ионной решеткой, образованной положительно заряженным ионами, и отрицательно заряженным алек~раиным облаком, так называемым э,гектроннылг газом. Заметим, что наличие свободных электронов, способных под действием электрического поля перемешаться по кристаллу, обеспечивает хорошую электропроводность металлов. В общем случае упаковка ионов в металлическом кристалле не может быть сведена к упаковке шаров, как это может быть сделано в случае ионной или молекулярной связи.
Однако в некоторых случаях вполне целесообразно рассматривать металлические кристаллы как систему плотнейшим образом упакованных шаров одинакового радиуса. Згг $33.2. Плотнейшая упаковка одинаковых шаров Е Рассмотрим, как можно плотнейшим образом упаковать шары одинакового радиуса.
На плоскости это будет фигура, изображенная на рис. 33.2. Здесь каждый шарик окружен шестью соседями— это так называемая симметрия шестого порядка. Если мы начнем шары упаковывать в пространстве, то нам нужно такую же плоскую решетку несколько повернуть и сместить так, чтобы шары Рис. 33 3. Рис. 33.2.
второго слоя уложились в лунки первого слоя. Но при этом шары заполняют только половину лунок. В оставшиеся лунки шары попасть не могут. На рис. 33,3 показано, как укладываются друг на друга два слоя одинаковых шаров. Центры верхних шаров разместились над лунками, которые на рис. 33.2 отмечены черными точками. Рис. Ззсн Рис. 33.5. Аналогично может быть наложен сверху третий слой. Однако здесь возможны два варианта упакевкн.
2. Центры шаров третьего слоя могут быть расположены над центрами первого слоя. В этом случае третий слой повторяет первый. Если теперь уложить четвертый слой над вторым, пятый— над третьим, шестой — над четвертым н т. д., то получится двухслойная плотнейшая упаковка одинаковых шаров — так нарывае- 318 мая гексаеональная упаковка. На рис. ЗЗА изображена модель такой упаковки. Символически повторяемость слоев записывается так: АВАВАВ...
Ячейка представляет собой пряму1о призму, в основании которой лежит правильный шестиугольник. Высота призмы больше сторон оснований. Заметим, что не все атомы расположены в узлах решетки. Плотнейшая гексагональная упаковка характерна для кристаллов бериллия, магния, скандия, цинка, кадмия и ряда других металлов, а также мнвгнх неорганических соединений. 3. Во втором варианте упаковки третий слой располагается так, что центры его шаров размещены над лунками первого слоя, не отмеченными точками, четвертый слой повторяет первый, пятый— второй, шестой — третий и т.
д. Символически повтеряемость слоев записывается так: АВСАВСАВС... На рис. 33.5 изображена упаковка данного типа. Ее ячейка представляет собой куб. Частицы находятся как в вершинах куба (узлах решетки), так и в центрах граней. Поэтому упаковка данного типа называется кубическай гранеиентрирееанной. По данному типу строится решетка таких металлов, как никель, платина, медь, золото, серебре, алюминий, свинец, при высоких температурах — железо.
Кобальт, например, встречается в виде кристаллов как с гексагональной, так и кубической гранецентрираванной решеткой. Такой полиморфизм характерен для ряда металлов и других веществ. Возможны и более сложные многослойные комбинации плотнейшнх шаровых упаковок, но мы их рассматривать не будем. 3 33.3. Плотнейшие упаковки шаров с разными радиусами Мы ограничимся рассмотрением только одного примера— кристалла поваренной соли. Это, как уже говорилось, ионный кристалл. Рентгеноструктурный анализ позволил определить радиусы ионов: у хлора это 1,81 А, у натрия 0,98 А. Крупные ионы хлора образуют плотнейшую трехслойную упаковку, у которой большие пустоты заполнены мень-,1:,".
ее шими по размеру ионами натрия (рис. 33.6). Оказывается, что каждый ион натрия ..:, Ж окружен шестью ионами хлора и, наоборот, каждый ион хлора — шестью ионами натрия. При такой упаковке ионов абра-; "4' зуется простая кубическая решетка. Ее ""ф ячейка представляет собой куб, у которого Рис. 33.6. в вершинах (узлах) и в центрах граней расположены ионы одного знака, а в серединах ребер — ноны противоположного знака.
Как видно из рисунка, в кристалле нег молекул ХаС! — весь кристалл представляет собой одну гигантскую молекулу. 3!9 $33.4. Решетки, которые нельзя представить как упаковку шаров 1. При высокой температуре атомы железа упакованы в плотнейшую трехслойную структуру — граиецентрированный куб. Оказывается, что при комнатных температурах атомы железа упакованы иначе. Как показывает рентгеноструктурный анализ, здесь возникает кубическая решетка, у которой атомы железа располагаются в вершинах куба и в его центре; такая решетка называется объежноиентрироеанннм кубом (рис.
33.7). 'Такая же кристаллическая решетка характерна для всех щелочных металлов: лития, натрия, калия, рубидия и цезия, а также для бария, хрома, молибдена, вольфрама. Рис. 33.7. Рис. 33,8. Структура такого рода не может быть представлена в видс плогной упаковки шаров, ибо шары одинакового радиуса нельзя плотно уложить в куб, в центре которого находился бы шар такого же радиуса. По-видимому, здесь электронное облако положительного иона, возникшего после потери атомом валеитиого электрона, не имеет сферически симметричной структуры. Это не должно нас удивлять. Скорее, наоборот, удивительно то, что такие сложные системы, как атомы, могут во многих случаях вести себя как шары, плотно упакованные в пространственную решетку. 2.
Физические свойства железа при разных типах упаковки его атомов различны. При плотнейшей гранецентрированной упаковке, когда каждый атом имеет 12 соседей, получается твердое, упругое железо; при обьемиоцентрировапной упаковке, когда каждый атом имеет только 8 соседей, возникает мягкое, пластичное железо. 3. Четырехвалентные атомы, например углерод, могут связываться друг с другом ковалентными силами, имеющими резковыраженную пространственную направленность. Атомы углерода могут образовывать два типа пространственных решеток.
В первой из них, характерной для алмаза, четыре атома располагаются по вершинам правильного тетраэдра, в центре которого находится пятый атом. Ковалентные силы направлены от центрального атома к вершинам тетраэдра (на рис. 33.8 эти силы изображены 320 жирной линией). Как нетрудно подсчитать, угол между связями равен ср =109'29'. Ллина связи по данным рентгеноструктурного анализа 1,54 Л.
Ясно, что такой характер упаковки атомов не может быть получен по типу плотной упаковки одинаковых шаров. Аналогичную с алмазом структуру имеют кристаллы кремния, германия и белого олова. Ячейка имеет форму куба, где атомы расположены не только в вершинах, но и в центрах граней и внутри куба (рис.
33.9). Второй тип упаковки атомов углерода, характерный для графита, изображен на рис. 33.10. Здесь каждый атом углерода так>не связан с четырьмя соседями, но силы и направленность связей разные. Сильная связь возникает с тремя атомами, лежащими с ипм в одном слое под углами 120', слабая связь — с четвертым атомом, лежащим в соседнем слое. Рис. 33.9. Р . 33.>О.
Направление этой связи составляет 90' с плоскостью слоя, Ячейка имеет форму прямой шестиугольной призмы; длина ребер 1,42 А и 3,35 А. Поскольку расстояние между слоями в 2,36> раза Гюльше расстояния между атомами внутри слоя, сила связи между слоями мала. 4. Разница в строении кристаллических решеток алмаза и графита и объясняет резкое различие их физических свойсгв. Алмаз является одним из самых твердых веществ в природе — он режег стекло, а также любые твердые породы типа гран>па, базальга и т. и. Графит очень мягок, он иишег на бумаге, ибо его слои могу! легко скользить друг относительно друга. Алмаз — изолятор, в нем нет свободных электронов, графит является проводником электрического тока.
Алмаз прозрачен, графит сильно поглощает свет. Плотность алмаза 3500 кг!ми, графита — 2100 кг>ми. Как показали исследования, при давлении порядка 60000 ат н температуре выше 1500'С кристаллическая решетка графита путем сближения н перегруппировки атомов может перейти в решетку алмаза. Практически эту проблему решили ученые Инсти- >! В. М. Яворский, А.
А, нивский, с. ! тута физики высоких давлений АН СССР под руководством акад. Л. Ф. Верещагина. Разработанные в этом институте «алмазные> прессы позволили получить нскусствеииь|е алмазы с твердостью примерно такой же, как и у естественных. й 33.5. Структура льда Рентгеноструктурный анализ показывает, что кристаллы льда имеют весьма рыхлую структуру, изображенную на рис. 33.11. Здесь большие шарики с дырками условно изображают атомыкислорода, маленькие перешейки между ними — атомы водорода.
Каждый атом кислорода окружен четырьмя атомами водорода, атом водорода служит связующим звеном между двумя соседними атомами кислорода. Формула для молекулы воды Н,О, конечно, сохраняется, но выделить в кристалле отдельную молекулу невозможно. ф Структура льда, естественно, не является плотвой упаковкой, в решетке имеются большие «дырым При Р .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
