Типы связей

По типу связей кристаллы классифицируются на ионные, ковалентные, металлические, молекулярные и кристаллы с водородными связями.

Ионные кристаллы состоят из чередующихся положительных и отрицательных ионов, которые образуются в результате перехода электронов от атомов одного элемента к атомам другого элемента. Такие ионы образуются, например, при взаимодействии щелочных или щелочноземельных элементов с галогенами. В ионных кристаллах связь обусловлена в основном электростатическим притяжением разноименных зарядов.

В ковалентных кристаллах связь образуется парами валентных электронов, имеющих противоположные проекции спинов. При этом плотность валентных электронов может оказаться значи­тельной в области между ионами (в отличие от ионных кристаллов, в которых валентные электроны в основном локализованы у определенных ионов). Для ковалентной связи характерна пространственная направленность, обусловленная гибридизацией s - и р -состояний. Так, атом углерода, имеющий два валентных электрона в 2 s -состоянии и два валентных электрона в 2 p -состоянии, образует четыре электронные пары с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра (углеродная связь). Примером ковалентных кристаллов является алмаз.

В ряде кристаллов связь является промежуточной между ионной и ковалентной. Так, в кристаллах соединения InSb плотность электронов больше у сурьмы (Sb), чем у индия (In). В кристаллах сернистого цинка (ZnS) валентные электроны сосредоточены в основном у атомов серы (S).

В металлических кристаллах связь образуется взаимодействием периодически расположенных положительных ионов и коллективизированных валентных электронов, которые могут перемещаться по всему кристаллу (электронный газ или электронная жидкость). В металлах число валентных электронов атома обычно недостаточно для образования ковалентных двухэлектронных связей со всеми соседями. В этих кристаллах (в отличие от ионных и ковалентных кристаллов) сравнительно небольшое число валентных электронов связывает большое число положительных ионов.

В молекулярных кристаллах связь осуществляется силами притяжения Ван-дер-Ваальса. Межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса значительно слабее сил химической связи, но они действуют на значительно больших расстояниях. В молекулярных кристаллах в узлах решетки находятся нейтральные молекулы. Молекулярные кристаллы образуют водород, хлор, двуокись углерода, когда они переходят в твердое состояние, а также большинство органических веществ. Кристаллы, которые могут быть образованы инертными атомами, также относятся к молекулярным, так как в них связь имеет такой же характер, что и в молекулярных кристаллах. Молекулярные кристаллы имеют низкие точки плавления и сильную сжимаемость. Это обусловлено слабой связью, характерной для сил Ван-дер-Ваальса.

Водородная связь несколько сильнее связи Ван-дер-Ваальса, но на порядок слабее ковалентной связи. Она обусловлена тем, что электрон водорода образует связь с одним атомом, а оставшийся протон образует связь с другим атомом. В результате атом водорода оказывается связанным с двумя атомами, хотя электрон водорода может участвовать только в одной ковалентной связи.

Водородная связь образуется в системах, содержащих водород и электроотрицательные элементы F, О, N, С, С1 и S. Она способствует ассоциации молекул и полимеризации. Водородная связь проявляется в органических кристаллах, белках, живых организмах.