Фізичні типи кристалів

Залежно від природи частинок, які містяться у вузлах кристалічної решітки та від характеру сил взаємодії між частинками розрізняють чотири типи кристалів: іонні, атомні, металеві, молекулярні.

1. Іонні кристали. У вузлах кристалічної решітки містяться іони різних знаків. Сили взаємодії між ними здебільшого електростатичні (кулонівські). Зв’язок, зумовлений електростатичними силами притяжіння між різнойменно зарядженими іонами, називають гетерополярним (або іонним). Типовим прикладом іонної решітки може бути решітка кам’яної солі (NaCl). Це решітка кубічної сингонії, в якій іони натрію та хлору чергуються між собою в кожному з напрямків .

2. Атомарні кристали. У вузлах кристалічної решітки містяться нейтральні атоми. Зв’язок між нейтральними атомами в кристалі (а також у молекулі) називають гомеополярним (або ковалентним). Сили взаємодії у випадках гомеополярного зв’язку носять також електричний (але не кулонівський) характер. Фізичну суть таких сил розкриває лише квантова механіка.

Гомеополярний зв’язок здійснюється електронними парами. Це означає, що в здійсненні зв’язку між двома атомами беруть участь по одному електрону від кожного атома. З цієї причини гомеополярний зв’язок є напрямленим. У випадках гетерополярного зв’язку дія спрямована на той атом, з яким у даного атома є спільна електронна пара. Гомеополярний зв’язок може забезпечуватися лише валентними електронами. Тому число сусідніх атомів, з якими взаємодіє певний атом, дорівнює його валентності.

Типовими прикладами атомарних кристалів можуть бути алмаз та графіт. Ці дві речовини тотожні за хімічною природою (вони складаються з атомів вуглецю), але відрізняються кристалічною структурою.

3. Металеві кристали. У всіх вузлах кристалічних решіток розташовані позитивні йони металу (атомні залишки). Між ними неупорядковано, подібно молекулам газу, рухаються “вільні” електрони, відщеплені від атомів під час утворення кристала. Отже, монокристал металу являє собою регулярну просторову решітку з додатніх атомних залишків, яка занурена у “хмарку” від’ємних “вільних” електронів – електронів провідності. Остання не дає силам відштовхування зруйнувати каркас із додатніх частинок. Вона також є носієм таких специфічних властивостей металів, як електро- і теплопровідність, блиск, відбиття електромагнітних хвиль, ковкість тощо. Наявністю великої кількості електронів провідності в металах пояснюється ненапрямленість металічних зв’язків у металах.

З іншого боку ці електрони утримуються іонами в межах кристалічної решітки і не можуть її залишити.

Більшість металів мають решітки одного з трьох типів: кубічну об’ємноцентровану, кубічну гранецентровану і так звану повну гексагональну. Останні дві мають найщільнішу упаковку куль.

Зв’язок між вільними електронами і атомними залишками називають металічним.

4. Молекулярні кристали. У вузлах кристалічної решітки містяться певним чином орієнтовані молекули. Сили зв’язку між молекулами в кристалі мають таку саму природу, що і сили притяжіння між молекулами, котрі призводять до відхилення газів від ідеальності. З цієї причини їх називають ван-дер-ваальсівсовими силами. Молекулярні решітки утворюють такі речовини, як звичайний лід (H₂O), тверда вуглекислота (CO₂), кисень (О₂), водень (Н₂), азот (N₂) у твердому стані та інші.