Які 7 основних типів кристалів

У підручнику розглядаються питання, пов'язані зі структурною обумовленістю та інтерпретацією фізичних властивостей кристалів: морфології, фарбування, люмінесценції, лазерних, оптичних, магнітних, сегнетоелектричних, напівпровідникових та іоннопровідних. Вступні частини кожної глави містять короткий виклад історії вивчення та основні сучасні положення, що використовуються у фізиці та хімії твердого тіла для розуміння особливостей відповідної властивості. Серед них – елементи аперіодичної кристалографії та її зв'язку з морфологічними особливостями кристалів, зонної теорії, теорії кристалічного поля та молекулярних орбіталей, інтерпретації вимушених електронних переходів у лазерах, анізотропії поляризованості, зв'язку щільності з показниками заломлення. Дано уявлення про природу магнетизму та магнітної симетрії, про сегнетоелектрики в нелінійній оптиці та мультифероїках, про застосування напівпровідників та електридів в оптоелектроніці, про основні структурні передумови для іонної провідності в кристалах та їх застосування в катодних батареях. Підручник містить опис основних структурних типів, що характеризують кристали із технологічно важливими властивостями.

Для студентів та аспірантів геологічних та хімічних вузів, для фахівців у галузі кристалографії, мінералогії, петрології, наук про матеріали та суміжні дисципліни.

Повний текст книги у форматі PDF

ЗМІСТ

Сервер створюється за підтримки Російського фонду фундаментальних досліджень
Не дозволяється копіювання матеріалів та розміщення на інших веб-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) І. Міняйлова та В. Міняйлов
Copyright (C) Хімічний факультет МДУ
Написати листа редактору

ХІМІЧНІ ЗВ'ЯЗКИ І ТИПИ КРИСТАЛІВ

Поки що ми розглядали кристал з позицій переважно кристалографії: як він влаштований. Кристали, наприклад, золота, кальцію та аргону однакові: це щільні кубічні упаковки, які істотно відрізняються від кристалів, наприклад, осмію, магнію та гелію, що являють собою гексагональні упаковки. З точки зору хіміка різниця у властивостях кальцію і аргону або магнію і гелію набагато суттєвіша, ніж їх кристалографічна подібність, так само, як подібність властивостей кальцію і магнію, з одного боку, або гелію і аргону з іншого, більш істотно, ніж їх кристалографічні відмінності. Таким чином, з хімічних позицій важливо не тільки як побудована кристалічна решітка, але і те, якими силами пов'язані частинки, що утворюють кристал.

За характером хімічних зв'язків між частинками кристали поділяються на чотири типи: молекулярні, атомні, іонні та металеві. Зрозуміло, такий поділ не є абсолютним. Воно лише підкреслює, яким є характер зв'язку, що визначає основні фізико-хімічні властивості кристала.Розглянемо найхарактерніші приклади кристалів різних типів. Мал. 7.5. Розташування молекул 1₂ у молекулярному кристалі йоду У вузлах ґрат молекулярних кристалів знаходяться молекули. Зв'язок між молекулами здійснюється за рахунок порівняно слабких сил Ван-дер-Ваальса, і тому внутрішньомолекулярні та міжмолекулярні відстані між атомами виявляються суттєво різними. Наприклад, у кристалі йоду (рис. 7.5) внутрішньомолекулярна відстань I-I дорівнює ОД67 нм, тоді як міжмолекулярна відстань приблизно на 70% більше і становить за різними напрямками від 0,36 до 0,44 нм. Так як енергія ван-дерваальсової взаємодії істотно менша, ніж енергія ковалентного зв'язку в молекулах, молекулярні кристали легко розпадаються на окремі молекули, і такі речовини плавляться і переходять у газоподібний стан при порівняно низьких температурах, як правило, не вище 300-400 ° З. Молекулярні кристали (іноді говорять: молекулярні грати) утворюють такі речовини, як, наприклад, водень, азот, йод, сірка (рис. 7.6), вода, більшість органічних речовин-ефір, нафталін (рис. 7.7) ідр. Класичним прикладом атомного кристала є алмаз, структура якого показано на рис. 7.8. У кристалі алмазу кожен атом вуглецю оточений чотирма іншими атомами, що знаходяться на рівних відстанях від нього. Усі зв'язки між атомами однакові як у довжині, і по енергії. Інакше кажучи, в атомному кристалі суще- Рис. 7.6. Взаємне розташування молекул S_e у кристалі ромбічної сірки Мал. 7.7. Розташування молекул у шарі кристала нафталіну Мал. 7.8. Структура кристала алмазу Мал. 7.9. Структура кристалу нітриду бору BN Є єдина система хімічних зв'язків, що призводить до відмінності його властивостей від властивостей молекулярного кристала. На відміну від кристалів йоду або сірки, в кристалі алмазу виділити будь-який відокремлений фрагмент у загальній системі зв'язків С-С неможливо, і такий кристал не можна вважати, що складається з молекул. Заміна атомів вуглецю на атоми двох сусідніх елементів - бору і азоту призводить до утворення ізоелектронної вуглецю системи нітриду бору BN, який як і вуглець, утворює алмазні грати, але з атомами бору і азоту, що чергуються (рис. 7.9). Кожен атом бору оточений чотирма атомами азоту, кожен атом азоту – чотирма атомами бору. Усі відстані B-N між сусідніми атомами бору та азоту (як і відстані В-В або N-N) однакові.

Аналогічно збудований і кристал карбіду кремнію - SiC, в якому кожен атом вуглецю оточений чотирма атомами кремнію, а кожен атом кремнію - чотирма атомами вуглецю. Оскільки спрямовані ковалентні зв'язки в атомних кристалах мають високу міцність, такі кристали руйнуються значно важче, ніж молекулярні. Речовини, що утворюють атомні грати, у багатьох випадках відрізняються високою твердістю, високими температурами плавлення та кипіння. Наприклад, алмаз - найтвердіша з усіх природних речовин. Наближаються до нього за твердістю нітрид бору та карбід кремнію. Температура плавлення алмазу близько 4 000 °С, нітриду бору та карбіду кремнію вище 3 000 °С. Іонний кристал – мабуть, найпоширеніший тип кристала. Іонна кристалічна решітка утворена іонами протилежних знаків, що чергуються. Кубічний кристал хлориду натрію – типовий представник цього типу кристалів (рис. 7.10).На прикладі грат NaCl добре видно, що в іонній (як і в атомній) решітці неможливо виділити індивідуальну молекулу NaCl - всі іони кристала взаємодіють між собою. Будь-який іон натрію ПЗ Мал. 7.10. Кристалічні грати хлориду натрію притягує до себе всі іони хлору і відштовхує всі інші натрію іони, що знаходяться в кристалі. Однак, незважаючи на схожість між атомним та іонним кристалами є і суттєва відмінність. В атомних кристалах атоми пов'язані спрямованими, локалізованими ковалентними зв'язками. Саме це зв'язку визначають як число найближчих сусідів даного атома, і енергетичні характеристики кристала загалом. Наприклад, в алмазі та алмазоподібних кристалах всі атоми перебувають у стані sp 3 -гібридизації. В іонному кристалі кожен іон утворює навколо себе сферично-симетричне електростатичне поле і кулонівськими силами взаємодіє з усіма іншими іонами кристала. Число найближчих сусідів даного іона визначається, по-перше, вимогами електронейтральності всього кристала і, по-друге, значною мірою співвідношенням розмірів іонів. Енергетичною характеристикою іонного кристала є енергія іонної кристалічної решітки з розрахунку на 1 моль кристалічної речовини. Енергія іонної решітки є енергія утворення 1 моль кристалічної речовини з вільних газоподібних іонів і може бути розрахована за законами електростатики або обчислена так званим циклом Борна - Габера (див. Розд. 20.3).Енергія іонної решітки істотно більша, ніж енергія вандерваальсової взаємодії в молекулярному кристалі, і порівнянна з енергією хімічних зв'язків в атомному кристалі, тому руйнація іонного кристала відбувається важче, ніж молекулярного, але, як правило, легше, ніж атомного. Металеві кристали вже на вигляд відрізняються від кристалів попередніх типів. Характерний металевий блиск є їхньою неодмінною ознакою. На відміну від інших, металеві кристали, як правило, легко деформуються без руйнування, мають високу електро- та теплопровідність. Оскільки кристали металів побудовані з однакових сферичних атомів, їх решітки в більшості випадків є щільними упаковками: КПУ або ГПУ.

У металевому кристалі атоми пов'язані один з одним тим міцніше, що більше електронів бере участь у освіті цих зв'язків. Тому середовище металів є легкоплавкі і легколеткі, атоми яких мають 1-2 валентні електрони, такі, як ртуть (Гпл - -38,9 °С, 7'кіп = 356,6 °С)» цезій (Тип = ° с » Т кіп = 627 ° с ) та ДРУ™ 5 Лужні метали. У той же час перехідні метали центральної частини періодичної системи IV-VIII груп, що мають 4-8 валентних електронів, утворюють дуже міцні кристалічні решітки і відносяться до найбільш тугоплавких і важколетючих речовин. Наприклад, цирконій плавиться при 1855 °С і кипить близько 4600 °С, а вольфрам плавиться при 3700 °С і кипить близько 6000 °С. Для опису електронної будови твердих тіл була потрібна так звана зонна теорія.