Внутреннее строение кристаллов
Давно предполагали, что внешняя форма кристалла является лишь отображением его скрытого внутреннего строения и обусловлена правильным расположением частиц — молекул или атомов, составляющих кристалл, в строго определенных точках пространства.
Вся совокупность таких точек образует так называемую пространственную (кристаллическую) решетку той или иной формы, служащую геометрическим выражением структуры кристаллического вещества (рис. 2); точки, в которых расположены частицы, называются узлами решетки.
Доказать правильность этих представлений удалось сравнительно недавно, лишь после того, как было установлено, что рентгеновы лучи отклоняются при прохождении сквозь кристалл и что по величине отклонения можно судить о расположении частиц кристалла.
Вслед за тем были разработаны очень точные И удобные методы исследования кристаллов при помощи рентгеновых лучей, получившие в настоящее время широкое распространение не только в научных лабораториях, но и на производствах, особенно в металлургии.
Рентгеновские лучи в изучении строения кристаллов
Применение для изучения кристаллов рентгеновых лучей дало возможность определить характер пространственной решетки многих кристаллов. Важным результатом этих исследований явилось открытие, что в узлах решетки многих сложных веществ (например, солей) находятся не молекулы, а отдельные положительно и отрицательно заряженные ионы.
В связи с этим различают четыре основных вида решеток: молекулярные, атомные, ионные и металлические.
Молекулярные решетки характеризуются тем, что в узлах их находятся молекулы. Такие решетки образуют соединения неполярного или малополярного типа и вообще соединения с атомной связью.
Структурными единицами атомной решетки являются нейтральные атомы, ковалентно связанные друг с другом. Решетки такого рода свойственны некоторым простым веществам, например алмазу.
Ионные решетки с чередующимися в узлах положительными и отрицательными ионами характерны для соединений, построенных по ионному типу; к ним относятся почти все соли, многие окислы и некоторые другие вещества.
Наконец, особое строение имеют решетки металлов. Узлы таких решеток заняты не нейтральными атомами, а положительными ионами, в промежутках между которыми находятся свободные, легкоподвижные электроны. Подробнее о металлических решетках будет сказано при описании металлов.
Различие решетками
Различие между молекулярными, атомными и ионными решетками обусловливается не только типом образующих их частиц, но и характером взаимодействия последних. Кулоновские силы, действующие между положительно и отрицательно заряженными ионами в ионных структурах, создают значительно более прочную связь между частицами, чем силы, связывающие-электронейтральные атомы или молекулы.
Поэтому температура плавления и твердость ионных соединений обычно гораздо выше, чем у веществ, образованных полярными или неполярными молекулами.
Прочность связи между частицами, образующими кристалл, характеризуется величиной работы, которую нужно затратить для разрушения решетки и удаления составляющих ее частиц на такие расстояния, на которых уже можно пренебречь их взаимодействием. Эта работа носит название энергии кристаллической решетки. Ее относят к одному молю вещества и выражают в больших калориях.
Так, например, для разложения 1 моля NaCl на свободные газообразные ионы надо затратить 185 ккал
[NaCl] = [Na]+ + [Cl]— — 185 ккал
Очевидно, что при образовании 1 моля NaCl из свободных газообразных ионов должно выделиться такое же количество энергии.
Физические свойства кристаллов
Физические свойства твердого вещества находятся в теснейшей зависимости от вида кристаллической решетки, т. е. от вида и характера связи между ее структурными единицами.
По своей структуре решетки могут быть чрезвычайно разнообразны. Наименьшая часть решетки, которая еще передает все характерные особенности ее структуры, называется элементарной ячейкой. В общем случае ячейка имеет форму параллелепипеда и содержит определенное число частиц. Весь кристалл состоит из огромного числа таких ячеек, приложенных друг к другу.
Как при укладке кирпичей вплотную друг к другу совершенно не обязательно, чтобы внешняя форма сооружения повторяла форму кирпича, так и в случае кристалла форма его отнюдь еще не определяет форму кристаллической ячейки. Однако о форме ячейки можно судить по характеру кристаллографических осей.
Наиболее простое строение имеют решетки кристаллов правильной системы, элементарная ячейка которых представляет собой куб.
На рис. 3 изображена часть кубической решетки хлористого натрия NaCl, а именно ее элементарная ячейка, выделенная из целого кристалла, чтобы показать, как она заполнена ионами внутри кристалла.
В узлах решетки находятся ионы хлора и ионы натрия, расположенные так, что каждый ион хлора окружен шестью ионами натрия и каждый ион натрия шестью ионами хлора. В этом легко убедиться, если представить решетку продолженной во все стороны.
Характерно, что ионы натрия и хлора не связаны здесь попарно друг с другом: в кристалле нет ничего, что соответствовало бы молекуле NaCl. Подобное же строение имеют кристаллы других солей. Отсюда следует, что строго установленное в химии понятие о молекулах газообразных веществ не применимо к твердым кристаллическим веществам, образующим ионные решетки.
Структура солей кристаллов
При рассмотрении структуры солей и других соединений, образующих ионные решетки, невольно возникает вопрос: могут ли вообще существовать молекулы этих соединений, раз их кристаллы состоят из ионов? На этот вопрос надо ответить утвердительно, так как определение плотности паров различных солей при высоких температурах показывает, что эти пары состоят из молекул, а не из ионов.
Очень важной величиной, характеризующей кристалл. является константа его решетки d, указывающая наименьшее расстояние между центрами двух соседних частиц в элементарной ячейке и определяемая обычно рентгенометрическим путем. Для кубической решетки константа может быть легко вычислена, если известна длина ребер элементарного куба.
Так, например, у кристаллов хлористого натрия длина ребра куба а,определенная рентгенометрическим путем, равна 5,628 ангстрема, а кратчайшее расстояние между ионами натрия и хлора равно половине этой величины, т. е. d= 2,814 ангстрема.
Статья на тему Внутреннее строение кристаллов