Ионные твердые вещества

Ионные твердые вещества можно рассматривать как ряды положительных и отрицательных ионов.

Упакованных так, что каждый положительный ион окружен только отрицательными соседними ионами, а каждый отрицательный ион — только положительными ионами.

На рис. показано такое расположение ионов в кристалле хлористого натрия.

Устойчивость ионных кристаллов

Наличие электрического диполя в молекуле газообразного фтористого лития LiF было объяснено различием в энергиях ионизации атомов лития и фтора.

Молекула построена за счет электронов связи, находящихся одновременно около обоих ядер, энергетически выгодно, чтобы около атома фтора электронная плотность была выше, чем у атома лития.

Образуется устойчивая полярная молекула. Устойчивая, но в газообразном состоянии весьма реакционно способная.

Валентные орбиты атома лития почти свободны.

По имеющимся экспериментальным данным (например, для СН₂, BF₃, атомов углерода, атомов металла) наличие свободных валентных орбит означает, что в таком случае сохраняется дополнительная способность к образованию связи.

Следовательно, молекулы фтористого лития более устойчивы, когда они построены так, что каждый атом лития расположен одновременно около нескольких атомов фтора.

Так же как и в металлах, атом со свободными орбитами более устойчив, если он окружен несколькими соседними атомами.

Тогда электроны, удерживаемые соседними атомами, могут находиться одновременно около двух или более ядер.

Но в данном случае имеется существенное отличие от металлов — в твердом фтористом литии половина атомов обладает высокой энергией ионизации.

Атомы фтора прочно удерживают свои электроны.

Поэтому в ионных кристаллах характерная для металлов подвижность электронов отсутствует.

Это означает, что у ионных кристаллов нельзя ожидать проявления металлических свойств. Посмотрим, какие же свойства имеют эти вещества.

Свойства ионных кристаллов

Ионные вещества, например фтористый литий и хлористый натрий, образуют кристаллы правильной формы с четкими гранями.

Чистые кристаллы таких ионных твердых веществ обычно прозрачны и бесцветны, но они могут быть окрашены очень небольшими добавками примесей.

Например нитрит натрия NaNO₂ загрязненный нитратом натрия NaNO₃ образует желтоватые кристаллы.

Такое же действие оказывают и дефекты, имеющиеся в кристаллической решетке. Большинство ионных кристаллов имеет высокие температуры плавления.

Электропроводность расплавленных фтористого лития и хлористого натрия можно легко измерить.

Она ниже, чем у металлов, на несколько порядков.

Расплавленный хлористый натрий при 750° С имеет электропроводность, составляющую лишь 10^-5 электропроводности металлической меди при комнатной температуре.

Маловероятно, что электрический зарядов расплавленном NaCl перемещается по тому же механизму, что и в металлической меди.

Опыты показывают, что заряд в расплавленном NaCl переносится ионами Na⁺ и Сl^—.

Электропроводность расплава — одно из наиболее характерных свойств веществ с ионными связями.

Напротив, молекулярные кристаллы обычно плавятся с образованием молекулярных жидкостей, которые не проводят электрический ток в заметной степени.

Вывод

Ионные кристаллы, такие как фтористый литий и хлористый натрий, представляют собой структуры, отличающиеся прочными и однородными связями между положительными и отрицательными ионами.

Их устойчивость обусловлена высокими энергиями ионизации компонентов, что предопределяет их стабильность в твердом состоянии, но в то же время ограничивает подвижность электронов, характерную для металлов.

Эти вещества обладают особыми физическими свойствами, включая кристаллическую решетку с четкими гранями и высокими температурами плавления.

Хотя они и проявляют некоторую электропроводность в расплавленном состоянии, это свойство значительно уступает проводимости металлов, что подчеркивает различие в механизме переноса заряда.