Типы межатомных связей. Атомные и молекулярные формы углерода

В кристаллах имеют место следующие типы связей:

● Ковалентная связь;
● Ионная связь;
● Металлическая связь;
● Молекулярная связь;
● Водородная связь.

Рассмотрим их подробнее.

Ковалентная связь

Нейтральные атомы размещены в узлах кристаллической решётки. Связь образуется направленными валентными электронными облаками.
Связь, объединяющая в кристалле (а также и в молекуле) нейтральные атомы, называется гомеополярной или ковалентной. Силы взаимодействия при гомеополярной связи имеют, как и в случае с гетерополярной связью, электрический (но не кулоновский) характер. Гомеополярная связь осуществляется электронными парами. Это означает, что в обеспечении связи между двумя атомами участвует по одному электрону от каждого атома. По этой причине гомеополярная связь имеет направленный характер.

Кристаллы с ковалентной связью диэлектрики или полупроводники. Типичными примерами атомных кристаллов могут служить алмаз, германий и кремний.

Ионная связь

В узлах кристаллической решетки помещаются положительно и отрицательно заряженные ионы. Силы взаимодействия между узлами являются в основном электростатическими (кулоновскими). Связь между такими частицами называется гетерополярной или ионной.

Кристаллы с ионной связью при низких температурах являются диэлектриками. При тепературах близких к температуре плавления они становятся проводниками электричества. Примером кристаллов с ионной решёткой являются кристаллы каменной соли (NaCl).

Металлическая связь

Во всех узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть.

Большинство металлов имеет кристаллические решетки одного из трёх типов: кубическую объёмно-центрированную, кубическую гранецентрированную и, так называемую, плотную гексагональную.

По схемам металлических кристаллических решеток видно, что кубическая гранецентрированная и плотная гексагональная решётки соответствуют наиболее плотной упаковке одинаковых шаров (частиц). Кристаллы с металической связью являются проводниками. Они часто плаcтичны, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей.

Молекулярная связь

В узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы. Силы связи между молекулами в кристалле имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящие к отклонению газов от идеальности. По этой причине их называют вандерваальсовскими силами.
Для кристаллов с молекулярными связями характерны низкие температуры плавления и высокая сжимаемость.

Водородная связь

Особая разновидность молекулярной связи – водородная связь. Это самая сильная молекулярная связь. При определённых условиях атом водорода может быть связан довольно прочно с двумя другими атомами. Имея лишь одну стабильную орбиталь, атом водорода способен образовывать только одну ковалентную связь. Эта связь может, однако, резонировать между двумя положениями. Наибольшее значение имеют те водородные связи, которые образуются между двумя сильно электроотрицательными атомами, в особенности между атомами азота, кислорода и фтора.

Водородные связи, образуемые молекулами воды, обусловливают удивительно высокие точки плавления льда и кипения воды, существование максимума плотности воды, расширение воды при замерзании. Многие особые свойства неорганических и органических молекул, например димеризация жирных кислот, объясняются образованием водородных связей. Водородная связь – особенно важная структура белков особенность белков и нуклеиновых кислот.

Молекулярные связи образуют, например, следующие вещества: H2, N2, O2, CO2, H2O.

Типы химической связи – это удобное упрощение. Более точно поведение электрона в кристалле описывается законами квантовой механики. Говоря о типе связи в кристалле, необходимо иметь в виду следующее: связь между двумя атомами никогда полностью не соответствует одному из описанных типов. В ионной связи всегда присутствеет элемент ковалентной связи и т.п.
Многообразие соединения углерода связано с тем, что в сложных веществах связь между разными атомами может быть разного типа. Так например, в кристалле белка связь в молекуле белка ковалентная, а между молекулами (или разными частями одной молекулы) водородная. Существуют четыре аллотропных модификации углерода: алмаз, графит, карбин и букибол.

Кристаллическая решетка алмаза состоит из атомов углерода, соединенных между собой очень прочными s-связями. В кристалле алмаза все связи эквивалентны и атомы образуют трехмерный каркас из сочлененных тетраэдров. Алмаз – самое твердое вещество, найденное в природе.

Графит представляет собой темно-серое с металлическим блеском, мягкое, жирное на ощупь вещество. Хорошо проводит электрический ток. В графите атомы углерода расположены в параллельных слоях, образуя гексагональную сетку. Внутри слоя атомы связаны гораздо сильнее, чем один слой с другим, поэтому свойства графита сильно различаются по разным направлениям.

Карбин – получен искусственным путем. Существует два вида карбина: поликумулен =С=С=С=С= и полиин – C=C-C=C-C=C –.
Букибол – получен в 1985 г., имеет сферическую форму (как футбольный мяч), состоит из 60 или 70 атомов углерода.
Углерод в виде сажи, кокса, древесного угля, костных углей широко используется в металлургии, синтезе органических веществ, как топливо, в быту.

Особенности строения углерода. Соединения, в состав которых входит углерод, называются органическими. Кроме углерода, они почти всегда содержат водород, довольно часто – кислород, азот и галогены, реже – фосфор, серу и другие элементы. Однако сам углерод и некоторые простейшие его соединения, такие как оксид углерода (II), оксид углерода (IV), угольная кислота, карбонаты, карбиды и т.п., по характеру свойств относятся к неорганическим соединениям. В атоме углерода можно увеличить число неспаренных электронов на внешнем втором слое, если распарить электронную пару 2s-подуровня, «выселив» электрон в свободную атомную орбиталь на р-подуровне. Тогда атом углерода сможет образовать четыре связи с другими атомами, проявляя валентность IV.

Алмаз - природный минерал, один из самых известных и дорогих. Вокруг него ходит множество домыслов и легенд, особенно что касается его стоимости и выявления подделок. Отдельной темой для изучения является связь алмаза и графита. Многие знают, что эти минералы схожи, но далеко не всем известно, чем именно. Да и на вопрос о том, чем они отличаются, тоже не каждый сможет ответить. А что мы знаем о структуре алмаза? Или о критериях оценивания драгоценных камней?

Алмаз - один из трех минералов, представляющих собой кристаллическую модификацию углерода. Два других - это графит и лонсдейлит, второй можно обнаружить в метеоритах либо создать искусственным путем. И если эти камни - гексагональные модификации, то тип кристаллической решетки алмаза - куб. В этой системе атомы углерода расположены таким образом: по одному на каждой вершине и в центре грани, и четыре внутри куба. Таким образом, получается, что атомы расположены в виде тетраэдров, и каждый атом находится в центре одного из них. Частицы связаны между собой самой прочной связью - ковалентной, благодаря чему алмаз и имеет высокую твердость.

Химические свойства

Грубо говоря, алмаз - это чистый углерод, соответственно, кристаллы алмаза должны быть абсолютно прозрачными и пропускать весь видимый свет. Но в мире нет ничего идеального, а значит, и этот минерал имеет примеси. Считается, что максимальное содержание примесей в ювелирных алмазах не должно превышать 5 %. В состав алмаза могут входить как твердые, так и жидкие и газообразные вещества, наиболее распространенные из них:

азот;
алюминий;
кремний;
кальций;
магний.

Также в состав могут входить кварц, гранаты, оливин, прочие минералы, окиси железа, вода и другие вещества. Зачастую эти элементы находятся в составе минерала в виде механических минеральных включений, но некоторые из них могут замещать углерод в структуре алмаза - это явление называется изоморфизмом. В таком случае включения могут значительно влиять на на его цвет, а включения азота придают ему люминесцентные свойства.

Физические свойства

Структура алмаза обуславливает его физические свойства, они оцениваются по четырем критериям:

твердость;
плотность;
дисперсия и преломление света;
кристаллическая решетка.

Твердость минералов оценивается по его оценка по этой системе равняется 10, это максимальный показатель. Следующий в списке корунд, его показатель - 9, однако его твердость меньше в 150 раз, что означает абсолютное первенство алмаза по этому показателю.

Однако твердость минерала вовсе не означает его прочность. Алмаз достаточно хрупкий и легко раскалывается, если ударить его молотком.

Удельный вес алмаза (плотность) определяется в промежутке от 3,42 до 3,55 гр/см 3 . Он определяется в соотношении веса минерала к весу воды того же объема.

Помимо твердости, он обладает и высокими показателями преломления света (2,417-2,421) и дисперсии (0,0574). Такое сочетание свойств позволяет алмазу быть самым драгоценным и идеальным ювелирным камнем.

Значение имеют также и другие физические свойства минерала, такие как теплопроводность (900-2300 Вт/м·К), также самая высокая из всех веществ. Можно также отметить способность минерала не растворяться в кислотах и щелочах, свойства диэлектрика, низкий коэффициент трения по металлу в воздухе и высокую температуру плавления 3700-4000 °C при давлении 11 ГПа.

Сходства и отличия алмаза и графита

Углерод - один из самых распространенных элементов на Земле, он содержится во многих веществах, в особенности в живых организмах. Графит, как и алмаз, состоит из углерода, однако структуры алмаза и графита сильно отличаются. Алмаз может превращаться в графит под действием высоких температур без доступа кислорода, но в нормальных условиях он способен бесконечно долго оставаться в неизменном виде, это называют метастабильностью, к тому же тип кристаллической решетки алмаза - куб. А вот графит - минерал слоистый, его структура выглядит как ряд пластов, расположенных в разных плоскостях. Эти пласты составляются из шестиугольников, формирующих систему, похожую на соты. Сильные связи образуются только между этими шестиугольниками, а вот между пластами они крайне слабые, это и обуславливает слоистость минерала. Помимо низкой твердости, графит поглощает свет и имеет металлический блеск, чем также сильно отличается от алмаза.

Эти минералы являются самым ярким примером аллотропии - явления, при котором вещества имеют разные физические свойства, хоть и состоят их одного химического элемента.

Происхождение алмаза

Нет однозначного мнения по поводу того, как образуются алмазы в природе, существуют магматическая, мантийная, метеоритная и прочие теории. Однако наиболее распространенной является магматическая. Считается, что алмазы образуются на глубине около 200 км под давлением в 50 000 атмосфер, а после выносятся на поверхность вместе с магмой во время формирования кимберлитовых трубок. Возраст алмазов варьируется от 100 миллионов до 2,5 миллиарда лет. Также научно доказано, что алмазы могут образовываться при ударе метеорита о поверхность земли, а также находиться в самой метеоритной породе. Однако кристаллы такого происхождения имеют крайне мелкие размеры и редко подходят для обработки.

Месторождения алмазов

Первые месторождения, в которых были обнаружены и добывались алмазы, располагались в Индии, но уже к концу XIX века они были сильно истощены. Однако именно там были добыты самые известные, крупные и дорогостоящие образцы. А в XVII и XIX столетиях были обнаружены месторождения минерала в Бразилии и Южной Африке. История пестрит легендами и фактами об алмазной лихорадке, которые связаны именно с южноафриканскими рудниками. Последние обнаруженные месторождения алмазов находятся в Канаде, их освоение началось лишь в последнем десятилетии XX века.

Особенно интересны рудники Намибии, хотя добыча алмазов там является делом сложным и опасным. Залежи кристаллов сосредоточены под слоем грунта, что хоть и усложняет работу, но говорит о высоком качестве минералов. Алмазы, прошедшие путь в несколько сотен километров до поверхности при постоянном трении о прочие породы, являются высокосортными, менее качественные кристаллы просто не выдержали бы такого путешествия, а потому 95 % добытых камней - ювелирного качества. Также известные и богатые минералами есть в России, Ботсване, Анголе, Гвинее, Либерии, Танзании и других странах.

Обработка алмазов

Обработка алмазов требует огромного опыта, знаний и умений. Прежде чем приступать к работе, необходимо досконально изучить камень, чтобы впоследствии максимально сохранить его вес и избавиться от вкраплений. Наиболее распространенный тип огранки алмазов - круглый, он позволяет камню заиграть всеми красками и максимально выгодно отражать свет. Но такая работа является и самой сложной: круглый бриллиант имеет 57 плоскостей, и при его огранке важно соблюдать точнейшие пропорции. Также популярными типами огранки являются: овал, слеза, сердце, маркиза, изумрудная и другие. Выделяют несколько этапов обработки минералов:

разметка;
раскалывание;
распиловка;
закругление;
огранка.

До сих пор считается, что после обработки алмаз теряет около половины своего веса.

Критерии оценивания алмазов

При добыче алмазов лишь 60 % процентов минералов пригодны для обработки, их называют ювелирными. Естественно, стоимость необработанных камней значительно уступает цене бриллиантов (более чем в два раза). Оценка стоимости бриллиантов проводится по системе 4C:

Carat (вес в каратах) - 1 карат равен 0,2 г.
Color (цвет) - чисто белых алмазов практически не встречается, большинство минералов имеют определенный оттенок. От окраски алмаза во многом зависит его стоимость, большинство встречающихся в природе камней имеют желтый или коричневый оттенок, реже можно обнаружить розовые, голубые и зеленые камни. Наиболее редкими, красивыми, а оттого и дорогими являются минералы насыщенных оттенков, их называют фантазийными. Наиболее редкие из них - зеленый, фиолетовый и черный.
Clarity (чистота) - также важный показатель, который определяет присутствие дефектов в камне и значительно влияет на его стоимость.
Cut (огранка) - от огранки сильно зависит внешний вид бриллианта. Преломление и отражение света, своеобразное "бриллиантовое" сияние делают этот камень столь ценным, а неправильная форма или соотношение пропорций при обработке могут напрочь его испортить.

Изготовление искусственных алмазов

Сейчас технологии позволяют "выращивать" алмазы, практически неотличимые от натуральных. Существует несколько способов синтеза:

Как отличить оригинал от подделки

Говоря о методах определения подлинности алмазов, стоит различать проверку подлинности бриллиантов и необработанных алмазов. Неопытный человек может спутать алмаз с кварцем, хрусталем, другими прозрачными минералами, и даже со стеклом. Тем не менее исключительные физические и химические свойства алмаза позволяют с легкостью определить подделку.

В первую очередь стоит вспомнить о твердости. Этот камень способен поцарапать любую поверхность, а вот на нем оставить следы может только другой алмаз. Также на натуральном кристалле не остается испарины, если на него подышать. На мокром камне будет след как от карандаша, если провести по нему алюминием. Можно проверить его рентгеном: натуральный камень под излучением имеет насыщенный зеленый окрас. Или посмотреть сквозь него на текст: сквозь натуральный алмаз его будет невозможно разобрать. Отдельно стоит отметить, что натуральность камня можно проверить на преломление света: поднеся к источнику света подлинник, можно увидеть лишь светящуюся точку в центе.

Один из аллотропных модификации углерода. Кристаллы алмаза обладают такими ценными физико-механическими свойствами, как исключительная твердость, износостойкость, высокая теплопроводность, коррозионная стойкость, высокие показатель преломления и дисперсия спета. Эти свойства и определили области его применении: механическая обработка различных материалов, приборостроение, полупроводниковая электроника, ювелирной промышленность.

Теоретические и экспериментальные исследования алмазов ведутся в направлении изыскания возможностей как для наиболее эффективною использования их в традиционных областях, гак и для расширения областей применения, а также в направлении разработки новых методов синтеза монокристаллов с заданными свойствами. Наиболее изучены оптические свойства алмазов, значительно меньше - их теплопроводность, работа разрушения, электромагнитные свойства в широком температурном интервале.

Благодаря твёрдости алмаз широко применяется для резки стекла, бурения твёрдых пород, в машинах для волочения проволоки, шлифовальных дисках и т.д. Для этих целей этих целей используют алмазы, загрязнённые разными примесями.

Чистые бесцветные кристаллы подвергают огранке и шлифовке алмазным порошком и превращают в бриллианты. Чем больше граней тем больше « играет » он. Бриллианты бывают чаще всего небольшими, их вес измеряется в каратах (1 карат равен 0,2 г) , но встречаются и крупные бриллианты.

Структура модификаций углерода алмаза

Основное состояние атома - это состояние с максимальным чистом неспаренных валентных электронов. Образованию химической связи между атомами углерода предшествует переход атомов в возбужденное состояние с максимальным числом неспаренных электронов по схеме 2 s ² 2 p ² → 2s ¹ 2 p ¹ 2 p ¹ 2 p ¹ . Потенциал ионизации атома углерода 11,256 эВ. Атомы углерода, соединяясь, образуют ковалентные связи (металлическая связь не может образоваться, так как слишком велика энергия отрыва электрона: сродство к электрону атома углерода - 1,27 эВ).

В результате s p ³ -гибридизации валентных электронов образуются четыре равноценные σ -связи под углом 109 ° 28′ друг к другу, направленные к вершинам правильного тетраэдра. Так связаны атомы в алмазе, лонсдейлите, метане, адамантане.

Атомы углерода (алмаз)могут быть в состоянии, при котором происходит 2 sp ² — гибридизация электронов. Каждый атом углерода образует три σ -связи в одной плоскости под углом 120 ° относительно друг друга и, кроме того, дополнительно имеет по одному p -электрону. Вследствие перекрывания электронных облаков над и под плоскостью, в которой находятся атомы с σ -связями, р-электроны образуют π -связи. Так связаны атомы углерода в графите и ароматических соединениях.

Возможна также sp -гибридизация атомов углерода, при которой образуются две σ -связн под углом 180° друг к другу и в результате перекрывания двух орбиталей каждого из атомов углерода две π -связи. Так связаны атомы в карбине, ацетилене и его производных.

Существуют аморфные и частично кристаллические переходные формы углерода (сажа, кокс, стеклоуглерод и др.), и которых сочетаются различные типы связей.

Модификации с sp ³ -гибридизацией валентных электронов

Алмаз. кубическая; ячейка решетки - гранецентрированный куб, в четырех из восьми октантов которого также размещены атомы углерода; Z = 8; К. Ч. - 4; а 0 = 0,357 нм; меж плоскостные расстояния ρ 0 = 3,515 г/см ³ ; экспериментально определенные значения ρ э , природных алмазов, г/см ³ ; тип I - 3,51537 ± 0,00005, тип II - 3,51506 ± 0,00005; ρ э , синтетических алмазов зависит от совершенства строения кристаллов, содержания механических включений и имеет значения 3,485-3,580

Вы читаете, статья на тему алмаз

Для облегчения понимания межатомного взаимодействия мы будем рассматривать типы химической связи в несколько упрощенном виде, а именно, рассмотрим: а) гомеополярную, или ковалентную связь, б) гетерополярную, или ионную связь, в) металлическую связь и г) поляризационную связь, или связь Ван-дер-Ваальса.

Объединение атомов в молекулы вещества, а также объединение атомов или ионов в твердое тело происходит под действием химических связей. Объединение молекул в вещество, находящееся в жидком или газообразном состоянии осуществляется под действием сил межмолекулярного взаимодействия, называемыми силами Ван-дер-Ваальса. Природа химических и молекулярных связей единая – электрическая. Различают несколько типов химической связи, основные из них – это ковалентная и ионная.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования одной или нескольких общих пар электронов, ранее принадлежавших разным атомам. Ковалентная связь может быть одинарной (водород, хлор) или многократной (например, азот – 3). Ковалентная связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов с близкими ионизационными потенциалами. В чистом виде ковалентная связь реализуется при взаимодействии элементов с наполовину заполненными электронными оболочками.

Рассмотрим схематическое строение атома и молекулы водорода, рис.1. Электроны при движении по орбитам чаще находятся между ядрами, что способствует сближению атомов. Радиус атома водорода равен 0,53 ангстрема, а расстояния между ядрами атомов в молекуле водорода равняется всего лишь 0,74 ангстрема.

Появление между положительно заряженными ионами пары отрицательно заряженных электронов приводит к тому, что оба иона притягиваются к обобществленным электронам и, тем самым, притягиваются друг к другу. Каждый атом взаимодействует с ограниченным числом соседей, причем число соседей равно числу валентных электронов атома. Следовательно, ковалентная связь насыщенна. Кроме того, атом взаимодействует только с теми соседями, с которыми он обменялся электронами, то есть ковалентная связь направлена.

Отношение размера положительно заряженного ядра к размеру валентной электронной оболочки чрезвычайно мало, поэтому при анализе силы притяжения можно считать, что взаимодействуют точечные заряды, то есть сила притяжения описывается простейшим видом кулоновского закона: сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. При сближении атомов начинается взаимное отталкивание внутренних электронных оболочек, и отталкивание атомов описывается более сложным законом: сила отталкивания обратно пропорциональна расстоянию между атомами в степени n, где n >2.

Увеличение порядкового номера элемента ведет к росту количества электронных оболочек, экранирующих взаимодействие положительно заряженных ядер с валентными электронами. Поэтому снижается сила взаимного притяжения и уменьшается глубина потенциальной ямы. В результате, с ростом порядкового номера элемента падает температура плавления, растет коэффициент теплового расширения, уменьшается модуль упругости.

Если молекула состоит из атомов одного и того же химического элемента, то в ней центры расположения положительных и отрицательных зарядов совпадают. Собственный электрический дипольный момент μ такой молекулы равен нулю. Диэлектрик, образованный такими неполярными молекулами также является неполярным.

Если молекула состоит из атомов различных химических элементов, то электронная пара сместится в сторону одного из атомов, обладающего большей электроотрицательностью . В результате произойдет поляризация молекулы. Полярной или дипольной станет и сама молекула. Электрический дипольный момент μ такой молекулы будет равен

μ = q * l , Кл*м

где q – абсолютное значение заряда диполя, l – плечо диполя, расстояние между центрами разноименных зарядов. Дипольный момент часто измеряют в дебаях(D). 1D = 3.33∙10 -30 Кл∙м. Молекула воды является полярной, так как электронные пары между кислородом и водородом смещены в сторону атома кислорода (рис. 2).

При наличии полярных ковалентных связей могут образовываться и неполярные молекулы, если дипольные моменты этих связей уравновешивают друг друга. Такое явление характерно для сложных органических молекул. Например, полиэтилен, трансформаторное масло, парафин являются неполярными веществами, хотя связь «углерод-водород» является полярной.

Ионная связь возникает между атомами, имеющими очень большую разность электроотрицательности. В этом случае электронная пара настолько сильно смещается в сторону одного из атомов, что тот фактически становится отрицательным ионом. Таким образом, ионная связь образуется за счет перехода электрона от одного атома молекулы к другому. Типичный пример такой связи – поваренная соль:

NaCl = Na+ + Cl-.

Границ между полярной ковалентной и ионной связью весьма условна, принципиального различия в механизме образования этих связей нет. Но эти связи сильно отличаются между собой по величине энергии, которую нужно затратить на разрыв такой связи.

Ионная связь образуется при взаимодействии атомов с малым количеством валентных электронов и атомов с большим количеством электронов на валентных оболочках. При этом наружные электроны атомов с низкими потенциалами ионизации переходят на валентные оболочки атомов с высокими ионизационными потенциалами. В результате образуются положительно и отрицательно заряженные ионы, взаимно притягивающиеся электростатическими силами. Ионная связь ненасыщенна, поскольку каждый из отрицательно заряженных ионов притягивает к себе положительно заряженные, а каждый из положительно заряженных ионов притягивает к себе все отрицательно заряженные. Однако ионная связь направлена, поскольку ион притягивает к себе разноименно заряженные ионы и отталкивает одноименно заряженные.

Уменьшение размера иона и увеличение его заряда ведет к росту энергии связи, а следовательно, к росту температуру плавления материала, уменьшению коэффициента теплового расширения и к увеличению модуля упругости.

Металлическая связь образуется между атомами одного или нескольких химических элементов, у которых валентные электронные оболочки застроены меньше чем на половину. Поскольку энергия иона минимальна при полностью заполненной внешней оболочке, атомы отдают внешние валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, между которыми находятся свободные электроны (электронный газ).

Каждый из положительно заряженных ионов притягивается к свободным электронам, и, тем самым, ионы притягиваются друг к другу. Металлическая связь ненаправлена и ненасыщена, и число ближайших соседей у иона определяется в основном геометрическим и энергетическими факторами. Следовательно, кристаллические решетки металлов упакованы плотно. Под действием электрического поля не связанные с ионами электроны перемещаются, то есть металлы обладают высокой электропроводностью. Свободные электроны могут легко ускоряться и замедляться, то есть менять свою кинетическую энергию. Вследствие этого металлические материалы поглощают кванты электромагнитного поля любой энергии, то есть металлы непрозрачны для радио- и световых волн в широком диапазоне частот. Поглотив квант электромагнитного поля, свободный электрон возбуждается, и, переходя в стационарное состояние, испускает аналогичный квант. Иначе говоря, металлические материалы отражают радио- и световые волны.

Поляризационная связь, или связь Ван-дер-Ваальса. Образуется при сближении молекул или атомов инертных газов. Рассмотрим возникновение поляризационной связи на примере инертных атомов.

У одиночного атома электронная оболочка симметрична. При сближении двух атомов их электронные оболочки электрически взаимодействуют и деформируются (см. рис. 6). В итоге атомы превращаются в диполи, которые взаимно притягиваются. Чем больше порядковый номер атома, тем больше у него электронных оболочек, а следовательно, связь валентных электронов с ядром ослабевает, и деформировать ее становится легче. Следовательно, возрастает дипольный момент атома и увеличивается энергия связи между атомами. Поэтому температура кипения тяжелых инертных газов заметно выше температуры кипения легких газов.

Аналогичные процессы происходят и при сближении электрически нейтральных молекул. Причем чем выше молекулярный вес, тем больший дипольный момент молекул и выше энергия связи. Поэтому вещества с низким молекулярным весом при комнатной температуре являются газами, вещества с большим молекулярным весом - жидкостями, а вещества с еще большим молекулярным весом - твердыми телами.

Важно иметь в виду, что в одном и том же материале одновременно могут реализовываться несколько типов химических связей. Так, внутри молекулы полиэтилена связь ковалентная, а между молекулами поляризационная. В алмазе атомы углерода связаны ковалентной связью, а у графита три электрона образуют ковалентную связь, один электрон идет на образование металлической связи, и образующиеся плоские молекулы связаны поляризационной связью.

В ряде случаев наблюдается изменение типа связи при изменении внешних условий. Так, олово является элементом четвертой группы, и в нем должна реализовываться ковалентная связь, но у олова пять электронных оболочек, и валентные электроны слабо связаны с ядром. Поэтому при термическом возбуждении электроны отрываются от атомов, и связь становится металлической. До температуры 13*С межатомная связь в олове ковалентная, и он является типичным полупроводником  «серое» олово. Выше 13*С связь становится металлической, и олово ведет себя как типичный металл – «белое» олово. Важно отметить, что превращение белого олова в серое олово не может произойти строго при 13*С. Это вызвано существенным различием в плотности упаковки атомов. При перестройке кристаллических решеток в материале появляются упругие напряжения, которые повышают энергию системы. Поэтому превращение начинается при существенном переохлаждении. Упругие напряжения, возникающие при превращении, разрушают материал, поэтому серое олово существует в виде порошка. Превращение белого олова в серое было причиной гибели экспедиции Роберта Скотта. Поскольку канистры с горючим были пропаяны оловом, то при охлаждении белое олово превратилось в серое и горючее вытекло.

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1–10, 12–15, 16, 17, 18, 19, 20/2003

§ 5.3. Вещество
в кристаллическом состоянии

В веществе, находящемся в кристаллическом состоянии, частицы расположены в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка представляет собой пространственное периодическое расположение частиц в кристалле. Точки кристаллической решетки, в которых расположены частицы, называются узлами кристаллической решетки.
В зависимости от природы частиц, образующих кристалл, и типа химической связи между ними кристаллы подразделяются на атомные, молекулярные, ионные, металлические.
В атомных кристаллах атомы связаны ковалентной неполярной связью. Характерным примером таких веществ является алмаз, в кристаллической решетке которого все наиближайшие межъядерные расстояния и все углы между четырьмя связями атома углерода равны. Тетраэдрический угол между этими связями свидетельствует об sp 3 -гибридном состоянии валентных электронных орбиталей атома углерода.
Модель кристаллической решетки алмаза показана на рис. 5.3, а.

Алмаз – чрезвычайно устойчивая форма углерода, и не известно ни одного случая самопроизвольного перехода при обычных условиях алмаза в графит. Мы говорим о кинетической устойчивости алмаза, т. к. термодинамически более устойчивой формой углерода является графит. При нагревании алмаза без доступа воздуха выше температуры 1200 °С начинается его переход в графит.

Из алмазов особой огранкой, специально выявляющей его блеск, изготовляют бриллианты , сверкающие всеми цветами радуги в отраженном свете. Бриллианты – очень дорогие драгоценные камни (масса бриллианта измеряется в каратах, 1 карат = 0,2 г). Алмаз не проводит электрический ток.

Графит – черное, пачкающее бумагу и руки вещество, проводящее электрический ток. Кристаллическая структура графита совсем не похожа на структуру алмаза. Атомы углерода в графите расположены плоскими сетками, причем углы между связями равны 120°. Это позволяет предположить, что валентные электронные орбитали атома углерода находятся в sp 2 -гибридном состоянии и каждый атом связан с тремя другими атомами (рис. 5.3, б). Интересно заметить, что связи С–С в графите более прочные, чем связи в алмазе.
В плоскости перекрывания гибридных орбиталей (-связи) электроны прочно закреплены при своих атомах углерода (локализованы). Однако графит – хороший проводник тока. (Перечислите бытовые и промышленные изделия, где используется графит как проводник тока.)
Электропроводность графита наилучшим образом объясняется тем, что негибридная р -орбиталь атома углерода, располагающаяся перпендикулярно плоскости перекрывания sp 2 -гибридных орбиталей, перекрывается своими боковыми областями с тремя подобными орбиталями трех соседних атомов. Таким образом, выше и ниже этой плоскости находятся единые для всех атомов углерода зоны -перекрывания. В этом общем электронном облаке электроны уже не относятся к какому-либо определенному атому углерода, а принадлежат всем атомам, находящимся на плоскости. Графит проводит электрический ток по слою атомов, но не между слоями. Это прекрасный пример анизотропии кристалла!
В графите слои атомов легко скользят относительно друг друга. Когда вы пишете графитовым карандашом по бумаге, на ней остаются сместившиеся и прилипшие к бумаге слои атомов. В то же время графит не рассыпается на слои атомов, это свидетельствует о том, что они взаимодействуют между собой. Связи между плоскостями (слоями) очень слабы, их длина почти в 2,5 раза больше, чем межъядерное расстояние С–С в плоскости. За эти связи ответственны силы Ван-дер-Ваальса .
Графит и алмаз – это различные кристаллические формы, построенные из одинаковых атомов. Явление изменения кристаллической структуры одного и того же вещества при изменении внешних условий называется полиморфизмом , а сами эти вещества с различной кристаллической структурой называются полиморфными модификациями . Алмаз и графит – полиморфные модификации углерода. Полиморфизм относится только к кристаллическим веществам.

В общем случае способность простого вещества существовать в различных формах называется аллотропией . Графит и алмаз можно назвать аллотропными модификациями углерода и одновременно его полиморфными модификациями.
Газообразные кислород О 2 и озон О 3 – это аллотропные модификации кислорода, но не полиморфные.

Молекулярная кристаллическая решетка построена из молекул вещества. Обычно такие вещества имеют низкие температуры плавления и кипения, что говорит о слабой связи частиц между собой. К такого типа веществам относятся, например, твердые водород Н 2 , азот N 2 , кислород О 2 , галогены (фтор, хлор, бром, йод), углекислый газ СО 2 («сухой лед»), все благородные элементы VIII группы (неон, аргон и др.) и многие органические вещества.
На рис. 5.4 показан фрагмент кристаллической решетки йода, в узлах которой находятся молекулы I 2 . Атомы йода в молекуле связаны довольно прочной ковалентной -связью, а молекулы между собой – слабыми силами Ван-дер-Ваальса. В связи с этим при незначительном нагревании йод, не плавясь, переходит из кристаллического состояния в газообразно

Среди кристаллов с молекулярной структурой особое место занимает кристаллическая вода – лед. Во льду молекулы воды связаны между собой водородными связями.
Ионные кристаллические решетки построены из противоположно заряженных ионов. На рис. 5.5 изображен фрагмент кристаллической решетки хлорида натрия NaCl. Благодаря сильному электростатическому взаимодействию ионов наряду с химической связью между ними ионные кристаллы отличаются высокой температурой плавления.

Список новых и забытых понятий и слов

О.С.ЗАЙЦЕВ

Печатается с продолжением