10. Кристаллическая структура. Молекулярные, ковалентные, металлические, ионные кристаллы. Особенности координирования в них структурных единиц. Примеры.

Молекулярный кристалл — кристалл, образованный из молекул. Молекулы связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, внутри же молекул между атомами действует более прочная ковалентная связь. Большинство молекулярных кристаллов — кристаллы органических соединений, типичный такой кристалл — нафталин. Молекулярные кристаллы образуют также некоторые простые вещества (водород, галогены, азот, кислород), бинарные соединения типа H₂O, CO₂, N₂O₄, металлоорганические соединения и некоторые комплексные соединения. К молекулярным кристаллам относятся и кристаллы полимеров, а также кристаллы белков, нуклеиновых кислот. Особым случаем молекулярных кристаллов являются кристаллы отвердевших инертных газов, в которых ван-дер-ваальсовы силы связывают между собой не молекулы, а атомы.

Для типичных молекулярных кристаллов характерны низкие температуры плавления, большие коэффициенты теплового расширения, высокая сжимаемость, малая твёрдость. В обычных условиях большинство молекулярных кристаллов — диэлектрики. Некоторые молекулярные кристаллы, например органические красители, — полупроводники.

Класс соединений с нормальной валентностью характеризуется жесткими направленными связями, аналогичными по своей природе связям в решетке алмаза. При этом каждый атом оказывается окруженным четырьмя другими, с которыми он связан нормальными ковалентными связями из двух электронов, следовательно, в данном случае электронная концентрация равна 4. Например, в соединении AlSb каждый атом алюминия имеет три электрона, а каждый атом сурьмы — пять. Следовательно, на два атома приходится восемь электронов и, таким образом, электронная концентрация равна четырем. Эти соединения кристаллизуются в решетку цинковой обманки, которая совершенно аналогична решетке алмаза, с той лишь разницей, что атомы углерода заменены атомами двух сортов: цинка и серы.

Металлический кристалл рассматривается как состоящий из правильно расположенных положительных ионов, удерживаемых совместно путем притяжения находящихся между ними электронов. Структуры металлических кристаллов характеризуются плотной и плотнейшей упаковкой положительных ионов. металлы демонстрируют высокую тепло - и электропроводность, указывая на присутствие электронов, которые являются относительно свободными для движения через кристалл. Металлические кристаллы образуются следующим образом. При кристаллизации атомы сближаются, валентные электроны отделяются от атомов и коллективизируются — они уже принадлежат не отдельным атомам, а кристаллической решетке в целом. Совокупность этих свободных электронов образует электронный газ. Кристаллическая решетка состоит из плотно упакованных положительно заряженных ионов, которые удерживаются в узлах решетки за счет взаимодействия с отрицательно заряженным электронным газом. Наличие свободных электронов и служит причиной того, что металлы — хорошие проводники электричества.

Ионные кристаллы образуются путем плотной упаковки ионов, заряженных разноименно. К числу ионных кристаллов относится большинство неорганических соединений, например соли. Рассмотрим строение кристалла поваренной соли — хлорида натрия NаСI. Известно, что атом натрия легко отдает свой валентный электрон, а атом хлора его принимает. Образуются два иона: положительный Nа⁺ и отрицательный Сl^-. У обоих ионов внешняя электронная оболочка оказывается заполненной, ибо она содержит по 8 электронов. Электроны располагаются сферически, симметрично относительно ядер, так что оба иона можно считать шариками, но с разными радиусами: ион хлора больше иона натрия. Между разноименно заряженными ионами действуют кулоновские силы притяжения, удерживающие их в узлах кубической кристаллической решетки. Каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора, и, наоборот, каждый ион хлора окружен шестью ионами натрия. В кристалле нет молекул NаСl.