Кристаллические твердые тела имеют определенный, закономерный порядок расположения атомов, образующих в пространстве кристаллическую решетку данного вещества (рисунок 1), в то время как аморфные тела имеют хаотическое, произвольное расположение атомов (стекла, некоторые полимеры, аморфный кремний).
Кристаллическая решетка характеризуется координационным числом К - числом атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного, а также расстоянием между ближайшими атомами. Координационное число К характеризует плотность кристаллической решетки (плотность упаковки атомов). Некоторые типы кристаллических решеток: простая кубическая (п.к., К=6, рисунок 1 а), объемоцентрированная кубическая (о.ц.к., К=8, рисунок 1, б), гранецентрированная кубическая (г.ц.к., К=12, рисунок 1, в), гексагональная плотноупакованная (г.п.у., К=12, рисунок 1, г). Расстояние между ближайшими атомами как правило находится в пределах 1...10 А (А - ангстрем, равен 10^-10 м). При сближении атомов возникают силы притяжения между положительно заряженными ядрами одних атомов и электронами других, а также силы отталкивания между ядрами и между электронами. Силы отталкивания растут быстрее, чем силы притяжения, и атомы при образовании кристалла располагаются на таком расстоянии друг от друга r₀, когда силы уравновешиваются. Поэтому, атомы в кристалле занимают строго определенные положения (точнее совершают вокруг них колебания), образуя кристаллическую решетку.

Рисунок - 1 Типы кристаллических решеток. а - простая кубическая; б - объемоцентрированная кубическая; в-гранецентрированная кубическая; г - гексагональная плотноупакованная

В первом приближении кристаллы образуются за счет трех основных типов химической связи - ионной, ковалентной и металлической, хотя обычно существует некоторая комбинация этих типов.
Ионные кристаллы. Кристаллы с ионной связью образуют элементы с сильно различающимися электроотрицательностями (способность атома в молекуле притягивать к себе электроны). Типичные представители - галогениды щелочных металлов (NaCl, CsF). Ионный кристалл в идеализированном представлении состоит из положительно и отрицательно заряженных ионов (например, Na⁺ и Сl^-). Устойчивость ионных кристаллов обеспечивается в основном за счет электростатического (кулоновского) притяжения между катионами и анионами. Ионная связь ненаправленная (все ионы взаимодействуют со всеми) и ненасыщенная, поэтому у ионных кристаллов высокие координационные числа (плотнейшее расположение атомов). Ионные кристаллы хрупкие. Энергия ионного кристалла равна сумме энергий электростатического взаимодействия всех составляющих ее ионов друг с другом. Она зависит от зарядности ионов, межатомных расстояний и типа кристаллической решетки. Взаимное расположение ионов и координационное число ионной решетки определяется соотношением эффективных радиусов составляющих ее ионов.
Ковалентные кристаллы.Ковалентная связь формируется между атомами при обобществлении ими электронов с образованием общей электронной пары. Типичными представителями кристаллов с ковалентной связью являются алмаз и соединения A^IIIB^V и A^IIB^VI (BN, ZnS). Ковалентная связь направленная, насыщаемая. Ковалентные кристаллы имеют как правило малую плотность, хрупкие и в ряде случаев очень твердые (нитриды, карбиды). Энергия ковалентных кристаллов равна сумме всех энергий разрыва связей между атомами, составляющими кристалл. Длина ковалентной связи зависит от ее кратности, а тип кристаллической решетки и координационное число - от гибридизации.
Металлические кристаллы. Металлическая связь возникает при взаимодействии атомов электроположительных элементов, внешние валентные электроны которых относительно слабо связаны с ядром. При образовании металлического кристалла валентные электроны отрываются от атомов и металл представляет собой остов из положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны (так называемый “электронный газ”). Металлическая связь ненаправленная и ненасыщенная, поэтому металлы как правило имеют плотноупакованные решетки (г.ц.к, о.ц.к., г.п.у.). Энергия металлического кристалла равна энергии необходимой для перемещения всех коллективизированных электронов в кристалле обратно на уровни, соответствующие свободным атомам. Особенности строения металлов определяют их характерные свойства: высокая электропроводность и теплопроводность за счет большого количества свободных электронов; пластичность (так как электроны не принадлежат конкретным атомам, сдвиг одних атомов относительно других при деформации не вызывает разрыва связей и разрушения металла). Уникальное сочетание высокой прочности с хорошей пластичностью, вязкостью и обрабатываемостью, не встречающееся у других материалов являются причиной широкого использования металлов и сплавов в качестве основного конструкционного материала.

Читайте также Полиморфизм

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! На нашем сайте Вы можете заказать любые задания по всем разделам материаловедения. Решение предоставляется в печатном виде с детальными комментариями