Типы химических связей в кристаллах.

Все атомы в кри­сталлических структурах взаимосвязаны, то и координационные числа, и тип построек из тех или иных атомов, и другие характеристики структур являются функцией взаимодействий между атомами, т. е. функцией химической связи между ними. Концепция химической связи — важнейшего понятия химии — лежит в основе всех остальных ее базовых понятий и является одной из центральных в науках о строении вещества.Нужно помнить, что химическая связь — это взаимодействие атомов одного и того же или разных химических элементов, в процессе которого происходит перестройка электронных оболочек связывающихся атомов с одновременным образованием единого электронного облака, сопровождающимся понижением энергии всей системы. И независимо от агрегатного состояния вещества химическая связь всегда электростатическая и может быть описана с помощью представлений о валентных электронах связанных атомов.Поскольку энергия взаимодействий атомов характеризуется большим диапазоном, химические связи между частицами в структурах принято делить на следующие типы: металлические, ионные, ковалентные, вандер-ваальсовы и водородные.

Металлическая связь характерна для элементов первых групп периодической системы и интерметаллов. Эта связь осуществляется взаимодействием свободных электронов и положительно заряженных атомных ядер. Металлический кристалл можно представить как решетку из положительно заряженных атомных ядер, погруженных в отрицательно заряженный «газ», состоящий из свободных электронов. Все атомы отдают свои электроны в общее пользование, т. е. все свободные электроны обобществляются и легко перемещаются внутри структуры, не нарушая типа химической связи. Для металлических структур характерны большие координационные числа (КЧ = 8, 12), плотные и плотнейшие упаковки частиц, а также ряд специфических свойств, таких как высокие электропроводность и теплопроводность, ковкость, невысокие температуры плавления и кипения, объясняемых существованием свободно перемещающихся электронов, слабо связанных с атомными ядрами металлов.

Ионная связь. В узлах кристаллической решётки 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 температурах близких к температуре плавления они становятся проводниками электричества. Примером кристаллов с ионной решёткой являются кристаллы каменной соли (NaCl). Это связь, при которой внешние электроны атомов первого элемента переходят на внешние орбиты атомов другого элемента образуя устойчивые конфигурации.

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

В узлах кристаллической решётки помещаются определённым 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 ван-дер-ваальсовскими силами. Для кристаллов с молекулярными связями характерны низкие температуры плавления и высокая сжимаемость.

Особая разновидность молекулярной связи — водородная 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. Молекулярные связи образуют, например, следующие вещества: H₂, N₂, O₂, CO₂, H₂O.