Ковалентные кристаллы

Ковалентные кристаллы можно подразделить на два типа: молекулярные и макро-молекулярные (координационные).

Молекулярные кристаллы состоят из молекул, удерживаемых в определенных положениях кристаллической решетки слабыми межмолекулярными силами (вандер-ваальсовыми силами) либо водородными связями. Мы уже приводили примеры подобных кристаллов в гл. 2. Например, лед состоит из молекул воды, удерживаемых в кристаллической решетке водородными связями (см. рис. 2.26).

В качестве другого примера рассмотрим кристалл иода. Он имеет гранецентрированную кубическую структуру (рис. 3.28). Узлы его кристаллической решетки заняты двухатомными молекулами иода I2. Решетка иода удерживается как единое целое слабыми вандерваальсовыми силами. Подобную структуру имеет твердый диоксид углерода, в решетке которого узлы заняты молекулами CO2. Нафталин также образует молекулярные кристаллы. Его плоские молекулы упакованы в моноклинную решетку (рис. 3.29).

Макромолекулярные кристаллы. Эти кристаллы называют также координационными кристаллами. В отличие от ионных и металлических кристаллов, которые состоят из ионов, а также в отличие от молекулярных кристаллов, которые состоят из молекул, макромолекулярные кристаллы имеют решетку, построенную из атомов. Поэтому их иногда называют еще атомными кристаллами. Макромолекулярные кристаллы можно подразделить на три типа: цепочечные структуры, слоистые структуры и каркасные структуры.

Цепочечные структуры. Мы уже знаем, что некоторые аморфные вещества, например полимеры, имеют цепочечную структуру. Подробное рассмотрение органических полимеров проводится в гл. 20. Многие силикатные минералы также имеют полимерную цепочечную структуру. Примером таких веществ является асбест. Асбест представляет собой полисиликатный минерал. Его волокнистое строение обусловлено тем, что он содержит силикатные ионы, ковалентно связанные друг с другом в полимерные цепочки.

Рис. 3.31. Слоистая структура графита (а) и иодида кадмия (б).

 

Некоторые неорганические соединения с ковалентным характером связи также имеют цепочечную структуру. В качестве примера приведем хлорид палладия (рис. 3.30) и хлорид меди (II). Эти соединения с цепочечной структурой можно рассматривать как одномерные макромолекулы.

Слоистые структуры. Кристаллы с такой структурой можно рассматривать как двумерные макромолекулы. Классическим примером вещества со слоистой структурой является графит. Каждый его слой состоит из атомов углерода, ковалентно связанных друг с другом в правильные шестиугольники (рис. 3.31.а). Соседние слои удерживаются вместе слабыми вандерваальсовыми силами. Поэтому слои легко скользят один по другому. Это объясняет чешуйчатую текстуру графита и его способность служить хорошим смазочным материалом.

Графит хорошо проводит электрический ток в плоскости своих атомных слоев, но плохо - в перпендикулярном направлении. Это обусловлено наличием в нем делокали-зованных л-орбиталей, простирающихся между слоями. Делокализованные электроны могут свободно перемещаться вдоль слоев. Другими примерами веществ со слоистой структурой являются иодид кадмия CdI2 (рис. 3.31,6) и хлорид алюминия AlCl3. Химическая связь между атомами кадмия и иода внутри каждого слоя CdI2 имеет промежуточный характер между ионной и ковалентной. Слои удерживаются вместе слабыми вандерваальсовыми силами. Подобно графиту иодид кадмия имеет жирную на ощупь текстуру.

Тальк и слюда относятся к силикатным минералам, общим свойством которых является наличие ионов Si20|~. Тальк имеет формулу Mg3(OH)2(Si2O5)2. Состав слюды зависит от конкретного типа этого минерала. Например, лепидолит имеет формулу KLi2Al(OH)2(Si2O5)2.

И тальк, и слюда имеют слоистую структуру. Каждый слой состоит из двумерных полимеров. Слоистая структура объясняет скользкую текстуру талька, а также легкость, с которой слюда расщепляется на отдельные листки.

Каркасные (координационные) структуры. Алмаз имеет трехмерную макромолеку-лярную структуру (рис. 3.32). Каждый атом углерода ковалентно связан с четырьмя другими атомами углерода, образуя тетраэдрическую структуру. Алмаз имеет такую же структуру, как цинковая обманка, если заменить в ней каждый ион цинка и серы на атом углерода. Вся структура алмаза в целом представляет собой в сущности одну макромолекулу.

 

Оглавление: