Ковалeнтные кристаллы

КОВАЛEНТНЫЕ КРИСТАЛЛЫ, кристаллич. в-ва, в к-рых все атомы объединены ковалентными связями, образующими пространств, каркас (т.е. гомодесмич. кристаллическую структуру). Обычно имеют ажурную структуру, т.е. в них отсутствует плотная упаковка (исключение - модификации ZnS). Для ковалентных кристаллов характерны высокая прочность, высокие т-ры плавления, малая электрич. проводимость при низких т-рах. Из простых в-в только С, его аналоги в периодич. системе и В образуют ковалентные кристаллы. Для углерода известны две гомодесмич. модификации с тетраэдрич. координацией атомов - алмаз и лонсдейлит. Кристаллич. Si и Ge изоструктурны алмазу. В кристаллах В сосуществуют атомы с координац. числами 4, 5 и 6; б. ч. атомов располагается по вершинам икосаэдров (см. Бор). Макс. кол-во ковалентных кристаллов дают бинарные соед. неметаллов между собой и металлов (в осн. переходных) с неметаллами. Примеры структурных типов с тетраэдрич. координацией-сфалерит и вюрцит (модификации ZnS), представляющие собой структуры соотв. алмаза и лонсдейлита, в к-рых атомы С поочередно заменены на атомы Zn и S (атомы S образуют плотнейшую шаровую упаковку, атомы Zn занимают ¹/₂ тетраэдрич. пустот).

Важные представители более сложных ковалентных кристаллов с тетраэдрич. координацией - модификации SiO₂: кристобалит и тридимит, родственные соотв. алмазу и лонсдейлиту, а также наиб. стабильная модификация - кварц, обладающий менее симметричной и притом хиральной структурой. Типичные примеры ковалентных кристаллов с октаэдрич. координацией металла -ТiO₂(рутил и др. модификации), ReO₃. Нехарактерная для Si октаэдрич. координация наблюдается в ковалентных кристаллах стишовита модификации SiO₂, образующейся при высоком давлении. Ковалентные кристаллы более сложного состава встречаются сравнительно редко, напр. CuNCS. наиб. полные сведения о хим. связях в ковалентных кристаллах дают рентге-ноструктурные данные о пространств, распределении электронной плотн. r(r), хорошо согласующиеся с квантовохим. расчетами. Особенно наглядны данные о распределении деформац. электронной плотн. dr(r) = р(r) - р₀(r), где р₀(r) - электронная плотн. сферически симметричных валентно несвязанных атомов. Ф-ция dr(r) показывает, какие изменения в электронной плотн. атомов происходят в результате образования хим. связей; на линиях хим. связей обнаруживаются области с максимальной dr(r), в частности области dr_мaкс(r), отвечающие валентным парам электронов. В кристаллах кварца (в отличие, напр., от кристаллов алмаза) пики ф-ции dr(r) смещены в сторону от линий, соединяющих атомы Si и О, что свидетельствует о напряженности связей. Кроме того, наблюдается делокализация электронов вдоль фрагмента О—Si—О и смещение пиков dr(r) в сторону атомов О; связь Si—О частично двойная. Ф-ция r(r) дает объективную характеристику эффективных атомных зарядов. В случае кварца эти заряды близки к 1,0 е (где е-заряд электрона) для атома Si и - 0,5 е для атома О; в стишовите заряды увеличиваются соотв. до 1,7 и —0,85 е, что указывает на повышение нежности связи при увеличении координац. числа. Во всех модификациях SiO₂атом Si несколько сжат, а атом О расширен по сравнению с размерами своб. атомов. Аналогичные оценки эффективных зарядов в других ковалентных кристаллов обычно указывают на доминирующую роль ковалентной составляющей связи. Так, заряд на атоме Re в ReO₃ близок к 0,9 е, на атоме Аl в Аl₂О₃ равен 0,4 е. Вместе с тем в СоАl₂О₄ со структурой шпинели заряды на атомах Со, Аl и О равны соотв. 1,5, 2,8 и - 1,8, что свидетельствует о значит. вкладе ионных сил. Однако в этом случае наблюдается сложное распределение dr(r): в окрестности атома Со с тетраэдрич. координацией имеется 8 отрицат. и 6 положит, избыточных пиков. Данные о распределениях r(r) позволяют в хорошем согласии с опытом рассчитывать св-ва ковалентных кристаллов. П. М. Зоркий.

Ещё по теме

Кристаллохимия — строение и свойства кристаллов

Мир кристаллов — структура, свойства и применение

Ковалентная связь — особенности и роль в химии

Силикаты — строение, свойства и применение

Гибридизация орбиталей и химические связи

Гетерополярные химические связи — типы и особенности

Силикаты — строение, свойства и классификация

Простая ковалентная связь в химии