73 получать материалы с необходимыми физическими и химическими
свойствами.
3.5. Ковалентные кристаллы Как говорит уже само название, ковалентные – это те кристаллы, в
которых преобладает ковалентная связь между структурными единицами
решетки.
Строение кристаллов Вспомним структуру молекулы метана
СН
4
, в которой имеет место
выраженная ковалентная связь (см. рис.29). Связь в этой молекуле
осуществляется благодаря попарному перекрыванию электронных орбиталей
атома углерода и атомов водорода. Возможность образования четырех
одинарных связей появляется у атома углерода благодаря гибридизации
sp 3
-
типа. Такой тип гибридизации приводит к тетраэдрической конфигурации
молекулы метана с углами между связями 109°28'.
Теперь представим себе, что все атомы водорода
Н
в этой молекуле
замещены метильными группами
–
СН
3
, центральный атом углерода в этом
случае будет окружен четырьмя другими атомами углерода. Такие
соединения известны (тетраметилметан
С
5
Н
12
).
Представим теперь, что все атомы водорода замещены такими же
тетраэдрическими атомами углерода. Такое представление неизбежно при-
водит к структуре трехмерной тетраэдрической кристаллической решетки с
координационным числом K = 4. Такая решетка совместима с кубической
(см. рис.52).
Как показал анализ, именно подобного
типа решеткой обладает алмаз: все атомы
углерода в нем соединены прочными
ковалентными связями, направленными под
углом 109°28' по отношению друг к другу.
Такого типа решетка характерна для целого ряда
простых веществ и соединений, она получила
название алмазной. Устойчивому состоянию
кристалла, как всегда, соответствует минимум
потенциальной энергии, достигаемый в данном
случае при равновесном расстоянии между атомами 0,142 нм. По аналогии с
кристаллами других типов в данном случае вводится понятие ковалентного
радиуса атома. Для атома углерода в решетке алмаза ковалентный радиус
составит половину межатомного расстояния, то есть 0,071 нм. Кремний,
также кристаллизующийся в решетке типа алмаза, имеет ковалентный радиус
0,118 нм, германий – 0,121 нм и так далее. С увеличением ковалентного
радиуса энергия и прочность кристаллической решетки убывают.