Ионные вещества, такие, как хлориды, нитриды и оксиды металлов являются основными структурными компонентами в группе материалов, известных под названием керамики, а также в относящейся к керамике специфической группе материалов, называемой стеклами (см. главу 1.4). Эти материалы отличаются повышенной стабильностью благодаря высокой прочности ионной связи.
Рис. 1.3.5. Структура твердой соли, образованной ионными связями между ионами натрия (•) и хлора (о)
Рис. 1.3.6. Структура алмаза, образованная расположением углеродных связей в виде тетраэдра в трехмерном пространстве кристаллической решетки
Металлические связи в твердом теле.
Расположение, подобное ионным решеткам, может существовать и при наличии металлической связи. В этом случае отдельные атомы удерживаются не за счет сил прочного электростатического притяжения, наблюдаемого между атомами в ионных твердых телах, а за счет обобщенного облака электронов. Это облако придает особые свойства металлам, которые будут рассмотрены в главе 1.5.
Ковалентные связи в твердом теле.
Существует всего несколько твердых веществ с ковалентной связью — ими являются углерод, кремний и германий. Основным отличием ковалентной связи от двух других первичных связей является ее полярность. Полярность обусловливает серьезные ограничения на возможное пространственное расположение атомов.
Одним из примеров твердого материала с ковалентными связями является алмаз, который представляет собой одну из форм углерода. Электроны на внешней оболочке углерода расположены так, что для достижения конфигурации, подобной неону, требуются четыре дополнительных электрона. В случае алмаза это достигается за счет обобществления электронов соседних атомов углерода. Полярность этих связей такова, что они направлены в сторону четырех углов тетраэдра, в центре которого находится атомное ядро углерода. Объемное строение алмаза представлено на Рис. 1.3.6.
Твердые вещества с ковалентными связями, состоящие из одного элемента, встречаются крайне редко. Чаще ковалентные связи образуются между разными элементами. Поскольку для образования таких связей элементы вступают в химическую реакцию, образовавшаяся молекула становится крайне инертной по отношению к другим молекулам того же типа, поэтому вся совокупность молекул будет неспособной образовывать пространственную сетку.
Электронные орбиты перекрываются и электроны становятся общими, что приводит к полному завершению электронных орбит, которое делает связь между атомами очень стабильной. При таком строении отсутствуют незавершенные электронные орбиты, необходимые для дальнейшего соединения атомов по механизмам первичной связи. Таким образом, ковалентно связанные элементы образуют стабильные молекулы, и большинство элементов, соединенных с помощью ковалентных связей, представляют собой газ или жидкость. К этим соединениям относятся вода, кислород и водород. Вода переходит в твердое состояние при 0°С, и для того, чтобы это стало возможным, должны существовать какие-то дополнительные силы притяжения между молекулами воды, но эти силы не будут являться первичными связями.
Вторичные связи.
Два или большее число атомных ядер могут обладать общими электронами непропорционально долгое время в одном определенном положении. Это приведет к тому, что на одном конце молекулы может появиться незначительный по величине положительный заряд,