§ 233. Примеры кристаллических структур
Наиболее обширной группой кристаллов являются тела, построенные из молекул. Достаточно представителей имеют и ионные соединения. В этих случаях, как мы уже говорили, представление о кристалле как о плотно уложенных частицах вполне оправдано. Однако необходимо остановиться на тех структурах, где направленности связей между атомами, отклонение электронного облака от сферической симметрии и прочее являются причиной образования структур, которые не могут уже рассматриваться столь просто.
Рис. 263.
К таким исключениям принадлежат структуры атомов, связанных общими электронами.
У большого числа металлов наблюдаются структуры с объемно-центрированной кубической ячейкой. В этих кристаллах каждый атом будет иметь восемь соседей, а не двенадцать, как в плотнейшей упаковке шаров. Так ведут себя, например, атомы железа (рис. 257). Решетка железа — кубическая; атомы железа расположены в вершинах и центрах кубов. Такой же структурой обладают литий, калий, цезий и ряд других веществ.
На рис. 263 структура кристаллической ртути сравнивается с идеальной кубической плотнейшей упаковкой. Легко видеть, что характер расположения центров атомов одинаков, но в структуре
ртути расстояния между слоями уменьшились, а расстояния между атомами одного слоя возросли, как будто бы мы плотно упаковали слегка сплющенные шары.
Примеров таких в большей или меньшей степени «испорченных» шготнейших упаковок очень много. Например, в случае льда (рис. 264) родство с шаровой упаковкой теряется полностью. Связь между каждой парой атомов кислорода осуществляется одним атомом водорода. В этих четырех связях каждый атом водорода приходится на два атома кислорода — противоречия с химической формулой воды изображенная на рис. 264 структура, конечно, не имеет. Для наглядности «водородная» связь на рисунке изображена в виде «перешейка». Структура льда очень рыхлая, на рисунке заметны большие «дыры». Если мысленно продолжить структуру над плоскостью чертежа, то эти дыры превратятся в широкие каналы, пронизывающие структуру.
Рис. 264.
Рис. 265.
Структура льда — важное исключение из общего правила. Это не значит, что редкими являются случаи, когда уподобление кристалла плотной упаковке частиц теряет свой смысл.
Как мы уже говорили выше, полностью теряется аналогия с плотной упаковкой шаров в случае кристаллов, построенных из атомов, связанных общими электронами.
Структура сульфида цинка, показанная выше на рис. 257, очень характерна. Так же выглядят и структуры некоторых элементов: углерода (алмаз), кремния, германия, олова (белого).
Возможны случаи, когда гомеополярные связи образуют слои и цепи атомов.
На рис. 265 изображена структура графита. Атомы углерода в графите образуют слоевую структуру. Но это не слои плотнейшей упаковки. Построить слой графита из соприкасающихся сфер нельзя. У графита слои сильно связанных атомов — плоские. Мышьяк и фосфор также дают слоистые в этом смысле структуры, но атомы слоя расположены не в одной плоскости. В качестве примера
структуры, состоящей из цепочек сильносвязанных атомов, можно привести серый селен. Каждый атом этого вещества крепко связан лишь с двумя соседями. У серого селена атомы образуют бесконечную спираль, навивающуюся на прямую линию. Расстояния между атомами соседних спиралей значительно больше расстояния между ближайшими атомами, входящими в одну и ту же спираль.
Черный матовый мягкий графит, которым мы пишем, и блестящий прозрачный твердый, режущий стекло алмаз построены из одних и тех же атомов — из атомов углерода. На этом примере с исключительной отчетливостью видно, как резко определяются свойства кристаллов взаимным расположением атомов. Из графита делают огнеупорные тигли, выдерживающие температуру до 2000-3000 °С, а алмаз горит при температуре выше 700 °С; удельный вес алмаза 3,5, а графита 2,1; графит проводит электрический ток, алмаз — нет, и т. д.
Эта особенность образовывать разные кристаллы присуща не только одному углероду. Почти каждый химический элемент в кристаллическом состоянии и любое вещество существуют в нескольких разновидностях. Нам известно шесть разновидностей льда, девять разновидностей серы, четыре разновидности железа.
При комнатной температуре атомы железа образуют кубическую решетку, в которой атомы занимают места по вершинам и в центре кубов; каждый атом имеет восемь соседей. При высокой температуре атомы железа образуют плотнейшую упаковку: каждый атом имеет двенадцать соседей. Железо с числом соседей восемь — мягкое, железо с числом соседей двенадцать — твердое. Закалка стали фиксирует при комнатной температуре плотнейшую кубическую упаковку, устойчивую при более высоких температурах.
Уже из примеров углерода и железа видно, что разновидности кристаллов одного и того же вещества совершенно не похожи друг на друга по структуре. То же относится и к другим веществам.
Так, например, желтая сера образует в кристалле гофрированные кольца из восьми атомов. Иначе говоря, в кристалле видна молекула серы из восьми атомов. Красная сера тоже состоит из таких колец, однако повернуты они друг к другу совсем иначе.
Желтый фосфор дает кубическую структуру с числом ближайших соседей, равным восьми. Черный фосфор — слоистая структура типа графита.
Серое олово имеет структуру такую же, как алмаз. Белое олово можно мысленно получить из серого, если сильно сжать алмазную структуру вдоль оси куба. В результате этого сплющивания число ближайших соседей у атома олова становится равным шести вместо четырех.
У органических веществ также часто встречаются кристаллические разновидности. Те же самые молекулы располагаются по-разному одна по отношению к другой.
