ковалентные кристаллы

КОВАЛЕНТНЫЕ КРИСТАЛЛЫ

кристаллич. вещества, в которых 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 К. к. характерны высокая прочность, высокие температуры плавления, малая электрич. проводимость при низких температурах. Из простых веществ только С, его аналоги в периодич. системе и В образуют К. к. 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. количество К. к. 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 которых 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 К. к. 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 К. к. с октаэдрич. координацией металла -TiO₂ (рутил и др. модификации), ReO₃. Нехарактерная для Si октаэдрич. координация наблюдается в К. к. стишовита модификации SiO₂, образующейся при высоком давлении К. к. более сложного состава встречаются сравнительно редко, напр. CuNCS. наиб. полные сведения о хим. связях в К. к. дают рентге-ноструктурные данные о пространств, распределении электронной плотн. ρ(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. Функция 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_макс(r), отвечающие валентным парам электронов. В кристаллах кварца (в отличие, напр., от кристаллов алмаза) пики функции 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. Функция ρ(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 SiO₂ атом Si несколько сжат, а атом О расширен по сравнению с размерами своб. атомов. Аналогичные оценки эффективных зарядов в других К. к. обычно указывают на доминирующую роль ковалентной составляющей связи. Так, заряд на атоме Re в ReO₃ близок к 0,9 е, на атоме Al в Al₂O₃ равен 0,4 е. Вместе с тем в СоAl₂O₄ со структурой шпинели заряды на атомах Со, Al 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 ρ(r) позволяют в хорошем согласии с опытом рассчитывать свойства К. к.

_{П. М. Зоркий}