Некоторые характеристики веществ при 298,16 К

Плотность большинства металлов значительна, что свидетельствует об очень плотной структуре металлических кристаллов. Однако, такие свойства металлов, как высокие ковкость и тягучесть, указывают на отсутствие жесткости в металлических решетках: их плоскости довольно легко сдвигаются одна относительно другой.

Чрезвычайно высокие, по сравнению с другими типами кристаллов, значения электрической проводимости и теплопроводности металлов указывают на высокую подвижность и большую «свободу» электронов в их пространственной структуре. С точки зрения строения атомов, типичные металлические свойства проявляют элементы, обладающие небольшим числом валентных электронов, и, напротив, большим количеством незаполненных орбиталей на внешнем квантовом слое. За счет перечисленных особенностей при кристаллизации атомы вещества упаковываются с максимально возможной плотностью так, чтобы их незаполненные орбитали оказались как можно более полно заселены небольшим числом имеющихся валентных электронов соседних атомов.

Говоря о типе связи в кристалле, необходимо иметь в виду, что связь между двумя атомами никогда полностью не соответствует одному из описанных типов. В ионной связи всегда присутствует элемент ковалентной связи и т.п. А в сложных веществах связь между разными атомами может быть разного типа.

Так, в молекулярных кристаллах типа H₂O, HCl наряду с силами Ван-дер-Ваальса действуют водородные силы.

Ярким примером кристаллов со смешанными связями служит одна из форм углерода – графит, структура которого приведена на рисунке 3.3. Атомы углерода связаны друг с другом ковалентными связями так, что они образуют плоские двумерные слои. Связь между двумерными слоями графита осуществляется только за счёт слабых сил Ван-дер-Ваальса. Таким образом, графит является молекулярным кристаллом в одном направлении и ковалентным – в другом направлении.

Рис. 3.3. Кристаллическая структура графита

Расстояние между слоями графита достаточно велико, поэтому между ними могут внедряться другие атомы или молекулы. При этом образуются соединения, называемые соединениями внедрения, слоистымисоединениямиили клатратами. Примерами таких соединений являются фториды графита CF_х, в которых атомы фтора внедрены между слоями решетки графита.

4. КЛАССИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТЕЛ ПО ОСОБЕННОСТЯМ ЗОННОЙ СТРУКТУРЫ

Теория твердого тела должна удовлетворительно объяснять наблюдающиеся различия в электрической проводимости твёрдых тел.

Одно из наиболее характерных свойств металлов – высокая электрическая проводимость, обусловленная направленным переносом их электронов в электрическом поле. Ряд твердых веществ с молекулярной, ионной или ковалентной решеткой образуют класс диэлектриков. Их электрическая проводимость на 20-30 порядков ниже электрической проводимости металлов. Большое число веществ занимает промежуточное положение между металлами и диэлектриками и относятся к классу полупроводников. При очень низких температурах полупроводники не проводят электрический ток, т.е. являются типичными диэлектриками. По мере роста температуры их электрическая проводимость возрастает.

Ни теория ковалентной связи, рассматривающая электроны, принадлежащие лишь данной химической связи как в ковалентных кристаллах, ни модель свободного электрона в металлах не в состоянии объяснить изменение электрической проводимости твердых тел больше, чем на два порядка. Успешным является применение в теории твердого тела квантово-механических представлений.

Теория, объясняющая свойства твердых тел на основании анализа строения и плотности заполнения электронами энергетических зон в кристаллах, называется зонной теорией. Зонная теория позволила классифицировать все твердые тела по качественным особенностям их зонной структуры.

Понятия зонной структуры и зоной теории твердого тела были введены Ф.Блохом и Р.Пайерлсом в конце 1930-х годов. Термины «зонная структура» и «зонная теория» отражают своеобразный характер энергетического спектра электронов в твёрдом теле.