Ионные кристаллы
ИОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ, кристаллич. в-ва, в к-рых сцепление между частицами обусловлено преим. ионными связями. Поскольку между ионными и полярными ковалентными связями существует непрерывный переход, нет резкой границы между ионными кристаллами и ковалентными кристаллами. К ионным относят кристаллы, в к-рых связи между атомами наиб. полярны; в осн. это соли щелочных и щел.-зем. металлов. Ионные кристаллы отличаются высокими т-рами плавления, обычно значит. шириной запрещенной зоны, обладают ионной проводимостью при высоких т-рах и рядом специфич. оптич. св-в (напр., прозрачностью в ближней области ИК спектра). Они м. б. построены как из одноатомных, так и из многоатомных ионов. Пример ионных кристаллов первого типа - кристаллы галогенидов щелочных и щел.-зем. металлов; анионы располагаются по закону плотнейшей шаровой упаковки или плотной шаровой кладки (см. Плотная упаковка), катионы занимают соответствующие пустоты. Наиб. характерные структуры такого типа - NaCl, CsCl, CaF2. Ионные кристаллы второго типа построены из одноатомных катионов тех же металлов и конечных или бесконечных анионных фрагментов. Конечные анионы (кислотные остатки) - NO3-, SO42-, СО32- и др. Кислотные остатки могут соединяться в бесконечные цепи, слои или образовывать трехмерный каркас, в полостях к-рого располагаются катионы, как, напр., в кристаллич. структурах силикатов. Для ионных кристаллов можно рассчитать энергию кристаллич. структуры U (см. табл.), приближенно равную энтальпии сублимации; результаты хорошо согласуются с эксперим. данными. Согласно ур-нию Борна-Майера, для кристалла, состоящего из формально однозарядных ионов:U = -A/R + Ве-R/r - C/R6 - D/R8 + E0
(R - кратчайшее межионное расстояние, А - константа Маделунга, зависящая от геометрии структуры, В и r - параметры, описывающие отталкивание между частицами, C/R6 и D/R8 характеризуют соотв. диполь-дипольное и диполь-квадрупольное взаимод. ионов, E0 - энергия нулевых колебаний, е - заряд электрона). С укрупнением катиона возрастает вклад диполь-дипольных взаимодействий.
ЗНАЧЕНИЯ U ДЛЯ НЕКОТОРЫХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР
Для ионных кристаллов выполняется правило электростатич. валентности Полинга: наиб. устойчивые структуры кристаллов те, в к-рых сумма "валентных усилий" каждого аниона Sz/K (z -степень окисления, или формальный заряд, катиона, К - его координац. число) точно или приблизительно равна отрицат. заряду аниона. Так, в структуре шпинели MgAl2O4 каждый ион О2- окружают три иона Аl3+ с К = 6 и один ион Mg2+ с К = 4; Sz/К = 3.3/6 + 1.2/4 = 2. Это правило справедливо и для структур со значит. ковалентной составляющей связи.
Наиб. полную информацию о хим. связях в ионных кристаллах дают рентгеноструктурные данные о распределениях электронной плотн. r(r), где r - радиус-вектор. Так, в кристаллах NaCl ф-ция r(r) имеет минимум, равный 70 е/нм3; эффективный заряд каждого иона (по абс. величине) близок к 0,9 е. Следовательно, ионы разделены в пространстве и удерживаются в кристаллич. структуре в осн. электростатич. силами. Электронное распределение в каждом из ионов почти сферически симметрично и лишь на периферии возникает
деформация электронной плотности (особенно у аниона). Ион Na+ несколько расширен, а ион Сl- сжат вдоль линии связи по сравнению со своб. ионами. Аналогичные эффекты обнаружены в др. галогенидах.
Наличие вокруг каждого иона области с миним. r(r) позволило ввести понятие радиуса разделения Rразд (расстояние от центра иона до области r(r)миним по линии связи). Как правило, Rраэд для катионов выше, а для анионов ниже, чем значения классич. ионных радиусов (за исключением галогенидов Ag). Напр., Rраэд для Na в NaCl 0,121 нм, для Mg2+ в MgO 0,092 нм (соответствующие классич. ионные радиусы 0,098 и 0,074 нм).
===
Исп. литература для статьи «ИОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ»: см. при ст. Кристаллы. П. М. Зоркий.
Страница «ИОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.