Кристаллохимия

Кристаллохимия - наука, изучающая химическую связь и расположение атомов в кристаллах. Изучена атомная кристаллическая структура уже более 20 тыс. химических соединений.

Составляющие кристалл частицы расположены в нем упорядоченно и периодически. Все кристаллические структуры подразделяют на гомодесмические и гетеродесмические. В первых - все частицы (атомы или ионы) связаны друг с другом одинаковыми химическими связями (такую структуру имеют, например, кристаллы алмаза и хлорида натрия). В кристаллах же с гетеродесмической структурой, напротив, не все связи равноценны; в таких кристаллах атомы объединены в молекулы, комплексные ионы, цепи, слои. Выделяют гетеродесмические структуры четырех типов: островные (СO₂ и др.), цепочечные (PdCl₂), слоистые (графит) и каркасные (CaTiO₃).

По типу химической связи между образующими кристалл частицами или структурными фрагментами различают ковалентные (алмаз), ионные (NaCl), молекулярные (СO₂) и металлические кристаллы. Ковалентные кристаллы сильно преломляют свет, обладают повышенной твердостью и, как правило, плохо проводят тепло и электричество. Кристаллы с металлической связью пластичны, непрозрачны, хорошо проводят электрический ток. Промежуточные характеристики - у ионных кристаллов. В молекулярных кристаллах внутри молекул - сильные химические связи, между молекулами - связи слабые, поэтому такие кристаллы легкоплавки.

Кристаллы, выросшие в естественных условиях, обычно имеют форму правильных многогранников той или иной симметрии. Грани любого кристалла всегда плоские, ребра между гранями прямолинейные. Существует 32 класса симметрии кристаллических многогранников, которые группируются в соответствии с наличием в них определенных элементов симметрии в семь сингоний: триклинную, моноклинную, ромбическую, тетрагональную, гексагональную, тригональную, кубическую (см. рис. на с. 147).

При изменении температуры или давления кристаллическая структура вещества может меняться. Явление, когда одно вещество образует несколько кристаллических структур, называется полиморфизмом, а применительно к простым веществам - аллотропией (примеры - алмаз и графит). С другой стороны, вещества с близкой кристаллической структурой могут образовывать смешанные кристаллы (явление изоморфизма).

Кристаллохимия: 1 - плоскость симметрии; 2 - ось симметрии; сингонии: 3 - триклинная; 4 - моноклинная; 5 - ромбическая; 6 - тетрагональная; 7 - тригональная; 8 - гексагональная, 9 - кубическая

Если во время роста кристалла изменятся условия или в кристалл попадут примеси, то в результате этих воздействий идеальная структура кристалла нарушится и в нем появятся различные дефекты: пропуски атомов, посторонние атомы, нарушение порядка упаковки атомных слоев и т. д. От количества и типа дефектов в кристалле зависят многие его свойства: прочность, пластичность, окраска. В технике часто в кристаллы вводят небольшие количества определенных примесей, чтобы изменить в нужную сторону те или иные свойства кристалла. Введение в кристалл германия или кремния атомов элементов III и V групп периодической системы значительно расширяет возможности применения германия и кремния в полупроводниковой технике. Это лишь один из примеров практической значимости кристаллохимии.