Ионная связь. Индивидуальные атомы элементов в целом электрически нейтральны, поскольку заряды образующих их частиц сбалансированы. Но когда натрий реагирует с хлором, металл отдает внешний электрон газу - натрий оказывается заряженным положительно, а хлор отрицательно. В результате два атома взаимно притягиваются. Ионная связь в твердых телах особенно характерна для соединений, содержащих металлы. Довольно часто встречаются соединения, в которых связи имеют и ионный, и ковалентный характер. В то время как ковалентная связь строго направленная, ионная связь действует более равномерно в пространстве, окружающем заряженный атом.

Металлическая связь. Эта связь, как правило, держит вместе атомы металлов, когда они не образуют определенных химических соединений. В этом случае некоторая часть внешних электронов не удерживается непрерывно на орбитах вокруг фиксированных атомов, а свободно странствует по материалу, будучи коллективной собственностью всех атомов данного куска металла. Они образуют так называемый электронный газ. Металлическая связь довольно легко возникает, разрушается и восстанавливается. Так как электроны свободно движутся в металлах, последние являются хорошими проводниками электричества.

Водородные связи. Молекула воды H2О в целом электрически нейтральна, но распределение электрического заряда в ее объеме неоднородно. Местные нарушения баланса зарядов могут обеспечивать большие силы притяжения. Многие соединения, особенно органические, имеют вдоль молекул многочисленные группы -ОН, каждая из которых способна притягивать другие группы -ОН, молекулы воды и т. д. Так осуществляется связь между молекулами растений и животных.

Силы Ван-дер-Ваальса. Они намного слабее других сил и возникают вследствие малых местных колебаний заряда, которые имеют тенденцию возникать по всей поверхности молекулы и не связаны с какими-то определенными химическими группами. Сцепление, основанное на вандерваальсовых силах, встречается в природе не очень часто, но оно довольно обычно для пластмасс и других искусственных органических молекул. Силы Ван-дер-Ваальса обеспечивают возможность слабенькой “склейки” почти любой пары веществ при условии, что поверхности достаточно чистые и находятся в хорошем контакте.

(обратно)

Теплота и плавление

Температура может подниматься вверх сколько угодно, но она не может падать ниже абсолютного нуля, положение которого впервые вычислил Кельвин и который соответствует -273° Цельсия. При абсолютном нуле все атомы и молекулы любого вещества находятся в покое и все вещества находятся в твердом состоянии[53].

Как только температура начинает расти, все атомы у молекулы начинают вибрировать. Чем выше температура, тем интенсивнее их движения - теплота определяется просто беспорядочными колебаниями атомов и молекул в теле. Вода, например, остается твердым телом, льдом, вплоть до температуры 0° С, хотя его внутренние связи все больше и больше атакуются термическими возбуждениями с ростом температуры. Наконец, при 0°С борьба заканчивается не в пользу сил сцепления и молекулы получают свободу перемены мест, которая характерна для жидкости - лед плавится, образуя воду. Если температура продолжает расти, перемещения молекул становятся все более энергичными; так продолжается до 100° С, когда вода закипает, образуя газ, или пар, в котором молекулы, освобожденные от какого бы то ни было взаимного сцепления, носятся совершенно произвольно, словно рой пчел. Когда температура понижается, те же самые события происходят в обратном порядке, пар конденсируется и рано или поздно замерзает. Эти изменения состояния обычно рассматриваются как физические события, поскольку единственной связью, которая при этом разрушается и восстанавливается, является водородная связь между молекулами воды, которые сами по себе остаются неизменными.

Хотя температуры плавления и кипения различных веществ изменяются в очень широком диапазоне, основные принципы во многом остаются неизменными для всех веществ. Некоторые вещества (иод, хлористый аммоний NH4Cl и др.) переходят сразу из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Многие сложные твердые соединения химически разлагаются при нагреве еще до того, когда наступят условия для их плавления или испарения.

(обратно)

Кристаллизация

Как мы уже говорили, все молекулы с большей или меньшей силой притягиваются одна к другой, и, если тепловые толчки не помешают им в этом стремлении, они объединяются в некоторое тело, которое мы воспринимаем как твердое. Поскольку молекулы притягивают одна другую, они, естественно, пытаются сблизиться как можно теснее, а этого можно достичь, не наваливаясь способом “куча мала”, а путем некоторой правильной упаковки. Куча наваленного кирпича занимает больший объем, чем те же кирпичи, сложенные в штабель. Но, поскольку молекулы имеют более или менее свободный выбор места для себя, они стремятся при затвердевании расположиться упорядочение, подобно кирпичам в стене. Такая возможность существует, если жидкость остается совершенно текучей вплоть до момента “замерзания”, как это имеет место в случае воды и металлов. В этих условиях молекула в поисках подходящей позиции будет долго шнырять вокруг, пока не окажется в месте, которое отвечает условию плотной упаковки. В нем она и оседает.

Такой ход событий приводит к образованию кристаллов, которые представляют собой в высшей степени упорядоченную систему атомов или молекул. Поразительна регулярность расположения большого числа атомов в хорошем кристалле.

Все твердые тела имеют тенденцию быть кристаллическими, но не все достигают такого состояния. Так, металлы и многие простые неорганические вещества имеют кристаллическую структуру. Некоторые вещества могут быть кристаллическими в той или иной степени. Хорошие кристаллы часто бывают довольно большими, до нескольких сантиметров в поперечнике. Они имеют характерные, часто простые геометрические формы.

(обратно)

Стекла

Если жидкость перед затвердеванием очень вязкая (то есть густая) или же она очень быстро охлаждается, молекулы не имеют возможности стать в положения плотной упаковки, и материал затвердевает в форме беспорядочного нагромождения молекул. Такой материал называется аморфным или стеклообразным. Высокая вязкость жидкости при приближении ее к точке замерзания связана, как правило, с тем, что молекулы объединяются в малоподвижные цепи или сетки. Именно такой процесс идет при затвердевании некоторых окислов, например двуокиси кремния SiO2, иначе говоря -песка, который плавится, превращаясь в вязкую жидкость, а при последующем охлаждении легко образует стекло. Точка плавления чистой двуокиси кремния очень высока (1600°С) поэтому для большинства стекол используют смесь песка, извести и соды, которая может плавиться в обычных печах.

Купленный в магазине сахар обычно кристаллический. Однако, если сахар расплавить и затем довольно быстро охладить, получится стеклообразная конфета. Патока очень вязкая, густая жидкость, при затвердевании она может перейти в стеклообразное состояние.

(обратно)

Полимеры

Металлы, а также вещества, подобные сахару и соли, имеют кристаллическое строение. К числу кристаллических тел относится также большая часть горных пород, имевших предостаточно времени на охлаждение. Стекло, обсидиан и ириска - аморфны. Некоторые материалы являют собой смесь этих двух структур. Например, керамическая посуда состоит из небольших кристалликов металлических окислов и силикатов, которые в процессе обжига склеиваются воедино тонкими прослойками аморфного стеклообразного материала. Глазурь на такой посуде получают наплавлением слоя легкоплавкого стекла.