Vazby v krystalech

Mezi stavebními částicemi každého krystalu působí síly, které je nutí zaujímat určité rovnovážné polohy a setrvávat v nich. Tyto síly nazýváme chemické vazby. Samotná povaha chemických vazeb je probírána v rámci chemie na středních školách, proto se na tomto místě zaměříme především na vlastnosti krystalů s různými typy vazeb.

Iontová vazba

je vazba elektrostatické povahy, jde tedy o důsledek elektrostatického přitahování opačně nabitých částic (kationtů a aniontů). Ionty mají víceméně kulovitý nebo jen mírně deformovaný tvar. Vlastnosti iontových krystalů:

• V důsledku velké pevnosti iontové vazby mají iontové krystaly vysoký bod tání. Bod tání klesá a tepelná roztaživost roste s rostoucí vzdáleností mezi ionty v mřížce.

• Iontové krystaly mají zpravidla nízkou elektrickou vodivost, protože v jejich struktuře nejsou volné elektrony, které by umožňovaly vedení elektrického náboje.

• Tvrdost iontových krystalů souvisí opět s velikostí elektrostatických sil mezi ionty, resp. s vzdáleností mezi nimi. Tvrdost iontových krystalů klesá s rostoucí vzdáleností mezi ionty (při stejném náboji). Při stejné vzdálenosti mezi ionty roste tvrdost se vzrůstajícím nábojem.

• Další důležitou vlastností iontových krystalů je jejich štěpnost. Při nárazu či ztlačení dochází k posunu jednotlivých vrstviček atomů. Tím se k sobě přiblíží stejně nabité ionty, které se odpuzují. Části krystalu se takto oddělí podél rovné štěpné plochy.

Kovalentní vazba

je charakteristická společným sdílením dvojic elektronů dvěma atomy, které tak dosahují konfigurace nejbližšího vzácného plynu. Na rozdíl od vazby iontové je kovalentní vazba směrová (ne sférická), takže atomy se ve směru vazeb deformují a mohou nabývat složitých tvarů. Krystaly s kovalentními vazbami mají v důsledku relativně vysoké pevnosti této vazby vysokou teplotu tání, jsou tvrdé, nerozpustné a nevedou elektrický proud.

Kovová vazba

je typická především pro ryzí kovy. Každý atom v krystalu kovu je obklopen tolika stejnými sousedy, že není schopen s nimi vytvořit “normální” chemické vazby. Valenční elektrony atomů proto vyplní prostor mezi pravidelně rozmístěnými kulovitými atomy kovu – vznikne tzv. elektronový plyn, do něhož jsou atomy ponořeny. Elektrony tvořící elektronový plyn již nejsou vázány na jednotlivé atomy a mohou se mezi nimi volně pohybovat. Z charakteru kovové vazby vyplývají vlastnosti kovových krystalů:

• Velká tepelná a především elektrická vodivost je způsobena existencí volně pohyblivých elektronů ve strukturách kovů. V důsledku potenciálního rozdílu se elektrony pohybují z míst přebytku do míst nedostatku (od záporného ke kladnému pólu), čímž vzniká elektrický proud.

• Vysoká kujnost a tažnost většiny kovů je způsobena neexistencí směrových vazeb ve strukturách kovových krystalů. Ani jeden kationt se neváže na své sousedy. Výsledkem je náchylnost k plastické deformaci. Z téhož důvodu jsou kovy obyčejně měkké.

• S přítomností elektronového plynu ve strukturách kovů souvisí i jejich kovový lesk.

van der Waalsova vazba

náleží mezi slabší vazebné interakce – její pevnost je o dva až tři řády nižší než u výše zmíněných typů vazeb. Její vznik je komplikovaný a podílí se na něm několik dílčích efektů. Van der Waalsovy vazby se uplatňují především mezi molekulami kapalin a v krystalech vzácných plynů a organických látek. Ve strukturách minerálů se objevují vzácně, ovšem s výjimkou některých vrstevních struktur (např. grafit – obr. 4.4, vrstevnaté silikáty). Přítomnost těchto velmi slabých vazeb ve strukturách krystalů ovlivňuje významně jejich vlastnosti, např. vysokou štěpnost (grafit, vrstevnaté silikáty), nízkou tvrdost (grafit, síra, mastek), nízký bod tání (síra) apod.

Smíšené vazby, elektronegativita

Výše zmíněné typy vazeb (iontová, kovalentní a kovová) se ve skutečnosti v čisté formě prakticky nevyskytují. Reálné vazby jsou téměř vždy “směsi” těchto mezních typů (obr. 4.5). V mineralogii má největší význam kombinace vazby kovalentní a iontové. Podíl kovalentní a iontové vazby mezi atomy lze kvantifikovat pomocí elektronegativity. Přesná definice této vlastnosti prvků je poměrně obtížná. Zjednodušeně lze říci, že elektronegativita je dána energií, kterou atom poutá valenční elektrony při spojení s jiným atomem. Čím více atom poutá valenční elektrony, tím má větší elektronegativitu, resp. menší elektropozitivitu. Elektronegativita se udává v elektronvoltech (eV).

Elektronegativita atomů úzce souvisí s nábojem jádra a stavbou elektronového obalu atomu. Z tohoto důvodu je elektronegativita podřízena periodickému zákonu a lze ji vysledovat z periodické tabulky prvků:

• V periodách (řádcích tabulky) roste elektronegativita z leva do prava, tedy s rostoucím protonovým číslem atomů. Je to dáno rostoucím nábojem jádra atomů v tomto směru, resp. zmenšováním poloměrů atomů. Valenční elektrony jsou tak pevněji vázány k jádru a elektronegativita prvků roste.

• Ve skupinách (sloupcích tabulky) od shora dolů elektronegativita klesá (resp. elektropozitivita roste), a to v důsledku zvětšování poloměru prvků při stejném náboji jádra. Větší elektronový obal intenzivněji “stíní” valenční vrstvu, takže valenční elektrony větších atomů jsou k jádru poutány menší silou než u menších atomů.

Z toho vyplývá, že nejelektronegativnější prvky jsou soustředěny v pravém horním rohu periodické tabulky (vůbec nejvíce F), nejelektropozitivnější v levém dolním rohu (Fr resp. Cs). Čím větší je elektronegativita prvku, tím má prvek větší tendenci tvořit anionty, protože dokáže “odebrat” elektrony elektropozitivnějším prvkům. Proto se např. halogenidy a prvky podskupiny 6A vyskytují ve sloučeninách téměř výhradně ve formě aniontů. Naopak čím je prvek elektropozitivnější, tím menší silou jsou vázány jeho valenční elektrony. Proto se např. alkalické kovy a kovy alkalických zemin vyskytují ve sloučeninách jako kationty.

Podíl kovalentní a iontové vazby lze jednoduše vypočítat z elektronegativit prvků, které se účastní vazby. Vypočítáme rozdíl elektronegativit a z nomogramu (obr. 4.6) odečteme procentuální zastoupení iontové a kovalentní vazby. Například:

Čím je tedy rozdíl elektronegativit prvků účastnících se vazby větší, tím je vazba bližší čisté iontové vazbě. Čistě iontové vazby ovšem není nikdy dosaženo: vazba ve fluoridu cesném, jedné z “nejiontovějších” sloučenin vůbec, je iontová asi 96 procenty. Čistě kovalentní vazba se vyskytuje pouze ve sloučeninách typu AA (např. v molekulách H₂, O₂, v diamantu apod.). Přechodné vazby mezi kovalentní a kovovou vazbou byly nalezeny zvláště u některých uměle připravených sloučenin.

další »»