Ковалентные (атомные) кристаллы

Ковалентные кристаллы образуют атомы с равной или близкой электроотрицательностью. Связь между атомами в решетке осуществляется за счет ковалентной связи, поэтому число ближайших соседей в решетке определяется валентностью атома (числом общих электронных пар с соседними атомами). Взаимное расположение ближайших соседних атомов определяется направленностью в пространстве валентных орбиталей. В случае ковалентных кристаллов координационное число равно числу ковалентных связей атома в узле кристаллической решетки.

Пример. Кристалл, образованный атомами углерода, имеющего четыре валентных электрона (C-2 s ²2 p ²). В случае sp ³-гибридизации четыре гибридные орбитали образуют тетраэдрическую структуру, пространственное повторение которой дает решетку алмаза. Каждый атом углерода связан с четырьмя соседними атомами равноценными связями (), угол между которыми составляет ~109^o. Алмазоподобную решетку имеют также и изоэлектронные углероду атомы кремния (Si-3 s ²3 p ²), германия (Ge-4 s ²4 p ²). Алмазоподобную решетку образуют также изоэлектронные молекулы (суммарное число валентных электронов такое же как и у двух атомов углерода). Например, нитрид бора (боразон) [B 2 s ²2 p ¹ N 2 s ²2 p ³], арсенид галлия [Ga 4 s ²4 p ¹ As 4 s ²4 p ³], карбид кремния (карборунд) [C 2 s ²2 p ² Si 3 s ²3 p ²]. Необходимо отметить, что в нитриде бора и арсениде галлия четвертая ковалентная связь образуется по донорно-акцепторному механизму.

Как известно, углерод имеет несколько полиморфных (аллотропических) модификаций: алмаз, графит, карбин (нитевидный углерод), фуллерены. Кристаллическая решетка алмаза, как было показано выше, соответствует полной sp ³-гибридизации валентных электронов. Однако в гибридизации могут участвовать не все валентные электроны. Случаю sp ²-гибридизации соответствует кристаллическая решетка графита. Три гибридные орбитали образуют плоский правильный треугольник, перпендикулярно которому располагается четвертая р -орбиталь. Каждый атом углерода связан с тремя соседями равноценными s-связями, образованными sp ²-гибридными электронами. В результате в плоскости образуется гексагональная сетка () связанных между собой атомов углерода. Отдельные плоскости связаны между собой более слабой связью () за счет негибридизованных p -электронов. Кристаллическая решетка представляет собой набор параллельных, относительно слабо связанных между собой плоскостей.

Случаю sp -гибридизации соответствует кристаллическая решетка карбина.