Kryształy: jonowe, kowalencyjne, molekularne i metaliczne

Kryształy to ciała stałe o uporządkowanej budowie wewnętrznej. Ich właściwości zależą przede wszystkim od tego, jakie cząstki tworzą sieć oraz jakie oddziaływania utrzymują tę sieć. W liceum wyróżnia się cztery podstawowe typy: kryształy jonowe, kowalencyjne, molekularne i metaliczne.

W krysztale jonowym składnikami są jony, w kowalencyjnym — atomy połączone wiązaniami kowalencyjnymi w całej przestrzeni, w molekularnym — obojętne cząsteczki, a w metalicznym — dodatnie jony metalu i zdelokalizowane elektrony. Z tego wynika, że nie da się nauczyć właściwości „na pamięć” bez zrozumienia budowy.

Kryształy jonowe są zbudowane z kationów i anionów, między którymi działają silne oddziaływania elektrostatyczne. Nie występują w nich pojedyncze cząsteczki, lecz regularna sieć jonów. Typowymi przykładami są chlorek sodu, bromek potasu czy wiele innych soli.

Takie kryształy są zwykle twarde i mają wysokie temperatury topnienia, ponieważ rozerwanie sieci wymaga pokonania silnych sił przyciągania. Są też kruche. Gdy warstwy sieci zostaną przesunięte, obok siebie mogą znaleźć się jony o tym samym znaku, które zaczynają się silnie odpychać, co prowadzi do pękania kryształu.

W stanie stałym kryształy jonowe nie przewodzą prądu, bo jony są unieruchomione. Po stopieniu albo po rozpuszczeniu w wodzie jony mogą się poruszać, więc substancja zaczyna przewodzić.

W kryształach kowalencyjnych atomy są połączone wiązaniami kowalencyjnymi w jedną rozległą, przestrzenną sieć. Nie ma tu oddzielnych cząsteczek — cały kryształ można traktować jak wielki układ połączonych atomów.

Taka budowa sprawia, że kryształy kowalencyjne są zwykle bardzo twarde i mają bardzo wysokie temperatury topnienia. Klasycznym przykładem jest diament, w którym każdy atom węgla jest silnie związany z sąsiednimi atomami. Podobną sieciową budowę ma również tlenek krzemu(IV) w odmianie krystalicznej.

Szczególnym przypadkiem jest grafit. To także odmiana alotropowa węgla, ale ma budowę warstwową: w obrębie warstw atomy są połączone silnie, a między warstwami działają słabsze oddziaływania. Dlatego grafit jest miękki i warstwy mogą się przesuwać. Dzięki obecności elektronów mogących poruszać się w warstwach grafit przewodzi prąd elektryczny.

Kryształy molekularne są zbudowane z cząsteczek obojętnych. Cząsteczki te nie są połączone w jedną wielką sieć wiązaniami kowalencyjnymi, lecz utrzymują się razem dzięki słabszym oddziaływaniom międzycząsteczkowym, takim jak siły van der Waalsa czy wiązania wodorowe.

Skutkiem tego są zwykle niższe temperatury topnienia i mniejsza twardość niż w kryształach jonowych i kowalencyjnych. Kryształy molekularne są często miękkie, kruche i nie przewodzą prądu, ponieważ nie mają ruchliwych jonów ani zdelokalizowanych elektronów.

Przykładami są lód, jod, suchy lód czy wiele substancji organicznych w stanie stałym. W lodzie cząsteczki wody są połączone głównie wiązaniami wodorowymi, dlatego jest on zaliczany do kryształów molekularnych, mimo że wewnątrz każdej cząsteczki $H_2O$ występują wiązania kowalencyjne.

Kryształy metaliczne tworzą metale. W ich budowie wyróżnia się dodatnie jony metalu oraz wspólne dla całej sieci elektrony zdelokalizowane. Często opisuje się to obrazowo jako „morze elektronów”.

To właśnie obecność ruchliwych elektronów tłumaczy najważniejsze cechy metali: przewodnictwo elektryczne, przewodnictwo cieplne, połysk metaliczny oraz możliwość odkształcania bez pękania, czyli kowalność i ciągliwość. Gdy warstwy w sieci metalicznej przesuwają się względem siebie, wiązanie metaliczne nadal może utrzymywać strukturę, dlatego metale nie są tak kruche jak kryształy jonowe.

Do kryształów metalicznych należą m.in. żelazo, miedź, glin i sód. Właściwości konkretnego metalu mogą się różnić, ale wspólny mechanizm budowy pozostaje ten sam.

Przy porównywaniu kryształów najlepiej zawsze zacząć od pytania: jakie cząstki budują sieć i jakie siły je utrzymują. Z tego można wyprowadzić dalsze cechy.

• Jeśli w sieci są jony, spodziewamy się zwykle wysokiej temperatury topnienia, kruchości i przewodnictwa dopiero po stopieniu lub w roztworze.
• Jeśli cała struktura to rozległa sieć kowalencyjna, zwykle otrzymujemy bardzo dużą twardość i bardzo wysoką temperaturę topnienia.
• Jeśli kryształ tworzą cząsteczki, właściwości są zwykle „słabsze”: niższa temperatura topnienia i brak przewodnictwa.
• Jeśli występują zdelokalizowane elektrony, to znak rozpoznawczy metalu i źródło dobrego przewodnictwa.

W zadaniach maturalnych często trzeba dopasować przykład do typu kryształu albo wyjaśnić jedną cechę na podstawie budowy. Wtedy nie wystarczy napisać, że substancja „ma wysoką temperaturę topnienia” — trzeba dodać, że wynika to z silnych oddziaływań w sieci.