Кратко — при переходе от «молекулярной» к ковалентно‑ионной или к металлической структуре меняется характер электронной плотности (локализованная → частично/полностью делокализованная), что ведёт к перестройке зонной структуры и, как следствие, к изменению электрических, оптических и механических свойств. Ниже по пунктам с примерами.
1) Электронная плотность и волновые функции
- Общее выражение: $\rho (\mathbf{r})={\sum }_i{f}_i|{\psi }_i(\mathbf{r}){|}^2$.
- Локализованная ковалентная связь (алмаз): ${\psi }_i(\mathbf{r})$ локализованы между ближними атомами → $\rho (\mathbf{r})$ концентрирована в направленных $\sigma$-облаках (sp${}^3$).
- Делокализованные состояние (графит, натрий): часть волновых функций распространяется на многие атомы → $\rho (\mathbf{r})$ более однородна/споенная по кристаллу (в графите делокализация для $\pi$-электронов внутри слоёв, в натрии — «электронное море»).
- Ковалентно‑ионная составляющая проявляется как смещение средней плотности между атомами (частичный заряд, $\Delta q$) — асимметрия $\rho (\mathbf{r})$.
2) Зонная структура и плотность состояний
- Формирование полос из молекулярных уровней: у молекулярных кристаллов — узкие полосы и большие зазоры; при делокализации полосы расширяются.
- Инструменты: ширина полосы $W$ растёт с делокализацией; наличие состояния на уровне Ферми характеризуется $g(E_F)$.
- Изолятор/диэлектрик: $E_g>0$, $g(E_F)=0$ (алмаз: $E_g\approx 5.5\text{eV}$).
- Полуметал/полупроводник (графит): пересечение/малый перекрывающийся участок валентной и проводимости → малый или нулевой локальный зазор, $g(E_F)$ мал или ненулевой при направленной делокализации ($\pi$-система).
- Металл (натрий): частично заполнённая полоса, $g(E_F)>0$, свободные электроны.
3) Электропроводность и оптические свойства
- Металлическая проводимость (дрибль‑модель): $\sigma =\frac{n{e}^2\tau }{m}$ — большая подвижность за счёт делокализованных электронов (натрий — хороший проводник).
- В алмазе при отсутствии примесей $\sigma$ крайне мала (изолятор).
- В графите высокая проводимость в плоскости слоёв (делокализация $\pi$-электронов), малая перпендикулярно слоям (анизотропия).
- Оптика: металлы отражают в видимом из‑за свободных носителей; алмаз прозрачен (широкая щель); графит тёмно‑поглощающий с характерными плазмонными/пиролизными резонансами в UV/visible.
4) Механические и термические свойства
- Локализованные ковалентные связи (алмаз) → высокая жёсткость и твёрдость, высокий модуль Юнга.
- Делокализация даёт более пластичную/мягкую структуру (натрий — мягкий металл).
- Графит: сильные внутри‑плоскостные связи (жёсткость в плоскости) и слабые ван‑дер‑Ваальсовы между слоями → смазочные свойства, лёгкое расслаивание.
- Теплопроводность: делокализованные электроны повышают электронную теплопроводность (металлы), но в алмазе высокая теплопроводность за счёт фононов при отсутствии электронной проводимости.
5) Итог по примерам
- Алмаз: плотность электронов локализована в направленных sp${}^3$-связях → широкая запрещённая зона $E_g\approx 5.5\text{eV}$ → изолятор, прозрачен, очень твёрд.
- Графит: плотность — сильные $\sigma$-облака в плоскости + делокализованные $\pi$-электроны над/под плоскостью → полуметаллическая/полупроводниковая картина с высокой проводимостью в плоскости и сильной анизотропией.
- Натрий: электронная плотность сильно делокализована (свободные валентные электроны) → частично заполнённая зона, $g(E_F)>0$ → металлические свойства: высокая электропроводность, отражение, пластичность.
Если нужно, могу показать расчёт плотности состояний или схемы перехода от локализованных МО к широкой полосе в упрощённой модели (Hückel/штамп‑tight).