Силы, которые связывают вместе атомы (ионы) в кристаллах - это электрические силы. Их тип и величина во многом определяют физические и химические свойства минералов. Используя представления о валентных электронах, принято выделять четыре основных типа химической связи в минералах.
Металлическая связь характерна для элементов первых групп Периодической системы и интерметаллидов. Их атомы имеют крупные размеры, а внешние электроны слабо связаны с ядром. В кристаллической решетке металлов внешние электроны свободно перемещаются в пространстве между атомами. Они образуют своеобразный "электронный газ" и обусловливают основные свойства металлов: высокую пластичность, ковкость, высокую теплопроводимость, высокую электропроводность, малую твердость, невысокие точки плавления и кипения. Связь не направленная. Энергия металлической связи составляет десятки килокалорий на моль.
Ковалентная (гомеополярная) связь осуществляется за счет обобществления электронов на внешних валентных орбиталях двух соседних атомов, таким образом, что оба они приобретают стабильную конфигурацию благородного газа. Ковалентная связь строго направленная, насыщаемая и очень прочная. Энергия связисоставляет до 170 ккал/моль. Минералы с таким типом связи характеризуются нерастворимостью, большой устойчивостью, высокой твердостью, высокими точками плавления и кипения, полупроводниковыми свойствами.
Ионная (гетерополярная) связь реализуется между атомами различного сорта за счет электростатического взаимодействия положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных анионов, при этом валентные электроны переходят от металла к аниону. Связь ненаправленная и ненасыщенная. Энергия ионной связи тем больше, чем больше разница электроотрицательности между элементами (для NaCl - 180 ккал/моль). Кристаллы с ионным типом связи растворяются в полярных растворах (вода), для них характерны диэлектрические свойства, хрупкость, низкая тепло- и электропроводность, средние плотность и твердость, весьма высокие точки плавления и кипения.
|
|
Ван-дер-ваальсова (остаточная) связь соединяет нейтральные молекулы или структурные единицы с помощью малых остаточных зарядов на их поверхности, образующихся за счет мгновенных дипольных моментов "ядро-электрон", между которыми начинают действовать силы притяжения. Это явление носит название дисперсионного эффекта и служит главной причиной возникновения ван-дер-ваальсовой связи. Кроме того могут возникать и другие эффекты (ориентационный, индукционный). В разных соединениях сила каждого эффекта различна. Ван-дер-ваальсова связь одна из самых слабых химических связей и, присутствуя в минералах в качестве добавочной, определяет зоны хорошей спайности и низкой твердости (графит).
Среди ван-дер-ваальсовых связей особое место занимает так называемая водородная связь, рассматриваемая часто как самостоятельный тип связи. Она возникает за счет коллективного использования протона двумя атомами, например, кислорода, входящего в состав воды, и кислорода стенок каркаса, в котором эта молекула воды находится. Водородная связь слабее ионной или ковалентной, но сильнее обычной ван-дер-ваальсовой. Энергия водородной связи колеблется от 5 до 10 ккал/моль.
|
|
Гомодесмическими называются структуры кристаллов, в которых связь между всеми атомами одинакова.
Гетеродесмическими называются структуры кристаллов, в которых сосуществуют несколько типов химической связи.
Тип химической связи определяет взаимное расположение атомов в кристаллической структуре. Так как связи преимущественно электростатические, то каждый ион стремиться собрать вокруг себя (координировать) ионы противоположного знака. Наиболее сильные связи соединяют ион с его ближайшими соседями. Число таких ближайших соседей называется координационным числом. Рассматривая ионы как соприкасающиеся сферы, легко понять, что координационное число зависит от размеров координированных ионов, выражающихся отношением радиуса катиона к радиусу аниона (Rk:Ra). Если это отношение близко к единице, то ионы располагаются в структуре в соответствии с законами плотнейшей упаковки: гексагональной (2х-слойной) или кубической (3х-слойной). В других случаях геометрия расположения атомов в структуре будет более сложной. В этом случае геометрический характер структуры проще всего описать с помощью структурных мотивов:
Координационный - атомы распределены равномерно, не образуя никаких конечных или бесконечных группировок. Это структуры гомодесмические (NaCl, алмаз,металлы).
Островной - атомы собраны в отдельные конечные группировки, внутри которых связи более сильные (расстояния между атомами мало), а между этими группами связи слабые (расстояние между ними увеличивается). Это структуры гетеродесмические. Островные структурные группировки могут быть валентно-насыщенными (сера), катионными и анионными (карбонаты). В последнем случае связь внутри группировки - ковалентная, а связь между катионом и анионной группировкой - ионная.
|
|
Цепочечный - ковалентно-связанные группировки атомов, соединяясь между собой (полимеризуясь), могут образовывать бесконечные вытянутые в одном направлении нейтральные или валентно-ненасыщенные анионные цепи, связь между которыми может быть остаточной (ван-дер-ваальсовой), водородной или через катионы. Такой структурный мотив наблюдается во многих силикатах.
Слоистый - бесконечные ориентированные в одной плоскости валентно-нейтральные пакеты из прочно связанных атомов одного (графит) или разного сорта (гидроксиды) разделены на слои, связь между которыми - остаточная (ван-дер-ваальсова) или водородная.
Каркасный - трехмерная вязь из атомных группировок, соединенных вершинами, внутри которой имеются большие пустоты. В отличие от координационных структур атомы распределены в пространстве неравномерно, даже если каркас нейтрален (кварц) и между атомами преобладает один тип связи.