26. Химическая связь в минералах. Её типы и особенности.

Химическая связь в кристаллах – это взаимодействие между атомами, ионами или молекулами в кристаллической решётке в результате действия между упомянутыми частицами электрических сил притяжения. Тип и свойства химической связи определяются электроотрицательностью элементов, участвующих в ее образовании. Между атомами в кристаллических решетках возникают следующие типы химической связи: металлическая и ковалентная. Между ионами возникает ионная связь. При образовании этих типов химической связи атомы и ионы стремятся приобрести устойчивую электронную оболочку, содержащую 2, 8 или 18 электронов и соответствующую внешней оболочке атома ближайшего инертного газа. В качестве особых типов следует выделить вандерваальсовы межмолекулярные взаимодействия и водородные связи в кристаллах.

1) Металлическая связь – характерна для элементов, атомы которых на внешнем уровне имеют мало валентных электронов по сравнению с общим числом внешних энергетически близких орбиталей, а валентные электроны из-за небольшой энергии ионизации слабо удерживаются в атоме. Такими свойствами обладают атомы металлов. В кристаллических решетках металлов валентные орбитали соседних атомов перекрываются. Благодаря этому электроны свободно перемещаются с одной орбитали на другую, осуществляя связь между всеми атомами металла. Наличие в кристаллической структуре свободно перемещающихся электронов определяет высокую электропроводность, пластичность, а, следовательно, и ковкость, многих металлов.

2) Ковалентная связь образуется путем объединения атомных орбиталей двух соседних атомов в кристаллической решетке. При образовании ковалентной связи атомы объединяют свои электроны как бы в общую "копилку" - молекулярную орбиталь. Эта новая оболочка содержит по возможности завершенное число электронов и заменяет атомам их собственные незавершенные атомные оболочки. Два атома могут обобществлять несколько пар электронов. Чем больше пар электронов задействовано в образовании связи, тем прочнее связаны между собой эти атомы и тем короче сама связь.

Ковалентная связь имеет некоторое сходство с металлической, поскольку и в ее основе лежит обобществление валентных электронов. Однако электроны, которые осуществляют ковалентную связь, находятся вблизи соединенных атомов и прочно с ними связаны. Электроны же, осуществляющие металлическую связь, свободно перемещаются по всему кристаллу и принадлежат всем его атомам.

Различают обменный и донорно-акцепторный механизмы образования ковалентной связи:

1. Обменный механизм. Каждый атом дает по одному неспаренному электрону в общую электронную пару;

2. Донорно-акцепторный механизм. Один атом предоставляет электронную пару, а другой атом предоставляет для этой пары свободную орбиталь. Образованная таким путем ковалентная связь называется донорно-акцепторной.

Если сгущения электронной плотности, соответствующие молекулярным орбиталям, расположены симметрично между атомами, то ковалентная связь называется неполярной. Она может быть образована атомами одного и того же элемента, такая ковалентная связь существует в молекулах одноэлементных газов, например, H₂, O₂, N₂, Cl₂ и структуре алмаза. Если сгущение электронной плотности смещено к одному из атомов, то ковалентная связь называется полярной. Она образуется между атомами элементов, обладающих различающейся электроотрицательностью.

Ковалентная связь обладает высокой прочностью. Вещества с ковалентной связью характеризуются высокими температурами плавления, высокой твердостью и хрупкостью.

3) Ионная связь. Тип связи, обусловленной переносом валентных электронов с одного атома на другой с образованием положительных и отрицательных ионов и электростатическим взаимодействием между ними. Ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи с полным переходом электронов от одного атома к другому, обычно от металла к неметаллу. Ионы - это заряженные частицы, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов.

Ионная связь обладает высокой прочностью, что определяет высокие температуры плавления ионных соединений. Отсутствие свободных электронов приводит к низкой электропроводности веществ с ионной связью. Вещества с ионным типом связи обладают в большинстве случаев средней и низкой твердостью, средними значениями плотности.

4) Вандерваальсова связь соединяет нейтральные атомы, молекулы или структурные единицы с помощью малых остаточных зарядов на их поверхности. Эти заряды возникают за счет мгновенного перераспределения электронной плотности в системе "ядро-электрон", при котором частица приобретает свойства диполя. Между такими диполями начинают действовать силы притяжения. Это явление носит название дисперсионного эффекта и служит главной причиной возникновения вандерваальсовой связи. Кроме того могут возникать и другие эффекты. В разных соединениях сила каждого эффекта различна. Вандерваальсова связь – одна из самых слабых химических связей и, присутствуя в минералах в качестве добавочной, определяет зоны хорошей спайности и низкой твердости.

5) Водородная связь может быть межмолекулярной и внутримолекулярной. Межмолекулярная водородная связь возникает между молекулами, в состав которых входит атом водорода и атом сильно электроотрицательного элемента (F, O, N и др.). Поскольку в такой молекуле общая электронная пара сильно смещена от водорода к атому электроотрицательного элемента, а положительный заряд водорода сконцентрирован в малом объеме, то протон взаимодействует с неподеленной электронной парой атома или иона из другой молекулы, притягивая ее. В результате образуется вторая, более слабая связь – водородная.