6 Вопрос:

. Подавляющее большинство встречающихся в природе минералов представлено химическими соединениями. Среди последних различают:

а) соединения постоянного состава (дальтониды) и

б) соединения переменного состава.

3.2.1 Соединения постоянного состава

Характерно, что эти соединения отличаются целым рядом особых физических свойств, отчетливо выступающих на физико-химических диаграммах плавкости, растворимости, электропроводности, твердости, удельного веса, показателей преломления и пр.

Лишь отдельные индивиды минералов, формирующиеся в специфических условиях природной дистилляции, приближаются к соединениям постоянного состава. Тем не менее в качестве идеализации многие минералы полезно условно рассматривать как соединения постоянного состава.

К числу бинарных химических соединений относятся:

простые оксиды:

сульфиды:

галогениды:

Соединения, состоящие из атомов трех элементов, называются тернарными; таковы различные кислородные соли.

Существуют, конечно, и соединения более сложного состава.

Химический состав химических соединений может изображаться двояким способом:

в виде эмпирических формул;

в виде конституционных или структурных формул.

Помимо бинарных и тернарных химических соединений, в природе распространены и более сложные соединения, например, двойные соли. Двойными солями называются такие соединения постоянного состава, которые состоят как бы из двух простых солей, присутствующих в кратных отношениях. В качестве примеров могут быть приведены следующие:

3.2.2 Соединения переменного состава (твердые растворы, смешанные кристаллы, изоморфные смеси)

Кроме химических соединений постоянного состава, получаемых обычно в лабораториях с использованием чистых исходных компонентов, существует огромное множество таких соединений, состав которых не является постоянным, а колеблется то в узких, то в более широких пределах, причем эти колебания состава не могут быть объяснены наличием каких-либо механических примесей посторонних веществ. Наоборот, колеблющийся состав соединений с кристаллохимической точки зрения находит объяснение в растворимости составных компонентов в данном соединении.

Такие химические образования получили название соединений переменного состава.

Среди минералов соединения переменного состава составляют большинство. Существование веществ (фаз) переменного состава кажется вполне естественным, если речь идет о жидких растворах, состав которых определяется соотношением количеств растворенного вещества и растворителя. Таким образом, состав раствора колеблется в пределах от чистого растворителя до насыщенного раствора; он может быть любым из непрерывного множества возможных составов в пределах, зависящих от температуры и давления. Способность кристаллических веществ различного состава образовывать непрерывно меняющиеся по составу соединения одинаковой кристаллической структуры основана на изоморфизме, т. е. свойстве атомов различных элементов заменять друг друга в твердых химических соединениях.

3.2.3 Водные соединения

К числу водных соединений следует относить только такие, которые в своем составе содержат электрически нейтральные молекулы воды.

В зависимости от того, каким способом удерживается вода в минералах, различают:

кристаллизационную, или связанную, воду, входящую в кристаллические структуры минералов;

свободную воду, не участвующую в строении самого кристаллического вещества.

Связанная вода в кристаллической структуре участвует в виде молекул Н2О, занимающих в ней строго определенные места. Количество молекул воды находится в простых отношениях к другим компонентам соединения. В качестве примеров можно привести следующие: Na2CO3 . 10H2O (сода), Ca[SО4] . 2H2O (гипс), Ni3[AsO4]2 . 8H2O (аннабергит), Аl2[РО4](ОН)3 . 5Н2О (вавеллит).Свободная вода, присутствующая в минеральных массах, характеризуется тем, что не принимает прямого участия в строении кристаллического вещества минералов. При нагревании она выделяется постепенно.

Различают три вида свободной воды:цеолитную;коллоидную;гигроскопическую.

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 электpоотрицательностью элементов, участвующих в ее образовании. Электроотрицательность – это способность атома в молекуле или кристаллической решетке притягивать к себе общие электронные пары.

Между атомами в кристаллических решетках возникают следующие типы химической связи: металлическая и ковалентная (полярная и неполярная; обменная и донорно-акцепторная). Между заряженными частицами (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 (завершенную оболочку). В качестве особых типов следует выделить ван-дер-ваальсовы межмолекулярные взаимодействия и водородные связи в кристаллах. Следует понимать, что по своей природе химическая связь всегда одинакова, а выделенные типы лишь являются ее разновидностями

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.

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 соб ственные 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 (донор) предоставляет электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь. Образованная таким путем ковалентная связь называется ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНОЙ. Но это не особый тип, а лишь иной механизм образования ковалентной связи.

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. Полярность связи тем больше, чем больше разность электроотрицательностей атомов.

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

ИОННАЯ СВЯЗЬ. Тип связи, обусловленной переносом валентных электронов с одного атома на другой с образованием положительных и отрицательных ионов и электростатическим взаимодействием между ними.. Ионы - это заряженные частицы, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов. При высокой разнице электроотрицательностей электронная пара, осуществляющая связь, переходит к наиболее электроотрицательному из них. Ионы, отдавшие электроны и имеющие положительный заряд, называются катионами, а принявшие электроны и имеющие отрицательный – анионами.

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.

ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВА СВЯЗЬ (остаточная) соединяет нейтральные атомы, молекулы или структурные единицы с помощью малых остаточных зарядов на их поверхности Между такими диполями начинают действовать силы притяжения. Ван-дер-ваальсова связь – одна из самых слабых химических связей и, присутствуя в минералах в качестве добавочной, определяет зоны хорошей спайности и низкой твердости. Можно представить следующие механизмы возникновения ван-дер-ваальсовой связи.

Диполь-дипольные взаимодействия. Электрическое поле мгновенного или постоянного диполя индуцирует мгновенный диполь в соседних частицах, если они достаточно сближены, и вследствие этого частицы ориентируются противоположными полюсами друг к другу и притягиваются. Силы, действующие между диполями, называются ориентационными.

Диполь может индуцировать в другой молекуле диполь за счет поляризации последней. Такие взаимодействия называются индукционными. Оба диполя будут ориентироваться так, чтобы возникло притяжение между ними.

Ион-дипольные взаимодействия – это электростатическое притяжение некоторого заряда (например, иона) к молекуле с постоянным дипольным моментом.

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.

На схеме, приведенной ниже, можно показать и положение отдельных видов химической связи в бинарных соединениях типа АВ, в которых А и В — элементы из любой группы Периодической системы. 

В кристаллохимии координационное число — характеристика, которая определяет число ближайших равноудаленных одинаковых частиц (ионов или атомов) в кристаллической решётке. Прямые линии, соединяющие центры ближайших атомов или ионов в кристалле, образуют координационный многогранник, в центре которого находится данный атом.

В решётках Браве для всех узлов координационное число одинаково. Число ближайших соседей отражает плотность упаковки вещества. Чем больше координационное число, тем больше плотность и соответственно свойства вещества ближе к металлическим. Данному параметру решетки соответствует первая, вторая (соседи, следующие за ближайшими), третья и т. д. координационные группы частиц.  координационное число равно 4, координационный многогранник — тетраэдр; координационное число равно 6. Каждый ион натрия окружен шестью атомами хлора, расположенным по вершинам октаэдра, координационный многогранник — октаэдр. оординационное число равно 8; координационный многогранник — куб. координационное число равно 12; координационный многогранник — кубооктаэдр.