11. Химическая связь в минералах. Ее типы и свойства.

Химическая связь – силы, которые связывают в кристаллической структуре атомы, ионы, радикалы, молекулы по своей природе – электрические. Их интенсивность и тип во многом определяют хим. и физ. свойства минералов.

Типы хим. связей:

• Ионная связь

• Ковалентная связь

• Металлическая связь

• Остаточная связь (Вандерваальсовская).

В большинстве минералов хим. связь носит гибридный или смешанный характер, т.е. является комбинацией нескольких типов связи.(Si и О – ковалентная и ионная связи - гибридная.) Степень преобладания той или иной связи в различных минералах будет меняться.

Ионная связь. Атомы хим. элементов в природных условиях стремятся к заполнению внешних электронных оболочек до 8-ми электронного состояния, характерного электронным оболочкам инертных газов. При этом атомы, имеющие на внешнем электронном уровне 1,2 или 3 электрона, охотно принимают электроны. В том или ином случае внешняя электронная оболочка атома достраивается до 8-ми устойчивого электронного уровня. В силу образовываются несбалансированные ядра и Эл. Оболочек, атомы хим. элементов переходят из электронейтрального состояния в ионизированное. Атом, отдавший электроны – положительно заряженный атом, принявший электроны – отрицательно заряженные. Противоположно заряженные ионы испытывают взаимное электростатическое притяжение, которое и удерживает их в кристаллической структуре, обусловленный ионный тип хим. связи. В такой структуре нельзя выделить отдельные пары ионов противоположных знаков. Каждый из таких ионов окружен противоположными ионами, кол-во которых зависит от размера соприкасающегося друг с другом ионами. Межионное расстояние определяется величиной ионного радиуса элементов. Ионный радиус: как известно атомы или ионы хим. элементов не имеют чётко очерченной границы или поверхности и их можно представить в виде маленького положительно заряженного ядра и окружающего это ядро электронного облака, большего по размеру с последовательно изменяющейся плотностью отрицательного заряда, последовательно понижающемся и на определённом расстоянии равно нулю. Поэтому размеры ионного радиуса можно определить только по результатам его взаимоотношения с другими, противоположно заряженными ионами. Расстояние, на которое силы взаимного притяжения или отталкивания противоположно заряженных ионов уравнивается и становится равным нулю и составляет сумму ионов, это расстояние можно измерить с помощью рентгено-структурного анализа. Если известен ионный радиус одного из взаимодействующих ионов, то второй легко вычисляется. За такой базовый ионный радиус принят ионный радиус О = 1,36 А. Величина ионного радиуса иона, катиона и аниона зависят от величины и знака его заряда, но зависит по-разному. Чем больше заряд аниона, тем больше размер его радиуса, и, наоборот, у катиона. (S =1,92 A, S = 1,04 A, S =0,35 A, S = 0,29 A). Это связано с появлением дополнительных элементов, т.е. уровня или подуровня, а потеря – с исчезанием уменьшением ионного радиуса. Следует также отметить, что ионный радиус анионов в большинстве случаев больше ионного радиуса катионов. В периодической системе элементов ионные радиусы возрастают в пределах групп с увеличением атомного номера элементов. В горизонтальных рядах ПС с увеличением атомного номера и увеличением положительнозаряженной валентности радиус иона уменьшается. Размеры ионного радиуса определяет характер размещения атомов в кристаллической структуре веществ, т.е. их координацию. Координационное число показывает, сколько крупных по размеру ионных радиусов располагается на равных расстояниях. Т.к. более крупные по размерам обычно являются анионы, то обычно координационное число обозначает, сколько анионов располагается вокруг данного катиона. Если центры анионов, окружающих катион мысленно соединить между собой, то получится правильный многогранник – координационный полиэдр.

Форма такого полиэдра и координационное число будут определяться соотношением ионных радиусов анионов и катионов. В В окружении других ионов наблюдается некоторое искажение сферической формы ионов – поляризация. Сильнее поляризуются более крупные по размерам ионные радиусы – анионы. Полиэдрам тоже свойственна поляризация. Ионными соединениями в природных условиях являются подавляющая масса минералов, за исключением самородных элементов, некоторых сульфидов и арсенидов. Среди минеральных соединений ионные – кислородосодержащие. Поскольку ионный радиус кислорода(1,36) заметно больше большинства распространенных катионов, то основу кристаллической структуры ионных соединений определяют пространственное расположение крупных ионов кислорода.

R :R	КЧ	Форма полиэдра
0,15-0,22	3	Треугольник
0,22-0,41	4	Тетраэдр
0,41-0,73	6	Октаэдр
0,73-1,0	8	Куб (гексаэдр)
>1	12	Куб, октаэдр

Ковалентная химическая связь. Заполнение внешних оболочек атомов возможно не только путем передачи или приёма дополнительных электронов для создания восьмиэлектронной внешней оболочки, но и путём обобществления наружных электронов двумя соседними атомами, в силу перекрывания электронных облаков у соседних атомов. Ковалентная связь между атомами прочная, но она очень редка (С – алмаз - атомы образуют общую ковалентную связь с четырьмя атомами углерода. Каждый атом углерода окружен 4 атомами С с перекрытыми облаками).

Металлическая связь. Характерна для самородных металлов и в меньшей степени характерна для сульфидов и арсенидов. Основу кристаллической структуры соединений с металлическим типом связи составляют ядра атомов, связанных с электронным зарядом

Облако электронов при этом часть электронов облака свободна, т.е. не связана с конкретным атомом и может перемещаться внутри структуры и даже покидать, с чем связана хорошая электропроводность металлов и высокая теплопроводность, их металлический блеск, цвет и другие физ. свойства.

Т.к. атомы в структуре металлов одноразмерны, структура соединений с металлическим типом связи представляют собой плотнейшую упаковку этих атомов. В одном из типов плотнейшей упаковки построены все соединения с ионным типом связи, правда, в их случае плотнейшую упаковку дают более крупные по размерам ионных радиусов анионы (кислород и др.), а в пустотах этой упаковки анионов располагаются наиболее мелкие по размерам ионных радиусов катионы. Существуют октаэдрические и тетраэдрические пустоты. Заполняются катионами только часть этих пустот. С таким расчетом, чтобы компенсировать избыточный отрицательный заряд решётки.

Остаточная химическая связь (Вандерваальсовская). Это связь очень редка в минеральном мире, особенно в чистом виде, но характерна для многих органических соединений. Образуется такая связь за счёт некоторого смещения в электронейтральной молекуле положительно-заряженного ядра, относительно отрицательно-заряженной электронной оболочки. Это смещение вызывает появление на разных концах молекулы слабых разноименных зарядов (образуется диполь) (графит С , природный углерод с гексагональной слоистой структурой, в пределах слоёв, внутри слоя – ковалентная связь между атомами С, в то же время между собой отдельные слои структуры связываются остаточной связью. Это объясняет очень низкую твёрдость графита и совершенную спайность параллельно слоям структуры).

Свойства минералов	Ионная связь	Ковалентная связь	Металлическая связь	Остаточная связь
Характер частиц, участвующих в связи	ионы	Атомы хим. элементов	катионы	Молекулы
Природа хим. связи	Электростатическое притяжение (Кулоновские силы)	Поделенные (обобществлённые) электроны	Взаимодействие свободных электронов с катионами	Слабые силы остаточных зарядов
Сила хим. связи	Сильная связь	Очень сильная связь	Различная, но умеренная связь	Слабая связь
Координационное число	К.ч. 6	Низкое (к.ч. 4)	Всегда > 6	К.ч. у катионов нет = 0
упаковка	Промежуточная	рыхлая	Плотная (кубическая или гексагональная)	Различная по плотности
Механические свойства	Твёрдость различная, но высокая (как правило выше средней), высокая хрупкость	Высокая твёрдость, высокая хрупкость	Твёрдость различная, обычно средняя или низкая, выражена пластичность, ковкость, тягучесть	Низкая твёрдость, низкая хрупкость, неярковыраженная пластичность
Электрические свойства	В твёрдом виде электропроводностью не обладают, но в растворах и в расплавах будут электропроводимы.	Неэлектропроводные не в твёрдом виде, не в расплаве	Хорошие проводники (т.к. электроны подвижны)	Электричество не проводят ни в каком состоянии
Тепловые свойства	Теплопроводность умеренная, до высокой, коэффициент расширения низкий	Теплопроводность высокая, коэффициент расширения низкий	теплопроводность различная, коэффициент расширения низкий	Теплопроводность низкая, коэффициент расширения высокий
Растворимость	Растворимы в полярных растворах (в воде)	Очень низкая	Металлы не растворимы, но реагируют с кислотами и щелочами	Растворимы в органических соединениях
Другие физические свойства (цвет, прозрачность, блеск и т.д.)	Прозрачные, блеск неметаллический от алмазного до слабого	Прозрачные, блеск неметаллический и полуметаллический, сильный	Непрозрачные, блеск металлический	Прозрачные и непрозрачные, блеск сильный не металлический или полуметаллический.