Лекція 5. Кристалічна структура мінералів. І. Кристалохімічна позиція

Лекція 5. Кристалічна структура мінералів. Кристалохімічна позиція, структурний тип і структурний мотив

У розділі 4 ми розглянули, як тип хімічного зв’язку впливає на внутрішню будову і властивості мінералів. Якщо розглянемо мінерал-самородний метал, складений одним сортом металу, наприклад самородне залізо, то внутрішня структура цього мінералу буде характеризуватися найщільнішою упаковкою. Атоми Fe будуть періодично повторюватися через одну і ту ж віддаль у трьох напрямках. Розміщення їх у просторі буде підпорядковано законам симетрії. Для опису структури можна скористатися принципом суперпозиції ­– якщо візьмемо початковий атом у точці із координатами (0,0,0) і будемо переміщуватися у просторі на міжатомну віддаль a, то всі точки із координатами (na, na, na), де n – ціле число, будуть повторенням цієї точки. Таке зміщення – трансляція – дозволяє відтворити структуру самородного заліза.

Кристалічна структура мінералу, як і любого кристалічного твердого тіла, утворюється шляхом трансляції всіх типів позицій атомів, характерних для даного мінералу у відповідності із властивими йому симетрійними законами.

а)	б) в)
г)		д )
Рис. 5.1. <SPAN STYLE="font-family: Times New Roman">Способи зображення кристалічних структур флюориту CaF2 і кварцу SiO2. а) кулькова щільно упакована модель розріджена модель поліедрична модель модель анізотропії атомних зміщень із реальним співвідношенням іонних радіусів - маскує симетрію структури і розташування атомів, показує заповнення простору; б) і г) («кульки і дротики») - безмасштабна, відображає взаємне розміщення атомів у просторі, співвідношення міжатомних віддалей; катіони зображуються меншими ніж аніони, тому така модель не дає уявлення про ступінь заповнення простору в), на якій зображені координаційні (полінговські) поліедри; дозволяє наглядно відтворити просторові структури, що створюються певними кристалохімічними позиціями; д)– виконується на основі розрідженої моделі і показує теплові коливання атомів у структурі

Тип позиції атома в подальшому будемо називати кристалохімічною позицією.

Кристалічну структуру мінералу можна зображати у вигляді масштабованих моделей, в яких кристалохімічні позиції зображені у вигляді куль або поліедрів певного кольору (рис. 1).

Що необхідно знати для того, щоб зобразити структуру:

1. кількість кристалохімічних позицій

2. якими атомами заселена кожна позиція і в якій пропорції

3. координати кристалохімічних позицій в елементарній комірці

4. симетрійні закони, за якими відбувається трансляція елементарної комірки (клас симетрії, просторова група)

Кристалохімічна позиція - основний елемент кристалічної структури

Розглядаючи кристалічну структуру мінералу ми перш за все звертаємо увагу на місця знаходження атомів, місце локалізації хімічних зв’язків, вузли кристалічної гратки – кристалохімічні позицію.

Структура мінералу –це закономірний розподіл в просторі кристалохімічних позицій різних типів. Принцип симетричної повторюваності певної комбінації кристалохімічних позицій в просторі є основним критерієм для розділення мінералів за кристалічною структурою.

У структурі мінералів ми переважно будемо розглядати кристалохімічні позиції катіонів, що координовані аніонами.

Рис. 5.2. Кристалохімічні позиції Al в структурі андалузиту AlAlO[SiO₄]. Порівняйте їх координаційне число і симетрію

Кристалохімічна позиція може бути описана наступними параметрами:

1. Тип атома, що її заселяє (будова електронних оболонок і електронегативність).

2. Характеристика оточення

   • Сорт атомів, що формують першу координаційну сферу

   • Координаційне число

   • характеристика хімічного зв’язку

     1. Металічний, іонний чи ковалентний

     2. Ступінь поляризованості («іонності») ковалентного зв’язку

     3. Тип гібридизації (у випадку ковалентного зв’язку)

     4. Наявність нелокалізованих зв’язків та участь металічного зв’язку

3. Коефіцієнт валентного насичення катіона K= W_k/(W_a·N_с), де W – валентність катіона і аніона

4. Іонний/ковалентний радіус атома і міжатомні віддалі до координаційного оточення

5. Симетрія оточення