6. Типы кристаллических структур по характеру химических связей.

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, как известно, 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 связи составляет 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. Вандерваальсова (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. Вандерваальсова 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. На основе реализованных в структурах кристаллов химических связей выделяют гомодесмические и гетеродесмические структуры.

Гомодесмическими называются структуры, в которых связь, а следовательно и расстояние между всеми атомами, одинаковы. Атомы в таких структурах равномерно распределены по всему кристаллическому пространству, а сами структуры относятся к координационному типу (самородные металлы, алмаз, галит).

Гетеродесмическими называются структуры, в которых существуют несколько типов химических связей. Такие структуры на основе их геометрического характера можно подразделить на несколько типов: островные структуры — состоят из отдельных конечных группировок, внутри которых реализованы одни — более сильные связи, между ними другие — более слабые; цепочечные структуры — могут иметь ковалентно-связанные группировки атомов, соединяясь между собой, могут образовывать бесконечные вытянутые в одном направлении нейтральные или валентно-насыщенные анионные цепи, связь между которыми может быть остаточной (вандерваальсовой), водородной или осуществляться через катионы. Такой структурный мотив наблюдается в цепочечных силикатах; слоистые структуры — сложены бесконечными валентно-нейтральными слоями или пакетами из прочного связанных в одной плоскости атомов одного (графит) или разного сорта (гидрослюды), связь между которыми — остаточная или водородная; каркасные структуры — это трехмерная связь из атомных группировок, соединённых вершинами, внутри которой имеются большие полости. В отличие от координационных структур атомы распределены в пространстве неравномерно, даже если каркас нейтрален (кварц) и между атомами каркаса преобладает один тип связи.