2.2 Густина хімічних елементів і мінералів
Залежність густини хімічних елементів від їхньої атомної будови. Густина хімічно чистих простих твердих речовин характеризується постійним, строго визначеним значенням. Найменшу густину мають літій (0,533кг/м3) і калій (0,863кг/м3), найбільшу - осмій і іридій (22,53кг/м3).
Атоми всіх елементів дуже неоднорідні за густиною. Велика частина маси атомів (99,95-99,97 %) зосереджена в ядрах. Маси протонів і нейтронів рівні 1,67210-27 кг і 1,67510-27кг при масі електронів 9,10910-31 кг, тобто маса останніх менше в 1836 разів. Радіуси атомів елементів складають 10-8см; радіуси ядер значно менше і рівні 10-13-10-12см. Тому густина ядра атома є величезною, округлено рівною 1,161014кг/м3, при вкрай малій густині електронної хмари, що оточує ядро.
На відміну від постійних констант елементарних часток маса атомів різноманітна для кожного елемента, чисельно дорівнює відносній атомній масіma;вона поступово зростає від елемента до елемента, у порядку їхнього розташування в Періодичній системі елементів Д. И. Менделєєва від 1 до 227. Зосередження всієї маси атомів у ядрах визначає дуже велику залежність густини елементів від їхнього об’єму. Останній змінюється приблизно в 3 рази і залежить від атомного радіуса і форми кристалічних зв'язків.
Атомний радіус вільного (не пов'язаного) атома дорівнює відстані від області максимальної щільності електронної хмари до центру ядра. У з'єднаннях із металевою і ковалентною формами кристалічного зв'язку міжатомні відстані близькі до подвоєного атомного радіуса; для іонних з'єднань спостерігається істотне розходження в орбітальних і ефективних іонних радіусах.
Для кожного ряду елементів, що мають однакові головні квантові числа, тобто для кожного періоду Періодичної системи елементів, спостерігається зростання густини і зменшення атомного радіуса елементів у першій половині ряду і зниження густини і збільшення атомного радіуса - у другій половині ряду. Максимальна густина елементів у кожному ряду збільшується від періоду до періоду в міру підвищення атомної маси.
Різноманітний зв'язок густини елементів з атомним радіусом і атомною масою добре узгоджується з їхніми іншими властивостями.
Хімічні елементи: 1 - s, 2 - p, 3 - d, 4 - літофільні I типу, 5 - літофільні ЇІ типу, 6 - халькофільні, 7 - сидерофільні; області переважного поширення елементів: А - літофільних I типу, Б - літофільних II типу і халькофільних, В - сидерофільних; 2-7 - періоди Періодичної системи елементів Д.І.Менделєєва
Рисунок 2.2 Залежність густини елементів різних геохімічних типів від їхнього атомного радіуса.
Одним із характерних явищ для мінералів, що утворюють породу, є ізоморфізм, який може приводити як до збільшення (від альбіту до анортиту), так і зменшення (від альбіту до мікрокліна) густини.
Дуже характерна зміна густини мінералів в ізоморфному ряду олівіну. Густина від магнезіального мінералу форстериту поступово зростає за рахунок заміщення магнію залізом. Збільшення густини визначається більш високою атомною масою заліза в порівнянні з магнієм; розмір іонних радіусів цих елементів близький, густина упаковування атомів і структура мінералів усієї групи однакові. Подібні ізоморфні заміщення, що призводять до зміни густини мінералів, характерні для групи гранатів, шпінелі й ін.
Поліморфізм, при якому спостерігається зміна структури мінералів без зміни їхнього хімічного складу, виражається в зміні ряду фізичних властивостей і насамперед густини мінералів.
Утворення різноманітних поліморфних з'єднань пов'язано зі зміною температури і тиску й особливо характерно при регіональному метаморфізмі порід.
Характерним прикладом поліморфних з'єднань є дві модифікації вуглецю - графіт і діамант.
Складний поліморфний ряд утворюють модифікації кремнезему – SiO2. Фазові переходи між кварцом, тридимітом, кристобалітом і кварцом, коеситом і стишовітом відбуваються з істотною зміною структури мінералів (реконструктивні перетворення) і відбиваються в густині. Об’єм речовини скорочується в 1,8 рази.
У природних мінералах, що складають гірські породи, у результаті ізоморфізму, поліморфізму, дефекту структур, наявності хімічних і механічних домішок, спостерігаються коливання густини мінералів, що складають у загальному випадку десяті частки грама на кубічний сантиметр. Проте для кожної петрографічної групи порід, яка утворюється у певних умовах (комплекс, формація), характерно певний склад мінералів, що приводить до більш постійної густини останніх і породи в цілому.