Химическая связь. Теория кристаллического поля

Кристаллы построены из материальных частиц – ионов, атомов или молекул, геометрически правильно расположенных в пространстве. Эти частицы для простоты представляют в виде точек, поэтому возникло представление о пространственной кристаллической решетке. В ней выделяют узлы (отдельные точки, центры тяжести атомов и ионов), ряды (ряд – совокупность узлов, лежащих на одной прямой) и плоские сетки (плоскости, проходящие через любые три узла).

Основными единицами структуры кристалла служат атомы или ионы, т.е. те же атомы, несущие электрические заряды. Атом, отдавший один или несколько своих электронов, называют катионом и обозначают положительным индексом (например, Zn²⁺); атом, присоединивший к себе дополнительные электроны или электрон, именуют анионом и снабжают отрицательным индексом (например, S^2–). Любой из атомов может либо быть самостоятельным, либо образовывать группировку с другими атомами, которая ведет себя как одно целое, например (CO₃)^2–, называют их радикалами или анионными группами. Условно предполагают, что атомы ведут себя как несжимаемые сферы, хотя это не так. Такое предположение облегчает понимание структур минералов, поэтому мы им также будем пользоваться.

Атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, окруженного одной или несколькими электронными оболочками. В целом его можно представить как сферу с величиной радиуса в 1 Å. Радиус зависит не только от типа химического элемента, но и от характера взаимосвязи с соседними атомами. Такие связи между близкорасположенными атомами называются химическими. При рассмотрении кристаллических структур главное значение имеют четыре типа связи: металлическая, ковалентная, ионная и вандерваальсова. Эти связи не исключают одна другую; в частности, во многих минералах могут одновременно осуществляться более чем один тип связи, например, ионно-ковалентная, ионно-ковалентно-металическая и др.

Металлическая связь характерна для меди, золота и других типичных металлов. Их атомы, как известно, имеют в изолированном состоянии крупные размеры (золота 0, 144 нм, меди 0, 128 нм), а внешние электроны слабо связаны с ядром. В кристаллической решетке металлов внешние электроны свободно перемещаются в пространстве между атомами (они образуют так называемый электронный газ). Характерные свойства минералов с такой связью – высокие электро- и теплопроводность, хорошая ковкость, металлический блеск.

Ковалентная связь типична для инертных газов, для которых характерно почти полное отсутствие способности к химическим реакциям. В молекулах газов типа Cl₂ связь осуществляется за счет обобществления внешних электронов у электронейтральных атомов. Нейтральный атом хлора (в третьем периоде под номером 17), имеет семь внешних электронов (распределение электронов по орбиталям: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵). Ближайший к нему инертный газ аргон имеет максимально устойчивую для элементов третьего периода внешнюю оболочку из восьми электронов(3s²3p⁶). Поэтому на рисунке видно, что каждый атом хлора в молекулы Сl₂ становится обладателем восьми внешних электронов, т.е. молекула становится стабильной, ковалентная связь обеспечивает ее прочность. Наиболее ярким примером минерала с ковалентной связью может служить алмаз, где каждый атом углерода окружен четырьмя другими атомами углерода, каждый из которых делит по одному своему электрону с центральным атомом. Этот мотив повторяется во всей структуре, и каждый кристалл представляет собой единую гигантскую молекулу.

Ионная связь образуется за счет электростатического (кулоновского) притяжения противоположно заряженных ионов, например электроположительного Na⁺ и электроотрицательного Cl^– в NaCl, ионов Са²⁺ и F^– в СаF₂. Сила электростатического притяжения ионов и стабильность таких молекул зависят от заряда ионов и их размеров: чем больше заряд и меньше ион, тем прочнее он связан со своим соседом. Это очень важный тип связи, который играет большую роль в структурах минералов.

Вандерваальсова (остаточная) химическая связь наиболее характерна для кристаллических структур, образуемых затвердевшими (замороженными) инертными газами (гелием, аргоном, неоном и др.). Эту связь легко объяснить с позиций квантовой физики, а не с классических позиций. Поэтому, мы скажем только, что вандерваальсовы силы возникают в результате электрического дисбаланса, связанного со смещением положительного заряда ядра из центра окружающего это ядро отрицательно заряженной оболочки. Эти силы играют сравнительно небольшую роль в минералах, которая сводится, главным образом, к ослаблению прочности структур отдельных минералов.

Рассмотренные идеализированные простейшие схемы лежат в основе представлений о реальных химических связях между атомами в бесконечном пространстве кристаллической решетки минералов. В ней все атомы взаимодействуют со своими соседями, а те, в свою очередь, со своими соседями. В результате возникает общее кристаллическое пространство взаимодействующих атомов, коротко его называют кристаллическим полем.

Теория кристаллического поля все время развивается, но даже она не может объяснить до конца ясно и точно все особенности химической связи в минералах и проистекающих из нее свойств. Например, до сих пор непонятно, почему в кристаллической решетке галита имеющего классическую ионную связь (которая является ненаправленной), происходит строгое чередование атомов натрия и хлора.

Можно сделать следующие выводы:

1. Металлическая связь: сильное сближение (соприкосновение атомов), высокая симметричность кристаллов – самородные металлы.

2. Вандерваальсова связь: дальнее взаимодействие электронейтральных частей в структуре минералов – сера, реальгар.

3. Ковалентная связь: сильное, направленное воздействие атомов за счет перекрывание орбиталей – алмаз.

4. Ионная связь: отрицательные и положительные ионы, электростатическое взаимодействие, поляризация крупных ионов под действием электростатического притяжения.