7) Координационные числа и координационные полиэдры. Мотивы структур кристаллических веществ.

Для описания атомного строения кристалла в кристаллохимии прибегают к приему разбиения полной картины на отдельные фрагменты. При таком разбиении структуры придается значение ближайшему координационному окружению каждой из частиц, что позволяет однозначно описать индивидуальные особенности каждой кристаллической структуры. Этот подход называется стехиометрическим и использует три основные понятия: координационное число (КЧ), координационный полиэдр (КП) и число формульных единиц (Z).

Координационное число (КЧ) - число ближайших соседей некоторого данного атома в структуре кристалла. Если речь идет о КЧ иона, то имеется в виду число ближайших ионов другого знака.

В структуре флюорита (ионный кристалл CaF2) каждый ион кальция окружен восьмью ионами фтора, а каждый ион фтора четырьмя ионами кальция, следовательно, КЧСа/F = 8, КЧF/Ca = 4.

Координационный полиэдр (КП) получается, если соединить прямыми линиями центры атомов, составляющих ближайшее окружение данного атома. Построение КП позволяет охарактеризовать геометрию расположения частиц вокруг центрального атома.

Число теоретически возможных КП растет с увеличением количества вершин: тетраэдр возможен только один, пятивершинников может быть 2 – тригональная бипирамида и тетрагональная пирамида, шестивершинников – 7, семивершинников – 34 и т. д. Большинство не реализуется в кристаллических структурах.

Чаще всего встречаются в кристаллах КП, которые имеют только треугольные и четырехугольные грани. Однако для структур интерметаллидов известны КП с шести- и восьмиугольными гранями. Если расстояние от центра КП до его вершин равны, то он может быть вписан в сферу. Поэтому для обозначения ближайшего окружения часто используют термин координационная сфера.

Правильные КП встречаются обычно в кристаллических структурах простых и бинарных соединений с высокой симметрией. Для сложных соединений с низкосимметричными структурами более характерны искаженные КП с различной степенью искажения, которое вызывается конкретными условиями взаимной упаковки разных атомных комплексов в кристалле. Согласно модели заряженных сфер отталкивание между лигандами определяет форму КП, если существует выбор между различными КП при одном и том же КЧ. Размещение лигандов на координационной сфере определяется условием минимума энергии отталкивания лигандов.

Форма и размеры элементарных трансляционных ячеек и другие особенности, определяющие неповторимость кристаллических структур минералов. То есть Кристаллическая структура - закономерно упорядоченная структура, элементы которой - атомы, ионы, радикалы или молекулы расположены так, что их геометрические центры образуют в трехмерном пространстве правильную систему точек.

Кристаллические структуры веществ первоначально изображались в виде пространственных моделей центров атомов, образующих данное соединение. Атомы, находящиеся в узлах структуры обозначались шариками разного диаметра или разного цвета. Они соединялись друг с другом при помощи проволочного или какого либо иного каркаса с соблюдением относительных расстояний между центрами шариков. Сами же шарики, изображавшие атомы или ионы, имели уменьшенный и часто совершенно непропорциональный масштаб. Иногда они имели одинаковый диаметр и отличались друг от друга лишь окраской.