Типы химических связей в минералах. Химическая связь является

Типы химических связей в минералах. Химическая связь является результатом движения электронов внешних (валентных) оболочек в пространстве между ядрами взаимодействующих атомов. Главнейшими типами связей, присутствующими в минералах является: ионная, ковалентная, металлическая, молекулярная, донорно- акцепторная. 1) Ионная связь (полярная, гетероатомная) возникает в результате того, что при взаимодействии атомов один из них притягивает в сферу своего ядра один или несколько электронов и становится отрицательно зараженным ионом- анионом, а другой – отдавая - становится катионом. Между разнозаряженными ионами появляется электростатическое взаимодействие. Например: галит - NaCl (Na¹+→ Cl¹-). Ионная связь наблюдается в тех минералах, которые представляют собой соединение атомов имеющих на внешних орбитах электроны со спинами противоположного знака. При ионной связи атомы стремятся приобрести наиболее устойчивую оболочку с полным числом электронов во внешнем слое. Ионная связь не имеет пространственной направленности, благодаря чему ион стремится окружить себя максимальным количеством противоположно заряженных ионов. Данный тип химической связи один из самых слабых. К минералам с существенно ионной связью относятся: тип галлоидов и некоторые классы из типа кислородных соединений.

2) Ковалентная связь возникает при образовании пар электронов, которые движутся в поле ядер двух взаимодействующих атомов, причем в состав каждой пары входит по одному электрону от каждого атома. Связь эта возникает когда взаимодействующие атомы имеют не спаренные электроны с противоположно ориентированными спинами на внешних электронных оболочках. Причиной ковалентной связи является стремление атомов к созданию устойчивой 8-ми электронной внешней оболочки, путем заполнения до полного числа s и p - электронов на внешних орбитах. Ковалентный тип связи характерен для гомоатомных минералов, но распространен и среди гетероатомных. Количество ковалентных связей равняется количеству неспаренных электронов атома в свободном или в возбужденном состоянии. Имеется в виду, что атомы при взаимодействии могут возбуждать друг друга и производить распаривание , т.е. переводить один из спаренных электронов в свободную ячейку на незанятый энергетический уровень. Например: углерод (алмаз) Ковалентные связи характеризуются определённой направленность в пространстве. Данный тип химической связи один из самых сильных. Ковалентный тип связи встречается у минералов типа сульфидов и частично в типе простых веществ.

3) Металлическая связь в наиболее чистом виде наблюдается между атомами одного и того же элемента- металла рассматриваемого как совокупность положительно заряженных ионов – «атомных остовов» между которыми свободно перемещаются электроны в виде «электронного газа». Притяжение между положительно заряженными ионами и электронным газом не имеет направленности и количественного ограничения связей, поэтому каждый ион стремится окружить себя мах числом соседей. В минералах с металлической связью для электронов имеются широкие энергетические зоны образованные расщеплением электронных уровней соединившихся атомов. Многочисленность уровней и близость их к друг к другу обуславливает подвижность электронов. При металлической связи ионы каждого из элементов отдавая по одному электрону, получают взамен устойчивую 18-электронную оболочку. Например: кристаллы самородной меди, золота, серебра. Металлическая связь характерна для минералов типа простые вещества, класс металлов.

4) Молекулярная (остаточная, ван-дер-ваальсовская) связь проявляется в результате взаимодействия между собой нейтральных молекул, внутри которых характер связи уже другой. Она определяется тремя эффектами, которые свойственны молекулам: 1) дисперсионным; 2) ориентационным; 3) наведённым (индукционным). Дисперсионный эффект – результат движения электронов, которое создает мгновенные диполи, вызывающие притяжение между молекулами. Ориентационный эффект является результатом полярности молекул, которые могут иметь различный собственный дипольный момент. Наведенный эффект связан с поляризующим действием электронных полей соседних молекул. Молекулярная связь наиболее характерна для органических соединений (янтарь), но наблюдается также в некоторых самородных элементах (сера, теллур) и окислах (лед, брусит, слоистые силикаты).

5) Донорно – акцепторная связь - возникает в результате того , что два спаренных электрона одного атома используются в свободной ячейке другого атома, становясь общими для того и другого. Атом дающий пару электронов называется донором, принимающий – акцептором. В отличие от ионной связи в этом типе передача совершается на время, в результате чего часть времени пара электронов находится в оболочке одного из соединяющихся атомов, а часть времени – в оболочке другого, осуществляя связь между атомами. Донорно-акцепторная связь особенно характерна для некоторых сульфидов и их аналогов. Например: пирит (FeS2).

ИЗОМОРФИЗМ В МИНЕРАЛАХ Среди минералов нет химически чистых веществ. В их структуру входят различные химические примеси. В одних минералах количество таких примесей незначительно, (доли %) – это минералы постоянного состава, например: кварц – SiO2, а примеси Na, Al, Fe – до 0,01 %. В других – большое количество химическое примесей, например: сфалерит – ZnS, содержит Fe до 20 %, разновидность – марматит. Такие минералы называются минералами с переменным составом, а явление, обуславливающее эти процессы в минералах, называется изоморфизмом. ИЗОМОРФИЗМ – явление взаимного замещения атомов и ионов в узлах кристаллической решетки минерала без нарушения ее структуры. Термин изоморфизм ввел в литературу немецкий химик Э. Митчерлих в 1919 г. Минералы с переменным химическим составом называется ещё «твердыми растворами». Формула минералов с изоморфными замещениями пишется так: (Mg,Fe)2[SiO4] – оливин. . А.Е.Ферман объяснял образование изоморфных смесей с точки зрения общего закона энтропии (при высоких Т), а именно, такие соединения энергетически более выгодны, при кристаллизации минералов из магматических расплавов и гидротермальных растворов. При изоморфизме должны соблюдаться следующие условия: 1) Близость радиусов участвующих в этом явлении атомов (разность не должна превышает 15% от размера радиуса иона); 2) Сходство химических свойств замещающих друг друга элементов; 3) Сохранение электронейтральности кристаллической структуры минерала.

Типы изоморфизма. 1) По степени совершенства: а) неограниченный (совершенный) – когда возможна полная замена одних атомов другими (могут существовать два крайних и все промежуточные по составу минералы). Например: форстерит (Mg)2[SiO2] – фаялит (Fe)2[SiO2]; б) ограниченный (несовершенный) – когда количество изоморфной примеси не может превышать какого – либо предела и могут образовываться совершенно новые минералы. Например: содержание Cr в корунде не может превышать 1,5 – 2,0% (разновидность корунда -рубин); в) направленный (полярный) изоморфизм – когда один ион лучше замещает другой ион, чем наоборот. Было установлен ряд характерных пар элементов: K/Ba, Ca/Y, Fe/Ge, Ca/Th, Cu/Au – в числителе стоит элемент, который замещается элементом находящимся в знаменателе, но не наоборот. Например: Cu входит в состав Au до 20%, а содержание изоморфных примесей Au в Cu не более 2-3%. Это явление А.Е.Ферсман объяснял энергетикой инов. 2) По характеру компенсации валентности: а) изовалентный – замещаются ионы одной валентности. Например: в оливине Mg²+ замещается Fе²+ , в сильвине К¹+ замещается Rb¹+; б) гетеровалентный – замещаются ионы с разной валентностью, но при этом обязательно происходит компенсация зарядов, т.е. сохраняется электронейтральность кристаллической структуры минерала. Например: изоморфный ряд плагиоклазов – альбит Na[AlSi3O8] – анортит Ca[Al2Si2O8], в котором изоморфизм проходит по схеме – Na¹+, Si4+ → Ca²+, Al³+.

3) По числу атомов: а) двухатомный – в рубине: Al³+ →Cr³+ ; б) многоатомный – в плагиоклазах: Na¹+, Si4+ → Ca²+, Al³+. Генетические факторы изоморфизма. 1) Химический состав среды минералообразования : от концентрации элементов в среде зависит содержание его в минерале. Например: изоморфный ряд оливина – форстерит (Mg)2[SiO4] – фаялит (Fe)2[SiO4] - в форстерите может присутствовать только до 0,6 % никеля (Ni²+), что обусловлено низкими концентрациями Ni в ультраосновной магме. 2) Температура (Тº): при более высоких температурах изоморфное замещение происходит легче. Например: щелочные полевые шпаты К[AlSi3O8] и Na[AlSi3O8] при высоких (>800º C) температурах образуют непрерывный изоморфный ряд, а при охлаждении распадаются на две фазы – одну с преобладающим содержанием К¹+ и другую с преобладающим содержанием Na¹+.В пределах каждой фазы возникают взаимные прорастания, известные под названием пертитов и антипертитов. 3) Давление (Р): влияние сложное и неоднозначное. 4) Кристаллизационные эффекты: проявляются в виде мозаичной (неоднородной) окраски кристаллов-минералов в пегматитах гранитных интрузий. Например: полихромный турмалин, зональный аметист, топаз, неоднородная окраска касситерита.

ПОЛИМОРФИЗМ В МИНЕРАЛАХ Полиморфизм – явление существования одного и того же химического вещества, с кристаллическими решётками различных видов (различные виды симметрии и сингониии). Это явление было установлено также Э. Митчерлихом в 1820 г. В мире минералов данное явление довольно широко представлено, например: пирит (кубический)-марказит (ромбический), алмаз (кубический)-графит (гексагональный) кальцит (тригональный)-арагонит (ромбический). Несмотря на одинаковый химический состав свойства минералов могут резко отличаться. Минералы с разной кристаллической решёткой, но одинаковым химическим составом называются полиморфными модификациями. Свойства полиморфных модификаций: 1) Возможность существования тех или иных модификаций минералов полностью определяется температурой (Т) и давлением (Р), при этом превращения могут оказаться энантиотропными, т.е. осуществляющиеся как в прямом направлении, так и в обратном направлении. Например: обычная природная самородная сера, кристаллизующаяся в ромбической сингонии, при нагревании до 95,5 С (при нормальном давлении), переходит в моноклинную серу, а при понижении температуры до 95,9 С переходит обратно в ромбическую; кварц, кристаллизующийся в тригональной сингонии (α-кварц), при нагревании до 573 С переходит в гексагональную модификацию (β-кварц), а при остывании вновь приобретает тригональную сингонию.