Принцип плотнейшей упаковки атомов и ионов

Для объяснения структуры и форм кристаллов используют упрощенное представление о том, что форма всех атомов и ионов является шаром (различного диаметра) и эти шары, соприкасаясь друг с другом, заполняют весь объем кристалла. Такое упрощение помогает образно представлять и характеризовать различные структуры.

Существует несколько способов плотнейшей укладки шаров равного диаметра в пространстве. Положим друг на друга два слоя плотно соприкасающихся шаров (слой А и слой В). Третий слой (С) можно положить на слой В по-разному: в одном случае он может повторить позицию слоя А, а в другом шары третьего слоя займут неповторимую позицию С. Их затем можно перекрыть четвертым слоем, повторяющим позицию слоя А. В первом случае получается двухслойная плотнейшая упаковка (типа АВ АВ АВ…) – это гексагональный характер симметрии. Во втором случае повторяемость будет типа АВС АВС АВС… – это кубический характер симметрии. Существует много порядков повторяемости слоев в плотнейшей укладке шаров, но все они будут вариантами этих двух упаковок.

Структуры многих минералов можно рассматривать как плотнейшую упаковку крупных анионов, а меньшие по размеру катионы располагаются в пустотах между анионами.

Плотно уложенные шары занимают лишь 74 % заполняемого объема, а остальные 26 % приходится на пустоты между ними. Существует два типа пустот:

1. меньшие по объему пустоты располагаются между четырьмя шарами, их называют тетраэдрическими;

2. большие по объему пустоты, ограниченные шестью шарами, называются октаэдрические.

Эти пустоты могут вместить почти все обычные катионы, за исключением щелочных и щелочноземельных. Поэтому во многих минералах различные катионы могут занимать одинаковые структурные позиции.

Примером плотнейшей двухслойной упаковки является корунд. В нем крупные ионы кислорода (ионный радиус 0,132 нм) образуют плотнейшую упаковку 2/3 октаэдрических пустот, в которой занято атомами алюминия, тетраэдрические пустоты свободны.

Из всего, что мы сказали, следует вывод о том, что все многообразие структур минералов зависит от следующих факторов:

1. типа плотнейшей упаковки, размера и валентности атомов ее образующих;

2. набора атомов, т.е. химического состава минерала;

3. узора заселения пустот.

Число минералов с идеальными плотнейшими упаковками относительно невелико, т. к. такие постройки возможны только для минералов с ненаправленными химическими связями – металлической или ионной (например, самородные металлы или галит). Большинство же минералов имеет смешанный тип связи, поэтому упаковки их атомов в структурах часто бывают далеки от принципа идеальной плотнейшей упаковки.

Особенности кристаллических веществ

Характерные свойства кристаллических веществ:

1) однородность строения – одинаковый узор взаимного расположения атомов по всему объему;

2) анизотропия – все свойства зависят от направления;

3)  симметричность;

4) способность самоограняться.

О. Бравэ доказал, что при свободном росте существует только 14 типов полиэдров, из которых можно собрать любую пространственную решетку, а Е.С. Федоров установил, что для этих решеток имеется 230 симметрийных законов расположения частиц – все это дает бесконечное число реальных структур и минералов.

Вопросы. 1. Что такое геометрическая и электрическая стабильность соединения? 2. Чем отличаются упаковки ионов при кубическом и гексагональном характере симметрии? 3. Какие типы пустот бывают в структурах минералов? 4. От чего зависит разнообразие структур минералов?

Лекция 3

Принципы плотнейшей упаковки атомов и ионов. Особенности кристаллических веществ. Основные понятия минералогии: полиморфизм, изоструктурные минералы, твердые растворы, изоморфизм. Типы изоморфизма.

Способы изображения кристаллических структур минералов

Существует три основных способа изображения кристаллических структур минералов на чертежах и в объемных моделях.

Первый способ – в узлах кристаллической решетки размещают шарики, их делают разного цвета или чуть разного размера для атомов разных элементов.

Второй способ – изображение атомов в виде сфер разного диаметра, целиком заполняющие весь объем модели. Размер шаров соответствует в масштабе эффективным радиусам атомов.

Третий способ – структуру изображают с помощью тетраэдров, октаэдров, кубов и других координационных полиэдров. Обычно принимается, что в середине каждого полиэдра «запакован» катион, а их вершины – центры тяжести атомов кислорода, или других анионов.