Международный союз охраны природы

Второе отличие заключается в том, что неорганические молекулы образуют твердые кристаллы с правильными кристаллографическими очертаниями, тогда как органические молекулы представляют собой обычно длинные цепочечные агрегаты из десятков, сотен, тысяч и даже миллионов атомов, которые сворачиваются в виде клубков, змеек, спиралей и являются, таким образом, тоже своеобразной разновидностью кристаллов, от физико-химических свойств которых зависит существование органического мира. Рассмотрим эти особенности подробнее сначала для неорганической природы.

Из учебников минералогии известно, что в неорганическом мире атомы и ионы (т.е. положительно или отрицательно заряженные атомы), создавая кристаллическую решетку, попадают в окружение других ионов противоположного знака (катионов и анионов), притягивающихся друг к другу. Причем размер отрицательно заряженных анионов обычно гораздо больше, чем положительных катионов, так как анионы присоединили к своей внешней оболочке дополнительные валентные электроны, отняв их от катионов. В целом анионы и катионы разных элементов рассматриваются как упругие несжимаемые шарики, имеющие разные диаметры для различных веществ. Одним из необходимых условий устойчивости кристаллической решетки минералов является максимально плотная упаковка ионов разного диаметра, так, чтобы шары-атомы верхнего слоя попали в лунки между шарами-атомами нижнего по принципу плотнейшей кубической или гексагональной упаковки, образуя предельно минимальное свободное пространство и соприкасаясь друг с другом (рис. 3). Такая упаковка складывается самопроизвольно в процессе роста кристаллов в зависимости от размеров ионов.

Число ионов, находящихся на одинаковом или близком расстоянии от данного иона, называется координационным числом. В минералогии говорят о координационном числе катиона по отношению к анионам, которыми в большинстве случаев являются О2–, S2–, F–, Cl–, Br–, I–. При соединении прямыми линиями центров окружающих (координированных) атомов или ионов вокруг данного катиона образуется геометрическая фигура ? координационный полиэдр.

Рис. 3. Три типа моделирования кристаллической структуры сфалерита ZnS (вверху) и галенита PbS (внизу): а – разреженные модели; б – структуры в поллинговских тетраэдрах и октаэдрах; в – плотнейшая упаковка (черные шарики – катионы цинка или свинца, белые – анионы серы)

Координационное число зависит от соотношения радиусов ионов и типов их химической связи. Принимая во внимание, что наиболее устойчивой будет такая кристаллическая структура, когда все ионы касаются друг друга, геометрически рассчитаны оптимальные отношения радиуса катиона к радиусу аниона для различных координационных чисел. Оказывается, в зависимости от различий в радиусах ионов их плотнейшая упаковка может быть достигнута различными способами. Например, если взять три больших шара-аниона и плотно положить их на плоскости, то в промежутке между ними сможет поместиться только очень маленький шарик – катион (рис. 4, а). Если на эти три шара положить сверху еще один, то в образовавшийся между ними промежуток сможет поместиться несколько больший шарик (см. рис. 4, б). Если сложить вместе (квадратом) четыре шара, то в промежутке между ними поместится еще больший шарик (см. рис. 4, в), и так далее. Последовательное увеличение размеров шарика-катиона позволяет ему быть окруженным все большим количеством шаров-анионов. В соответствии с этим координационное число будет расти вплоть до максимально возможного – 12, т.е. до тех пор, когда в окружении катиона окажутся 12 наиболее близко расположенных к нему анионов.

Но такое последовательное увеличение координационного числа возможно, только если все катионы способны со всех сторон равномерно окружать себя анионами, как в случае ионной связи, не имеющей пространственной ориентировки на поверхности атома. Однако, например, ковалентные связи в каждом атоме строго ориентированы, т.е. здесь как бы имеются определенные “стыковочные узлы”, к которым могут присоединиться другие ионы. Поэтому, например, способ упаковки позволял бы иметь еще несколько ближайших соседей, но для них нет соответствующих “стыковочных узлов”. При этом следует учитывать, что количество и относительное размещение этих “узлов” на поверхности ионов может варьировать для разных их типов.

Поэтому нетрудно представить себе, что несмотря на такие в принципе простые формы связи атомов и молекул в кристаллической решетке, количество разновидностей таких решеток и соответственно минералов может быть огромным. В них меняются форма координационных полиэдров (пирамида, тетраэдр, октаэдр, куб, додекаэдр и т.д.) и пространственное размещение и сочетание в объеме кристаллической решетки.

Страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56