Лекции 7-8-9. Задачи, решаемые кристаллохимией

План лекции

1 Координационное число, координационный полиэдр, число формульных единиц.

2. Плотнейшие шаровые упаковки в кристаллах.

3. Основные типы структур.

4. Основные категории кристаллохимии: морфотропия, полиморфизм, изоморфизм.

Кристаллохимия изучает проблемы связи между строением и химическим составом кристаллов, которые позволяют понять их свойства.

Химический состав минералов — это фундаментальная характери­стика, от которой зависят многие их физические свойства. Однако свойства минералов в значительной степени зависят и от геометрического расположения составляющих структуру соединений атомов, ионов или молекул, от природы химических сил — химических связей, реализованных в том или ином кристалле. В качестве примера можно рассмотреть структуры двух модификаций углерода: графита и алмаза (см. рис. 7.1 а, б), различные свойства которых связаны именно с геометрией расположения атомов углерода и соот­ветственно с типом химических связей между ними.

а	б
Рис. 7.1. Кристаллические структуры алмаза а) и графита б)

Таким образом, для понимания свойств кристаллов следует в первую очередь принимать во внимание их структуры. Именно поэтому в основу кристаллохимии по­ложены сведения о пространственном расположении атомов в структуре кристаллических тел, т. е. данные структурного анализа кристаллов. Этот аналитический метод базируется на открытом в 1912 г. немецким физи­ком М. Лауэ явлении — дифракции рентгеновских лучей на кристаллах; благодаря чему стало возможным получать сведения об атомном строе­нии вещества. Именно рентгеноструктурный анализ, оказавшийся наи­более информативным экспериментальным методом изучения строения химических соединений, и стал основой кристаллохимии.

Огромная работа по установлению связи между химическим со­ставом кристаллов и их симметрией проведена русским кристаллогра­фом Е. С. Федоровым и немецким кристаллографом Гротом. Ими была подмечена закономерность, впоследствии названная законом Федорова-Грота, который гласит: кристаллы веществ с простым хи­мическим составом обладают более высокой симметрией по сравнению с кристаллами более сложного состава,т. е. степень симметричности кри­сталла уменьшается с ростом относительной сложности его состава. Как известно, наиболее высокой симметрией характеризуются кри­сталлы кубической и гексагональной сингоний. Отсюда можно ожидать, что симметрия большинства веществ простого состава будет относить­ся к этим сингониям. Действительно, симметрия кристаллов самород­ных Си , Ag, Pt, Аи, алмаза — кубическая. Структуры же минералов сложного состава, таких как роговая обманка Ca₂Na(Mg, Fe)/Al, Fe)[Si₆Al₂O₂₂] • (ОН)₂, мусковит KAl₂[Si₃AlO₁₀] • (ОН)₂, альбит Na[AlSi₃G₈] и др., более низкосимметричны.