Глава 2 Современные энергетические подходы к оценке физико-химических свойств твердых тел
В настоящее время при объяснении свойств минералов и неорганических кристаллов вообще можно использовать пять основных энергетических подходов, основанных на концепциях:
1. энергии кристаллической ионной решетки (энергии разрыва кристалла на свободные составляющие ионы);
2. энергии атомизации (энергии разрыва кристалла на свободные нейтральные составляющие атомы);
3. энергии сцепления атомных остовов и связующих электронов кристалла;
4. электроотрицательности атомов;
5. использования параметров структурной рыхлости соединений.
Первый подход сложился в первой половине ХХ века на основе трудов Гольдшмидта, Фаянса, Маделунга, Эвальда, Полинга, Захариасена, Вазашерны, Вернадского, Борна, Ланде, Габера, Капустинского, Ферсмана, Белова и многих других ученых. Однако до сих пор кардинальных успехов в объяснении и предсказании свойств кристаллов в рамках этого подхода достигнуто не было. С этим, по-видимому, связано возникновение второго энергетического подхода, сформировавшегося во второй половине ХХ века благодаря работам в основном отечественных ученых (Лебедев, 1957; Ормонт, 1973; Урусов, 1975; Мамыров, 1989, 1991; Зуев, 1995; Зуев, Денисов, Мочалов и др., 2000). В рамках развития второго подхода были получены значительные научные результаты, зафиксированные в виде открытия № 73 и изложенные в работе (Зуев, Мочалов, Щербатов, 1998). Поэтому можно утверждать, что второй подход, исторически и логически сменивший первый, в настоящее время является ведущим энергетическим подходом к объяснению свойств минералов и неорганических кристаллов. В этой связи некоторые авторы, отдавая явное предпочтение второму подходу, не только предают забвению первый, но и предлагают фактически от него отказаться, как от устаревшего и несостоятельного (Марфунин, 1974; Урусов, 1975). Одна из задач настоящей монографии - показать, что первый подход, наиболее ярким и активным пропагандистом которого был академик А. Е. Ферсман, далеко не исчерпал свои возможности и при определенной модернизации может рассматриваться в качестве одного из эффективных энергетических подходов к объяснению и предсказанию разнообразных физико-химических свойств кристаллических веществ.
В дополнение к двум ставшими уже классическими указанным подходам к энергетике и свойствам твердых тел в последнее время появились три других. Один из них базируется на использовании разработанного автором принципиально нового энергетического параметра твердого тела - энергии сцепления атомных остовов и связующих электронов (Зуев, 2002). Другой подход основан на использовании для количественного описания физических свойств кристаллов параметра структурной рыхлости (Евзикова и Ициксон, 1969; Евзикова, 2001), косвенно характеризующего энергию межатомного взаимодействия кристаллов. И третий подход основан на использовании параметров электроотрицательности атомов, характеризующих энергию их взаимодействия с валентными электронами, и которые, естественно, можно применять для описания энергетики межатомного взаимодействия в кристаллах.
Таким образом, в настоящее время можно говорить, по крайней мере, о пяти энергетических подходах к объяснению (прогнозированию) свойств минеральных и других кристаллических веществ. Каждый из этих подходов имеет, естественно, свои области применения, свои преимущества и недостатки, но, в принципе, они отнюдь не исключают, а дополняют (в смысле возможности взаимного контроля) друг друга в практике предсказания свойств кристаллов. Однако, признавая все же их определенную неравноценность, указанные энергетические подходы будут рассмотрены в последовательности, обратной их значимости и универсальности (т. е. начиная со структурной рыхлости и заканчивая энергией атомизации).
Следует подчеркнуть, что четыре из указанных подходов базируются на использовании соответствующих энергетических параметров и являются энергетическими, а пятый подход, основанный на использовании структурной рыхлости кристаллов, является, строго говоря, кристаллохимическим, но в конечном счете, как будет показано, также тесно связан с кристаллоэнергетикой и свойствами веществ.
Среди энергетических подходов менее универсальным является метод электроотрицательностей, поскольку он непосредственно применим только к ограниченному кругу гомоатомных кристаллических соединений. Поэтому этот метод будет рассмотрен отдельно после всех других в завершающей части данной главы.