Типы химических связей в минералах.

Тема 5. Типы химических связей и химические формулы минералов

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 и становится отрицательно зараженным ионом- анионом, а другой – отдавая - становится катионом. Между разнозарядными 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 кислородных соединений.

2) Ковалентная связь возникает при образовании пар элекронов, 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.

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 гетероотомных.

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 у 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.

4) Молекулярная связь (остаточная, ван-дер-ваальсовская) 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).