Кристаллохимические особенности

Простые вещества

ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА - вещества, состоящие из атомов одного химического элемента, существующего в свободном виде и химически не связанного ни с каким другим элементом.
К простым веществам относят самородные элементы, способные образовываться и сохраняться в природе в чистом виде.
В зависимости от типа химической связи между атомами минералы, представляющие простые вещества (самородные элементы), разделяют на 4 класса: Металлы, Полуметаллы, Неметаллы и Интерметаллиды - соединения двух или более металлов (изоморфные смеси).

К этому типу минералов относятся, во-первых, элементарные вещества (как говорят, самородные элементы), например, графит С, алмаз С, медь Cu, висмут Bi, их твердые растворы друг в друге, например, минералы состава (Au–Ag), (Au–Cu), (Pt–Fe), (Os–Ir).

Во-вторых, к тому же типу относятся особые химические соединения – интерметаллиды Pt₃Sn, Pt₃Fe, Pt₂FeNi, Cu₇Hg₆ и др. (в них каждый металл занимает свои строго определенные позиции в кристаллической решетке минерала). Интересно в этом плане сравнить интерметаллид Pt₃Fe и минерал (Pt, Fe) (твердый раствор). В первом расселение атомов платины и железа строго закономерно, минерал имеет свою особую структуру; у второго структура такая же, как у платины, лишь часть ее атомов неупорядоченно замещена железом.

Все простые вещества – очень редкие минералы, суммарно они слагают не более 0, 02 % массы земной коры. Однако именно в виде таких минералов образуют промышленные концентрации некоторые особо ценные металлы – золото, платина, осмий, иридий, серебро. Значительная доля промышленных запасов серы как химического сырья сосредоточена в виде химически чистого элемента – самородной серы. Некоторые самородные элементы сами по себе являются ценным техническим материалом, например, алмаз и графит из-за своих особых свойств – твердости (алмаз), электропроводности и тугоплавкости (графит).

Ранее считалось, что самородное состояние возможно только для некоторых химических элементов в силу их инертности. Современные исследования привели к открытию самородного цинка, алюминия, кадмия, кремния и многих других ранее уникальных минералов, но, как оказалось, они, во-первых, образуются действительно в уникальных условиях, и, во-вторых, в ничтожно-, исчезающе-малых количествах и мельчайших зернах.

Кристаллохимические особенности

Кристаллические структуры минералов простых веществ относительно просты, причем эта простота особо характерна для самородных металлов.

Большинство самородных металлов и их твердые растворы имеют структуру, отвечающую плотнейшим упаковкам – кубической или гексагональной. Например, золото, медь, серебро, алюминий (кубические), цинк, рутений, осмий (гексагональные). Чем сильнее характер связей в веществе отличается от металлической, тем более структура минерала отличается от идеальной плотнейшей упаковки и тем она сложнее, например, алмаз, сера, графит.

Структура серы является молекулярной. В каждой молекуле объединено в виде кольца по восемь атомов, соединенных ковалентными связями (полностью взаимно компенсирующимися, а суммарный заряд такого кольца равен нулю). Кольца накладываются друг на друга в виде колонок, по-разному ориентированных в пространстве. Кольца и колонки связаны между собой остаточными вандерваальсовыми связями. Все это влияет на внешнюю симметрию и огранку кристаллов, а также их физические свойства.

Отдельно характеризуем структуры природных полиморфов углерода – алмаза и графита. В первом атомы углерода располагаются равномерно во всех трех измерения. Кристалла по всему его объему, каждый атом окружен четырьмя соседними, между ними осуществляются ковалентные связи.

Структура второго полиморфа – слоистая, внутри слоя атомы связаны смешанными ионно-ковалентными, между слоями – вандерваальсовы или металлические связи.