Будова, розміри, властивості атомів та іонів, типи хімічного зв’язку та їх значення для геохімії.

Якщо спростити для наочності реальну картину будови атома, можна уявити, що він складається з ядра і електронів, що обертаються навколонього по орбітах і утворюють кульову або складно влаштовану електронну хмару. Число електронів в нейтральному атомі дорівнює числу протонів в ядрі і варіює від 1 до 92 (у трансуранових елементів до 103). Положення електрона в структурі атома визначається сукупністю квантових чисел n, l, m_l, m_s. Вони характеризують величину, форму і нахил електронних орбіт, а також напрямок власного обертання електрона – спін.

Властивості атомів утворювати ті чи інші типи з'єднань можуть бути пояснені їх електронною будовою, а саме розмірами атомів та іонів в поєднанні з валентністю елементів.

Атомні радіуси - числа, одержані при вимірюванні відстаней між центрами атомів в кристалічній структурі для сполук з ковалентним або металевим зв'язком. У поліморфних модифікаціях величини атомних радіусів варіюють. Наприклад, для вуглецю в алмазі, кубічна сингонія, міжатомні відстані рівні 1.54 А, для гексагонального вуглецю -графіту - 1.42 А. Відповідно, атомний радіус буде дорівнює або 0.77, або 0.71 А. Іонні радіуси - це радіуси атомів, що знаходяться в стані іонної зв'язку. Розмір іона змінюється в залежності від зовнішніх умов і впливу сусідніх елементів, що входять в структуру мінералу.

Типи хімічного зв’язку в кристалах

Металічний зв'язок характерний для елементів перших груп Періодичної системи. Їх атоми мають крупні розміри, а зовнішні електрони слабо зв’язані з ядром. В кристалічній решітці металів зовнішні електрони вільно переміщаються в просторі між атомами. Вони утворюють своєрідний «електронний газ» і обумовлюють основні властивості металів: високі пластичність, ковкість, теплопровідність, електропровідність та малу твердість, невисокі точки плавлення та кипіння. Зв'язок не направлений.

Ковалентний (гомеополярний) зв'язок утворюється за рахунок об’єднання електронів на зовнішніх валентних орбіталях двох сусідніх атомів, таким чином, що обидва отримують стабільну конфігурацію як у благородного газу. Ковалентний зв'язок чітко направлений, насичуваний і дуже міцний.

Мінерали з таким типом зв’язку характеризуються нерозчинністю, великою стійкістю, твердістю, високими точками плавлення і кипіння, напівпровідниковими властивостями.

Іонний (гетерополярний)зв'язок реалізується між атомами різного типу за рахунок електростатичної взаємодії позитивно заряджений катіонів і негативно заряджених аніонів, при цьому валентні електрони переходять від металу до аніону. Зв'язок ненаправлений і ненасичений.

Кристали з іонним типом зв’язку розчиняються в полярних розчинах (вода), для них характерні властивості діелектриків, крихкість, низька тепло- і електропровідність, середні щільність і твердість, високі точки плавлення і кипіння.

Ван-дер-ваальсовий (залишковий) зв'язок з’єднує нейтральні молекули за допомогою малих залишкових зарядів на їх поверхні, що утворюються за рахунок миттєвих дипольних моментів «ядро-електрон», між якими діють сили протягування. Ван-дер-вальсовий тип зв'язку найслабший, він присутній в мінералах як додатковий, визначає зони доброї спайності і низької твердості (графіт).

Серед ван-дер-ваальсових зв’язків особливим є так званий водневий зв'язок, який часто розглядається як окремий тип зв’язку. Він виникає за рахунок спільного використання протона двома атомами, наприклад, кисню, що входить в склад води, і кисню стінок каркасу, в якому ця молекула води знаходиться. Водневий зв'язок слабший іонного і ковалентного, але сильніший за звичайний ван-дер-ваальсовий.