О природе минералов 1 Введение

 кубическая плотнейшая
упаковка
(
к.п.у.
).
Как г.п.у., так и к.п.у. заполняют простран-
ство с равной эффективностью, так что в каж-
дом виде упаковки шары занимают 74% обще-
го объема. Существует и третье пространственное
расположение атомов, с несколько менее плотной
упаковкой, —
 объемноцентрированная кубическая
упаковка (о.ц.к.)
, показанная на рис. 1.18. Боль-
шинство атомов в металлах стремится образовать
одну из плотноупакованных структур или одну из
них с некоторым искажением. Например, металлы
с к.п.у. включают в себя Cu, Ag и Au, с г.п.у. — Mg,
Zn и Ca, в то время как Fe, Cr и Ba принимают
о.ц.к. пространственное расположение.
Ряд известных оксидов, галогенидов и сульфи-
дов также обладает структурами, которые можно
рассматривать как плотноупакованные. Некото-
рые химики предпочитают вместо термина «плот-
нейшая упаковка» использовать термин
 эвтаксия
для веществ, состоящих из одного или нескольких
видов атомов разных размеров и валентностей
1
.
Чтобы понять, как катионы и анионы заполня-
ют плотноупакованные слои, следует вновь рас-
смотреть их основные виды. Выше говорилось,
что в слоях шаров имеются две группы проме-
жутков и когда мы укладываем плотноупакован-
ные слои друг на друга, возникает два типа пустот
(или узлов кристаллической решетки). В одном
случае три атома располагаются внизу, а один —
вверху, образуя тетраздрическую пустоту (суще-
ствуют также равноценные пустоты, в которых
три атома находятся сверху и один снизу). В дру-
гом варианте упаковки три атома располагаются
внизу и три вверху, образуя октаэдрическую пу-
стоту (рис. 1.19). В структурах как с к.п.у., так
и с г.п.у. для каждого шара существует два те-
траэдрических узла и один октаэдрический узел.
Такие минералы, как галенит PbS, периклаз MgO
и галит NaCl, имеют к.п.у. структуру с катиона-
ми, занимающими октаэдрические пустоты, тогда
как сфалерит ZnS и халькопирит CuFeS2 облада-
ют структурой, основанной на анионной решетке
с к.п.у., где катионы занимают половину тетра-
эдр ических узлов. Можно считать, что структу-
ры пирротина Fe
1-x
S, гематита Fe
2
O
3
, ильменита
FeTiO
3
и корунда Аl
2
О
3
состоят из анионов в г.к.у.
с атомами металла в некоторой части октаэдриче-
ских узлов, а вюртцит ZnS имеет г.к.у. решетку
серы с Zn в тетраэдрических пустотах. Такие ми-

---

нералы, как шпинель MgAl
2
O
4
, магнетит FeFe
2
O
4
и ряд сульфидов, имеют структуру шпинели По-
следняя характеризуется пространственным рас-
положением анионов в к п у с атомами металлов
в 1/8 части тетраэдрических и 1/4 октаэдрических
узлов (Упомянутые структуры рассматриваются
при описании минералов в гл 8 и 9 )
То, что металлы приобретают плотноупакован-
ные структуры, легко объяснимо все их атомы
имеют одинаковый размер и ненаправленный ха-
рактер связи, а эффективность заполнения про-
странства может рассматриваться как движущая
сила структурной упаковки Подобным же обра-
зом плотноупакованные структуры простых со-
единений, таких, как NaCl, являются преиму-
щественно ионными и, следовательно, обладают
ненаправленной связью У ZnS связь в значи-
тельной степени характеризуется ковалентностью
Но в то же время его структуру вполне мож-
но объяснить как заполнение небольшими кати-
онами цинка тетраэдрических пустот в плотно-
упакованных слоях серы Аналогичным образом
можно судить о структурах, оценивая качество
направленности связей в
 sр
3
-гибридизированных
орбиталях Альтернативное описание структу-
ры ZnS, основанное на рассмотрении соединен-
ных вершинами тетраэдров ZnS
4
, является в
равной степени обоснованным и во многих слу-
чаях легче поддается визуальному представле-
нию
1.8.2 Координационные полиэдры
Многие важные породообразующие силикаты, на-
пример полевые шпаты, пироксены, амфиболы,
слюды и гранаты, обладают структурой, кото-
рую трудно или даже невозможно трактовать в
рамках представлений о плотной упаковке Ча-
сто подобные структуры легче представить как
кристаллические решетки, основу которых соста-
вляют
 координационные полиэдры
с расположен-
ными в их центрах катионами
1
Различные ко-
ординационные полиэдры, использованные при
описании и изображении структуры минералов,
Рис 1.19 Тетраэдрические и октаэдрические пустоты
между двумя плотноупакованными слоями

---

Рис. 1.20 Типы координационных полиэдров (а) тре-
угольный, (б) тетраэдр, (в) октаэдр, (г) тригональная
призма, (д) куб.
Рис. 1.21 Обобществление граней или ребер выну-
ждает центральные катионы сближаться Такое про-
странственное расположение является энергетически
невыгодным.
приведены на рис. 1.20. Полиэдры могут соеди-
няться путем обобществления вершин или ребер
и, реже, посредством обобществления граней. При
соединении тетраэдров по ребру или грани проис-
ходит относительное сближение двух централь-
ных катионов (рис. 1.21), что делает такое про-
странственное расположение энергетически невы-
годным, и поэтому оно редко встречается в мине-
ралах.
Наиболее важным полиэдром, как с точки зре-
ния его распространенности в качестве основ-
ной ячейки при построении структур породообра-
зующих минералов, так и в связи с большим
разнообразием способов его соединения, являет-
ся тетраэдр SiO
4
. Связь Si-O можно рассмат-
ривать как промежуточную между ионной и
ковалентной, а тетраэдрическое пространствен-
ное расположение связей Si-O объясняется с
учетом вр
3
-гибридизации кремниевых орбита-
лей 3s и
 Зр.
В силикатах углы связей в боль-
шинстве тетраэдров SiO
4
близки к 109,5°. Вви-
ду того что катион кремния имеет формаль-
ный заряд +4, а анион кислорода -2, каждый
из четырех анионов О
2 -
, связываясь с крем-
нием, компенсирует половину своих валентных
связей. Остающийся в отдельной ячейке заряд
должен быть уравновешен одним или большим
числом катионов. Чтобы это произошло, про-
стым выходом для аниона О
2-
является связь
с другим Si и образование при этом группы
(Si
2
O
7
)
6-
. Аналогичным образом тетраэдры SiO
4
могут полимеризоваться, образуя цепочки, слои
и решетки посредством обобществления анио-
нов O
2-
(рис. 1.22). Кварц SiO
2
имеет структу-
ру кристаллической решетки, сложенную из со-
единенных вершинами тетраэдров SiO
4
, в кото-
рых каждый атом кислорода образует мостик
между двумя атомами Si (см. рис. 2.15,
 б
)
.
У полевошпатовых минералов, таких, как аль-
бит NaAlSi
3
O
8
, ортоклаз KAlSi
3
O
8
и анортит
CaAl
2
Si
2
O
8
, кристаллическая решетка также со-
стоит из соединенных вершинами тетраэдров
SiO
4
и AlO
4
, причем более крупные катионы
Na, К и Ca в пределах этих структур занима-
ют 8- и 12-координационные узлы (рис. 2.22).
Структуры пироксенов M
2
Si
2
O
6
и амфиболов
A
2
M
7
Si
8
O
22
(OH, F)
2
состоят из цепочек соединен-
ных вершинами тетраэдров SiO
4
, связанных меж-
ду собой октаэдрами с катионом металла в их

---