Файл: Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия учеб. пособие.pdf

пие 3,4,6,8 и обычно тем больше, чем меньшеразличие в размерах ионов (или атомов). При одинаковых размерах ионов координационное число может достигать значения 12, как, например, у металлов. Каждой кон­ фигурации ионов соответствует определенное предельное отношение между радиусом катиона и аниона. При изменении этого отношения изменяется и координационное число и, как результат, тип кристал­ лической решетки. В табл. 5 показана зависимость между предельным

Т а б л и ц а 5

Различные типы координации катионов и анионов (по Бетехтину)

К у б а -о к т а э д р

— 38 —

в жидкости. Таким образом, такие важные свойства твердого вещества, как растворимость, летучесть, температура плавления и другие свой­ ства, характеризующие устойчивость соединения, целиком обусловле­ ны энергией кристаллической решетки.

§ 10. Полиморфизм и изоморфизм

Некоторые вещества (как простые, так и сложные) могут сущест­ вовать в нескольких кристаллических формах, называемых м одиф и­ кац и я м и или полиморф ными ф орм ам и . Это явление впоследствии полу­ чило название полим орф изм а (греч. poly — много, многое; morphe — форма; polymorphos— многообразный). Оно было открыто в 1821 г. немецким химиком Митчерлихом.

В молекулярных, ионных, атомных и металлических кристаллах явление полиморфизма встречается довольно часто. Например, СаС03 образует в природе минералы кальцит и арагонит с одним и тем же химическим составом, но различным внутренним кристалли­ ческим строением. Двуокись титана ТЮ2 также образует в природе два минерала — анатаз и рутил, кристаллы которых отличаются друг от друга.

Перечень подобных примеров можно легко продолжить, поскольку почти все вещества при известных условиях могут быть получены в различных кристаллических модификациях.

Модификации одного и того же вещества обычно обозначают гре­ ческими буквами а, (5, у ... в порядке повышения или понижения тем­ пературы превращения (например, а- и Р-кварц). Температура, при которой вещество переходит из одной модификации в другую, носит на­

Перестройка кристаллической структуры полиморфных веществ при изменении внешних условий объясняется сильными изменениями взаимной поляризации структурных единиц, из которых состоит кристаллическая решетка.

Явление полиморфизма имеет большое значение в технике. Так, на­ пример, а и у-железо очень резко отличаются друг от друга по механи­ ческим, магнитными другим свойствам, причем эта модификация устой­ чива при температуре свыше 910° С. Если железо, нагретое до темпе­ ратуры выше 910° С, быстро охладить, то его у-структура при этом мо­ жет сохраниться. В этом и состоит сущность закалки стали. Вновь при­ обретенная структура, не являющаяся устойчивой для данной темпе­ ратуры, может сохраняться в телах очень и очень длительное время.

Еще один пример. В природе при нормальных условиях существу­ ют две разновидности кристаллического углерода — графит и алмаз. Алмазная модификация углерода является неустойчивой для низких температур, и казалось бы по этой причине алмаз должен превратиться в графит. Однако этот процесс при обычных температурах практиче­ ски не протекает.

— 40 —

Многие вещества различного химического состава могут образовать кристаллы совершенно одинаковой формы и весьма близкие по внут­ ренней структуре. Это явление также впервые было открыто Э. Митчёрлихом в 1819 г. на солях КН2Р 0 4 и КН2Аь04 и было названо им изом ор­

ф изм ом .

Ниже приведены изоморфные ряды для некоторых веществ

MgS04 • 7Н20 —ZnSO„ • 7НгО — NiS04 • 7Н20

ИЛИ

СаСО.) — MgC03 —МпСОя и т. д.

Явление изоморфизма широко распространено в природе. Именно этим объясняется огромное разнообразие минералов и их подчас весьма сложный состав (силикаты, алюмосиликаты и многие другие).Изоморф­ ные вещества могут кристаллизоваться совместно, с образованием сме­ шанных кристаллов, например, хромовые и алюминиевые квасцы и др.

Рассматривая явление образования смешанных кристаллов, А. Е. Ферсман дает следующую формулировку правила изоморфизма:

элемент ы м огут зам ещ ат ь д р у г д р у га в крист аллических пост ройках, когда они принадлеж ат к одном у и т ом у же сост оянию реш ет ки и ког­

да ради усы их ионов (или ат омов) являю т ся близким и д р у г д р у гу .

На явление изоморфизма большое влияние оказывает также спо­ собность ионов к поляризации. При изоморфных замещениях поляри­ зационные свойства взаимозамещаемых ионов должны быть близкими. Если же это условие не выполнено, то даже при равенстве ионных ра­ диусов получить изоморфные смеси не удается.

Огромная заслуга в изучении явления изоморфизма принадлежит советским ученым — кристаллохимикам В. И. Вернадскому, А. Е. Фер­ сману, А. В. Шубникову и другим, а из зарубежных ученых — Гольд­ шмидту.

§11. Глинистые минералы, их строение, свойства

изначение в почвоведении

Почва более чем на девяносто процентов состоит из минеральных компонентов и содержит основной запас питательных веществ для рас­ тений. Почва является полидисперсной системой и имеет довольно сложный механический, минералогический и химический состав. В ка­ честве примера в табл. 6 приведен средний химический состав твердой фазы почвы (по А. П. Виноградову).

Как видно из таблицы, почти половина твердой фазы почвы прихо­ дится на кислород, одна треть — на кремний, свыше 10% — на алюми­ ний и железо и только 7% — на все остальные элементы. Из всех пере­ численных элементов.только азот (а также частично углерод, водород, кислород, фосфор и сера) содержится в органической части почвы. Все остальные элементы приходятся на минеральную часть почвы,

41