Зависимость физических свойств минералов и других кристаллических веществ от электроотрицательности составляющих атомов

2.6. Зависимость физических свойств минералов и других кристаллических веществ от электроотрицательности составляющих атомов

Теоретические предпосылки использования электроотрицательности для объяснения механической, термической стабильности и других свойств минералов вполне очевидны. Характеризуя энергию связи электронов у атомов, вступающих в химическое взаимодействие в соединениях, параметры электроотрицательности могут определять энергию и соответственно прочность образующихся связей и стабильность соединений. При этом речь идет, разумеется, о координационных кристаллических соединениях с сильными межатомными связями (ионного, ковалентного или металлического типа).

Как известно, существуют многочисленные методы оценки и системы электроотрицательностей атомов (Бацанов, 1986; 2000), поэтому выбор соответствующей системы был далеко не простым. В результате испытания различных вариантов выяснилось, что для наших целей наиболее естественной и подходящей оказалась система, в которой электроотрицательность имеет размерность энергии (коль скоро речь идет об энергетическом подходе к оценке свойств кристаллов). Кроме того, эта система должна учитывать конкретные валентности атомов (см. раздел 1.2.2). Обоим указанным критериям вполне удовлетворяет предлагаемая автором система электроотрицательностей (таблица 2.15) и не удовлетворяют другие системы. Так, в системе Жанга (Zhang, 1982), учитывающей валентности металлов и неметаллов, электроотрицательность имеет размерность силы. А в системе Мартынова и Бацанова (Мартынов, Бацанов, 1980), в которой также учитывается валентность атомов, электроотрицательность имеет размерность корня квадратного из энергии, как и в оригинальной системе Полинга (Pauling, 1960). Заметим, кстати, что в последней, как и во всех системах кристаллических электроотрицательностей по С. С. Бацанову, не указывается валентность неметаллов, что, по нашему мнению (см. раздел 1.2.2), является серьезным упущением.

Используя величины электроотрицательностей атомов в соответствующих валентных состояниях из таблицы 2.12 и данные о различных физических свойствах гомоатомных кристаллов из источников, приведенных в разделе 2.1, были построены корреляционные зависимости (рис. 2.67-2.84) с выводом следующих формул: твердости (относительной по минералогической шкале Н_М и абсолютной HV по Викерсу), температуры плавления (Т_пл., К), скорости звука в кристаллах (v), температурных коэффициентов линейного (α_l) и объемного (α_v) расширения, объемной сжимаемости (B), теплопроводности (λ), удельного сопротивления (ρ), модулей Юнга (Е), сдвига (G) и всестороннего объемного сжатия (К), работы выхода электрона (φ), свободной поверхностной энергии (E^s_hkl), пограничной межатомной плотности (ρ_min), максимальной частоты колебания атомов (v_m) и грамм-атомной теплоемкости для стандартных условий (С_р).

Обратим внимание на то, что в выведенных формулах, обеспечивающих довольно высокие параметры достоверности аппроксимации R², фигурируют различные электроотрицательности (таблица 2.12): относительные (безразмерные) в шкале Жанга-Полинга (ЭО), удельные массовые (ЭО МДж/г) и удельные объемные (ЭО МДж/см³ или ЭО кДж/см3). Именно поэтому размерности электроотрицательностей указаны в формулах (что обычно не практикуется в научных изданиях). Использование удельных величин электроотрицательностей повышает достоверность аппроксимации R2, что следует из сравнения двух формул максимальной частоты колебаний атомов в кристаллах (рис. 2.82 и 2.83). Понятно, что получение удельных электроотрицательностей в соответствующих единицах возможно лишь при условии, если исходная электроотрицательность имеет размерность энергии (эВ). По этой причине и была выбрана шкала энергетических (ионизационных) электроотрицательностей атомов (таблица 2.12).

Предлагаемые формулы с достоверностью до 80-90% позволяют оценивать свойства гомоатомных координационных кристаллических соединений.

Оценка свойств более сложных гетероатомных кристаллических соединений с применением электроотрицательностей атомов в принципе также возможна, но представляет отдельную самостоятельную проблему, которая здесь подробно не рассматривается и будет продемонстрирована лишь на двух примерах - вычисления твердости и температуры плавления.

Для оценки твердости гетероатомных кристаллических соединений необходимо внести следующие два изменения в формулу (2.110). Во-первых, в качестве параметра электроотрицательности сложного соединения рекомендуется вычислять среднегеометрическую величину <ЭО> из электроотрицательностей атомов, образующих это соединение. Например, для кристалла А_nB_m <ЭО> = (ЭОⁿ_A∙ЭО^m_B)^1/(n+m). И, во-вторых, в силу различия электроотрицательностей атомов гетероатомного соединения и соответственно отклонения химической связи от ковалентного типа предлагается учесть степень ковалентности в форме соответствующего параметра р*, и формула (2.110) трансформируется в формулу:

H_M = 0,75ЭО3р*. (2.128)

В результате многочисленных расчетов было установлено, что р* = (1-f_i²)^1/2 для кристаллов, удовлетворяющих условию 0,6≤f_i<1, и р* = (1-f_i) для кристаллов, удовлетворяющих условию 0,6>f_i>0 (f_i - степень ионности соединений).

Важно подчеркнуть, что обе формулы, строго говоря, применимы к координационным кристаллам с ковалентными, ионными и металлическими межатомными связями и не применимы к молекулярным соединениям, обладающим островным, цепочечным или слоистым мотивами структур. По известному кристаллохимическому правилу твердость подобных кристаллов определяется прочностью слабых молекулярных связей, поскольку при разрушении таких кристаллов прочные межатомные связи не нарушаются.

В качестве примера вычислим твердость форстерита Mg₂SiO₄, который лишь формально относится к островным силикатам, а фактически является сложным координационным кристаллическим соединением. Приняв ЭО(Mg) = 1,44, ЭО(Si) = 1,84, ЭО(O) = 3,27 и f_i = 0,7, находим <ЭО> = (1,44²x1,84x3,27⁴)^1/7 = 2,38 и далее по формуле (2.128) - Н_М = 0,75x2,38³(1-0,72)^1/2 = 7,2 что находится в удовлетворительном согласии со справочной величиной (около 7,0 по разным источникам).

В случае циркона ZrSiO₄ c параметрами ЭО(Zr) = 1,43, ЭО(Si) = 1,84, ЭО(О) = 3,27 и f_i = 0,8 находим <ЭО> = (1,43x1,84x3,27⁴)^1/6 = 2,59 и Н_М = 7,8, что близко к справочной твердости циркона (7,5).

И еще один, более сложный пример. Для гроссуляра Ca₃Al₂Si₃O₁₂ с использованием ЭО(Са) = 1,14, ЭО(Al) = 1,58, ЭО(Si) = 1,84, ЭО(О) = 3,27 и f_i = 0,7 находим <ЭО> = 2,38 и Н_М = 7,2 (справочная твердость 7-7,5). Другие примеры вычисления твердости кристаллов по предлагаемой методике приведены в таблице 2.13.