marta_inj (marta_inj) wrote,
marta_inj
marta_inj

Category:

Пьезоэлектричество с химических позиций-1

Материал для 1 части - в основном из неподписанной презентации Южно-Уральского государственного университета, скорей всего, за авторством преподавателя(ей).

Два элемента – кислород и кремний – составляют более 70% массы земной коры. Это предполагает , что Si и O являются важными составляющими наиболее распространенных породообразующих минералов. Кремний в природных соединениях обычно связан с 4 атомами кислорода, которые образуют кремнекислородный тетраэдр SiO4.


В основе структурного строения всех силикатов лежит тесная связь кремния и кислорода; эта связь исходит из кристаллохимического принципа, а именно из отношения радиусов ионов Si (0.39Å) и O (1.32Å). Каждый атом кремния окружён тетраэдрически расположенными вокруг него атомами кислорода.

Радиус иона кислорода О2- в 5 раз больше ионного радиуса кремния Si4+. Когда размеры ионов отличаются так сильно, они образуют структуру, которая называется тетраэдром. Маленький ион Si4+ окружен 4 ионами О2-.

Тетраэдры SiO4 могут занимать в структуре силикатов изолированное положение, или могут быть связаны с другими тетраэдрами с образованием колец, цепочек, бесконечных плоских сеток и трехмерных каркасов, состоящих из тетраэдров.

Основной структуры минерала кварца являются кремнекислородные тетраэдры SiO4. В структуре кварца каждый тетраэдр образует связи с 4 другими тетраэдрами, в результате чего формируется трехмерная структура. Обычно кристаллы кварца имеют форму гексагональных призм, что обусловлено его внутренней структурой.

На этом рисунке показаны размеры ионов, которые слагают наиболее распространенные породообразующие минералы. Цифрами обозначен радиус ионов в Ангстрёмах (1 Ангстрём = 0.00000001см). Ионы Fe2+ и Mg2+ имеют одинаковый заряд. Кроме того, их ионные радиусы также близки. Благодаря этому сходству, Fe2+ и Mg2+ сходным образом участвуют в геохимических процессах. Если какой-либо минерал содержит Fe2+, в его структуре с большой вероятностью будет участвовать также некоторое количество ионов Mg2+.


На рисунке показано объединение кремнекислородных тетраэдров в бесконечные цепочки двумя разными способами. Каждый тетраэдр связан с двумя другими через общие атомы кислорода.

Силикаты, в структуре которых кремнекислородные тетраэдры изолированы друг от друга, называются островными силикатами или ортосиликатами (гроссуляр, оливин, в которых лишние кислородные связи замыкаются на атомы металлов).

Оливин

В структуре островных силикатов кремнекислородные тетраэдры SiO4 изолированы друг от друга. Формула оливина, который относится к островным силикатам, - (Mg,Fe)2SiO4. Чтобы нейтрализовать отрицательные заряды кремнекислородных тетраэдров SiO4 (каждый из которых имеет заряд 4-), в структуре оливина на каждый кремнекислородный тетраэдр приходится два иона Mg2+ или Fe2+.

В структуре оливина между ионами Mg2+ и Fe2+ и кремнекислородными тетраэдрами возникают ионные связи. Эти связи характеризуются одинаковой прочностью во всех направлениях, то есть в структуре оливина отсутствуют такие плоскости, в пределах которых связи были бы менее прочными.

Цепочка на той картинке содержит 18 ионов О2-. Вы, наверное, уже сосчитали, что она также содержит шесть ионов Si4+. Таким образом, отношение Si : O = 1:3. На каждый атом кремния приходится 3 атома кислорода, и ее структура может быть записана как (SiO3) -2. Лента содержит 33 иона О и 12 ионов Si. Таким образом, отношение Si4-:O2-= 4:11. В структуре ленты на 4 атома кремния приходится 11 атомов кислорода, и ее общий заряд -6. Таким образом, и цепочки и ленты кремнекислородных тетраэдров имеют некомпенсированный отрицательный заряд.
В структуре минералов не должно быть некомпенсированных электрических зарядов. Поэтому наряду с цепочками и лентами тетраэдров SiO4 в структуру минералов входят также катионы. Катионы нейтрализуют отрицательный заряд кремнекислородных тетраэдров и объединяют ленты и цепочки в общую структуру за счет образования прочных ионных связей.





Tags: Химия, Электричество
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 8 comments