КРИСТАЛЛОХИМИЯ

Кристаллохимия — наука, изучающая зависимость между химическим составом, структурой кристалла и комплексом его химических, физических и биологических свойств. Как и всякая наука, она имеет свои методы, язык и законы.

Главный метод кристаллохимии — рентгеноструктурный анализ. С его помощью определено более 40 тыс. кристаллических структур — пространственных расположений атомов (ионов, молекул) в кристалле, характеризующихся конкретными значениями межатомных расстояний и валентных углов.

Языком кристаллохимии служат термины кристаллографической симметрии. И это не удивительно: ведь кристаллохимия возникла на стыке двух наук — химии и кристаллографии. Существуют 32 вида симметрии кристаллов (многогранников), которые обобщены в 7 систем — сингоний: триклинную, моноклинную, ромбическую, тригональную, тетрагональную, гексагональную и кубическую (см. рис.). Первые три сингонии относят к низшей, три следующие — к средней и последнюю (кубическую) — к высшей категории.

Есть в кристаллохимии два основных закона, сформулированные В. М. Гольдшмидтом (Норвегия) и А. Ф. Капустинским (СССР). Эти законы говорят о факторах, определяющих структуру и энергию кристалла. Имеется и ряд кристаллохимических закономерностей, например «пять правил Полинга», названных по имени американского ученого Л. К. Полинга и отражающих принципы построения сложных ионных кристаллов (см. Химическая связь). Сформулированы также принципы структурной организации кристаллов отдельных классов соединений: принцип плотнейшей упаковки молекулярных кристаллов (А. И. Китайгородский), принцип определяющей роли крупных катионов в построении силикатных структур (Н. В. Белов) и др.

По объектам изучения выделяют неорганическую и органическую кристаллохимию, кристаллохимию белков и реже — жидких кристаллов.

В 1925—1930 гг. были определены структуры силикатов — кремнекислородных минералов, слагающих 80% земной коры. Оказалось, что все они принадлежат к четырем структурным классам: островные, цепочечные, слоистые и каркасные.

С 1930-х гг. в кристаллохимии принято подразделять все кристаллы на гомодесмические (с одинаковым типом связи между атомами) и гетеродесмиче-ские (с разными типами связи). Примером первых могут служить кристаллы алмаза, примером вторых — графита. Однако в последнее время доказано, что абсолютно гомодесмических кристаллов не существует, поскольку даже в алмазе не все атомы углерода связаны одинаково.

Характерный признак кристалла — упорядоченное периодическое расположение составляющих его частиц (атомов, ионов, молекул). Оно отражено в понятиях кристаллической решетки и ячейки. На рисунках видно, что решетка - трехмерный план расположения атомов в структуре кристалла.

Многие физические и химические свойства кристаллов зависят от наличия в их структуре дефектов (вакансий, примесей, дислокаций и др.), вызванных условиями роста кристаллов (среда, температура, давление) в природе, лаборатории, промышленных установках. Дефекты могут ухудшать качество материалов. Но иногда они просто необходимы. Так, в начале 1960-х гг. с целью получения материалов, требующихся для создания квантового генератора — мазера, в лабораториях активно «искажали» структуру CaWO4, вводя в нее ионы Но3+ , Тm3+ и др.

Кристаллохимия имеет важное практическое значение. С ее помощью получены высокотемпературная сверхпроводящая керамика, твердые электролиты и многие другие материалы. Ее теоретические выводы оказывают влияние на развитие химии и физики твердого тела, геохимии, минералогии и материаловедения.