|
Выяснить строение химического соединения — значит установить, как связаны между собой атомы. Инерция мысли заставляла ученых задумываться над строением молекулы, так как они предполагали, что мельчайшей частицей, сохраняющей свойства данного вещества, является молекула. Согласно такому взгляду, атомы должны входить в молекулы, из которых состоят минералы. Было высказано много предположений, но ни одно полностью не могло объяснить особенностей строения и свойств природных кремнекислородных соединений.
Наиболее распространенным было мнение, что кремнекислородные соединения, слагающие земную кору, являются производными одной или нескольких кремниевых кислот. Поэтому эти соединения получили название силикатов, т. е. солей кремниевой кислоты. Например, ортокремниевая кислота имеет формулу H4Si04, ее магниевая соль — Mg2Si04. Формула метакремниевой кислоты H2SiOs, ее магниевая соль — MgSi03. Для объяснения сложного состава многих минералов-силикатов было предложено большое число формул гипотетических кремниевых кислот.
Но все они не могли дать удовлетворительного объяснения, потому что в природе простые кремниевые кислоты неизвестны, а соединения, которые по формальным признакам относили к кислотам, были на них совсем не похожи. Так, например, некоторые ученые рассматривали глину как алюмокремниевую кислоту. Затруднения с расшифровкой химического строения минералов-силикатов исторически закономерны и обусловлены невысоким уровнем знаний о строении вещества.
Подавляющее большинство минералов имеют кристаллическое строение. Его главной чертой является упорядоченное расположение материальных частиц, образующих это вещество. Когда-то кристаллографы предполагали, что молекулы кристаллических тел имеют определенную форму, благодаря чему и образуются кристаллы — природные многогранники. Но в начале ХХ в. было сделано открытие, которое вооружило ученых ценным методом исследования и позволило пересмотреть взгляды на строение кристаллических веществ.
В 1912 г. немецкий физик Лауэ обнаружил явление дифракции рентгеновских лучей, пропускаемых через кристалл. Это происходит в силу того, что длина волн этих лучей близка к расстоянию между атомами в кристаллическом веществе. Было установлено, что в кристалле атомы располагаются на строго определенных расстояниях между собой. Таким образом появилась возможность определить межатомные расстояния и так называемый эффективный радиус атома.
Представим строение атома в пространстве. Вокруг ядра, в котором сосредоточена основная масса атома, вращаются по сложным орбитам (орбиталям) электроны. По образному выражению американского физика Г. Сиборга, если атом был бы величиной со стадион, то ядро имело бы размер футбольного мяча, а электроны — размеры мух, летающих над футбольным полем. Таким образом, вокруг каждого ядра имеется определенная сфера действия, внутрь которой другой атом не может проникнуть. Радиус этой сферы называют атомным или, если это относится к заряженному атому (иону), ионным. Величина радиуса очень мала и измеряется стомиллионными долями сантиметра (10~8 см) или нанометрами (нм) — миллиардными долями метра (10-в м).
Рентгеноструктурные исследования позволили обнаружить, что минералы, слагающие земную кору, состоят из расположенных в определенном порядке и бесконечно повторяющихся атомов или ионов. Хотя химический состав минералов мы пишем в виде молекулярной формулы, но в действительности молекул как обособленных материальных частиц в природных кристаллах обычно не существует. Так, например, соединение самых распространенных элементов в земной коре — кислорода и кремния — имеет формулу Si02. Но это не означает, что кристаллическое вещество, имеющее такой состав, будет состоять из молекул Si02. Его структурную формулу можно изобразить так:
Таким образом, необходимость в молекулярной теории состава силикатов отпала, а вместе с тем исчезла потребность в умозрительном конструировании гипотетических кремниевых кислот. Но одновременно возник вопрос: как связаны атомы в тех химических соединениях, которые образуют земную кору?
|