1. GEOL 3056 Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Lect.dr. Barbara Soare
Chimismul scoartei terestre Structura tabelului periodic Legaturi in cristale Raze atomice si ionice Coordinari Tipuri de impachetari
Klein, 1993: capitolul 4
3 Bonding forces

2. De ce ne interesează chimismul cristalelor?
Compoziția chimică a cristalelor determină multe dintre proprietățile lor
Structura și proprietățile chimice ale atomilor sunt fundamentul chimiei cristalelor
Un numar restrâns de elemente compun mineralele ce formeaza asociațiile majore din roci

3. Chimismul major al Pamântului
SiO2 – 45%
MgO – 37%
FeO – 8%
Al2O3 – 4%
CaO – 3%
altele – 3%
Fe – 86%
S – 10%
Ni – 4%
Liu L. & Bassett W.A (1986) Elements, Oxides, Silicates: High pressure Phases with Implications for the Earth’s Interior. Oxford University Press, New York.

4. Compoziția globală a crustei terestre

5. Atomul Modelul Bohr Modelul Schrodinger Nucleul
- nucleul concentreaza masa atomica
- este compus din particule incarcate (+) (protoni) si particule neutre (neutroni)
“Norul” electronic (invelisul de electroni)
- electronii au masa neglijabila (1/1837 din masa protonului)
- ocupa spatiul din jurul nucleului definind raza atomica
- controleaza legaturile chimice
Diferenta fundamentala intre atomi consta in sarcina nucleului. Atomii aceluias element cu nr. diferit de neutroni poarta denumirea de izotopi
10 Å = 1 nm = 10-9 m = 10-6 mm = 10-3 μm

6. Structura tabelului periodic
Nr. é din ultimul strat
Gaze nobile
Anioni
Metale tranzitionale
Nivele energetice (strate) completate

7. Ioni, potențial de ionizare stări de valență
Cationi – elemente care pierd electroni de pe ultimul strat pentru realizarea configuratiei stabile (metale)
Anioni – elemente care acceptă electroni pentru realizarea configurației stabile (nemetale)
Potențial de ionizare – energia necesară smulgerii unui electron din stratul de valență
Electronegativitatea – o masura a forței cu care un nucleu atrage electronii din ultimul strat
Stări de valență (stări de oxidare) – configuratia ionica obisnuită a unui element, determinată de numărul de electroni disponibili pentru realizarea legăturilor chimice
Potentialul de ionizare determina unele proprietati chimice - Pauling dezvolta un nou concept - electronegativitatea

8. Electronegativitatea reprezintă capacitatea unui atom de a atrage é.
GEOL Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Linus Pauling
Premiul Nobel pt. chimie 1954
Premiul Nobel pentru pace 1962
(testele atomice)
Electronegativitatea reprezintă capacitatea unui atom de a atrage é.
halogenii au cele mai mari valori ale electronegativității
metalele alcaline au cele mai mici valori si există elemente cu aceeasi valoare a electronegativitatii.
Electronegativitate scazuta → cedeaza é
Electronegativitate ridicata → accepta é
1939: Metoda de estimare a caracterului ionic (%)
Electronegativitatea
3 Bonding forces

9. Electronegativitatea (scade în grupă & crește în perioadă)
GEOL Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Electronegativitatea (scade în grupă & crește în perioadă)
metale- EN<
nemetale
EN>
Acceptori
Donori
NOTA: gazele nobile au electronegativitate zero→stabile
3 Bonding forces

10. Tipuri de legături în cristale (bonding forces)
GEOL Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Tipuri de legături în cristale (bonding forces)
Legăturile dintre atomi sunt de natură electrică;
Tipul de legatură este responsabil de proprietățile fizice și chimice ale mineralelor: duritate, clivaj, temperatura de topire, conductivitate electrică, termică, proprietăți magnetice, compresibilitate, etc…
Legăturile puternice produc:
-duritate ridicată;
-temperatură de topire ridicată;
-coeficient de expansiune termică mai scăzut.
Principalele tipuri de legături:
Ionică
Covalentă
Metalică
Van der Waals
legatura de Hidrogen
3 Bonding forces

11. Tipuri de legături în minerale
GEOL Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Tipuri de legături în minerale
Legatura ionică
Cedare sau acceptare de é pentru a obtine configuratie stabila (gaz nobil) → completarea stratul de valenta
Ex: Na: Z=11: 1s2 2s2 2p6 3s1
Devine ion pozitiv prin cedarea unui é
Ex2: Cl: Z=17: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
Devine ion negativ prin acceptarea unui é
2 atomi neutrii
2 ioni incarcati (+) si (-) care formeaza NaCl
3 Bonding forces

12. Tipuri de legături în cristale (bonding forces)
GEOL Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Tipuri de legături în cristale (bonding forces)
Legatura covalentă
→obținerea configurației de gaz nobil prin punere în comun de é
Ex.: Carbon, C
Legatura covalentă a diamantului
3 Bonding forces

13. Tipuri de legături în cristale (bonding forces)
GEOL Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Tipuri de legături în cristale (bonding forces)
Legatura metalică
Nuclei atomici si electronii de valenta care formeaza “nori electronici”
Electronii se mișcă liber în structură
Proprietăți:
Conductivitate electrică ridicată
Plasticitate >
Cristale translucide sau opace
Bulinele rosii = nuclee
Punctele negre = electronii mobili
3 Bonding forces

14. Tipuri de legături în cristale (bonding forces)
GEOL Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Tipuri de legături în cristale (bonding forces)
Legatura tip van der Waals :
Legătură slabă datorată unor sarcini moleculare reziduale.
Ex.: grafit, filosilicați
Johannes Diederik van der Waals
(Premiul 1910 Nobel pentru Fizica)
3 Bonding forces

15. Tipuri de legături în cristale (bonding forces)
GEOL Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Tipuri de legături în cristale (bonding forces)
Legatura de Hidrogen- legatură electrostatică (polară) între ioni de H- încărcați pozitiv și ioni încarcati negativ O2- și N3- Hydrogen 1p + 1é ! Când H pierde electronul catre un atom cu electronegativitate puternică, protonul rămas se poate lega slab de ioni negativi sau de molecule polare! Ex. gheață (apă) & grupari (OH)-
3 Bonding forces

16. Tipuri de legături în cristale (bonding forces)
GEOL Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Tipuri de legături în cristale (bonding forces)
Ex. apa
Legătura de H
3 Bonding forces

17. Cristale cu mai multe tipuri de legături
GEOL Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Cristale cu mai multe tipuri de legături
Covalent bond
Van der Waals bond
Grafit
(C)
3 Bonding forces

18. Raze atomice și ionice NOTE: 100 pm = 10 nm = 1 Angstrom
GEOL Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Raze atomice și ionice
Razele atomice sau ionice sunt dificil de estimat sau de masurat experimental;
Raza unui atom este definita de densitatea maxima de sarcina a stratului exterior (distanta maxima de nucleu fiind data de locul geometric al electronului (-nilor) de pe ultimul strat);
raza efectiva a unui atom (ion) depinde si de tipul si numarul atomilor vecini
Intr-un cristal metalic pur, in reteaua caruia sunt legati atomi identici, raza unui atom individual este considerata ca fiind jumatatea din distanta dintre 2 atomi legati.
NOTE: 100 pm = 10 nm = 1 Angstrom
3 Bonding forces

19. Raze atomice și ionice
raza atomica creste in grupa si scade in perioada
raza ionica creste in gupa
raza unor ioni cu aceeasi sarcina scade in perioada
raza ionica creste cu cresterea numarului de coordinare
raza ionica a unui atom scade odata cu cresterea sarcinii
cationii sunt de obicei mai mici decat anionii
(numar atomic)

20.  hărți de densitate atomică
Determinarea razei ionice
Difracția de raze X
 hărți de densitate atomică
Rază relativă – raportul dintre raza cationului (RA) si raza anionului (RX)

21. Impachetări Impachetare primitiva (spatii insuficient acoperite)
Impachetare compactă (acoperire eficientă a spațiului)

22. Impachetări
Goluri tetraedrice
Goluri octaedrice

23. hexagonala compacta ABAB... cubica compacta ABCABC...
Impachetări
strat A A
strat B B C
strat C
Impachetare
hexagonala compacta ABAB...
cubica compacta ABCABC...

24. coordinare tetraedrica coordinare octaedrica
Impachetări și coordinări
coordinare tetraedrica
(4 anioni, NC=4)
coordinare octaedrica
(6 anioni, NC=6)

25. Coordinări Coordinare octaedrică in jurul ionului Cl-
GEOL Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Coordinări
Când ioni de sarcini opuse se unesc într-o rețea, fiecare ion are tendința de a se înconjura sau a se coordina cu cât mai mulți ioni posibil, de sarcină opusă.
Convenții:
Forma ionilor se consideră a fi sferică;
Ionii de coordinare sunt dispuși față de un ion central a.î. centrele lor se dispun în colțurile unui poliedru
Poliedrul de coordinare al halitului (NaCl) (ioni în aranjament cubic)
Și Na+ și Cl- sunt în coordinare ( NC 6)
Coordinare octaedrică in jurul ionului Cl-
3 Bonding forces

26. Raportul razelor cation/ion indica numarul de coordinare
GEOL Crystal chemistry and the geochemistry of mineral systems JHSchellekens
Tipuri de coordinări
Raportul razelor cation/ion indica numarul de coordinare
3 Bonding forces

27. tetraedru de coordinare TO4 octaedru de coordinare MO6
Coordinări. Poliedrii de coordinare
tetraedru de coordinare TO4
T = Si, Al
octaedru de coordinare MO6
M = Al, Mg, Fe2+, Fe3+ , Ca, Na, K

28. Valențe și coordinări

29. Rețele Bravais
Configuratia atomica determina geometria celulei elementare:
Primitive = atomi doar in colturi
Centrat = atomi in colturi si in centru
Fete centrate = atomi in colțuri și în centrele a 2 sau mai multe fețe
Relatiile axiale determina 6 clase de celule elementare (sisteme cristalografice)

30. Poliedre de coordinare și celula elementară
Nu sunt acelas lucru!
Poliedrii de coordinare sunt conținuți în celula elementară
Configurația poliedrilor de coordinare păstrează simetria caracteristică sistemului de cristalizare
Halit (NaCl) - celula elemetara si poliedrul de coordinare

31. Celula elementară
Celula elemetara este folosita in sistematica mineralelor
Celula elementara (unit cell, latice):
unitate repetitivă
Proporțiile relative ale elementelor în celula elementară sunt indicate în formula chimică
Sfalerit (Zn,Fe)S

32. Celula elementară Conventii:
Simetria cristalului repetă simetria celulei elementare
Cristalele apar sub forme si dimensiuni variabile si pot exprima sau nu simetria reticulara in functie de contitiile termodinamice in care s-a format
(contur euhedral, subhedral, anhedral)
Conventii:
1. Muchiile coincid cu axele sau planele de simetrie
2. Se alege unitatea cea mai redusă

33. (Compositional variation in minerals)
Următorul curs
Izomorfism
Solutii solide
(Compositional variation in minerals)
Klein, 1993: capitolul 5, p