Hóa học tinh thể của khoáng vật

Hóa học tinh thể giải thích cách kích thước và điện tích nguyên tử và ion, sự phối trí và loại liên kết quyết định cấu trúc mà khoáng vật hình thành và cách thành phần của chúng biến đổi thông qua sự thay thế.

Definition

Nghiên cứu các nguyên lý hóa học, đặc biệt là liên kết, kích thước ion, cân bằng điện tích và phối trí, chi phối cấu trúc nguyên tử và sự biến đổi thành phần của khoáng vật.

Scope

Chủ đề này bao gồm liên kết ion và cộng hóa trị trong khoáng vật, bán kính ion hiệu dụng, số phối trí và đa diện, các quy tắc của Pauling, nguyên lý tỷ lệ bán kính, và hóa học của dung dịch rắn bao gồm các cơ chế thay thế, ghép đôi và khuyết. Nó kết nối thành phần với cấu trúc và các tính chất vật lý và quang học tạo thành.

Core questions

• Tỷ lệ bán kính cation-anion quyết định số phối trí như thế nào?
• Các quy tắc của Pauling là gì và chúng dự đoán các cấu trúc ion ổn định như thế nào?
• Dung dịch rắn thay thế và ghép đôi mở rộng phạm vi thành phần của khoáng vật như thế nào?
• Tại sao bán kính ion hiệu dụng phụ thuộc vào số phối trí và trạng thái oxy hóa?

Key theories

Các quy tắc của Pauling

Một tập hợp các nguyên tắc liên quan đến hình học đa diện phối trí với tỷ lệ bán kính, yêu cầu tính trung hòa điện tĩnh cục bộ, giới hạn các cạnh và mặt đa diện dùng chung, và giảm thiểu số lượng môi trường cation riêng biệt, cùng nhau hợp lý hóa các cấu trúc khoáng vật ion.

Bán kính ion hiệu dụng và sự thay thế

Các bán kính ion được lập bảng thay đổi theo phối trí và hóa trị dự đoán liệu các ion có thể thay thế cho nhau trong một vị trí cấu trúc hay không, chi phối mức độ dung dịch rắn trong các chuỗi khoáng vật.

Clinical relevance

Các nguyên lý hóa học tinh thể giải thích sự phân vùng thành phần, địa nhiệt áp kế, sự hấp thụ các nguyên tố vi lượng và chất gây ô nhiễm, và thiết kế vật liệu chức năng tổng hợp, đồng thời chúng là cơ sở để giải thích hóa học khoáng vật từ phân tích vi mô.

History

V. M. Goldschmidt đã thiết lập vai trò địa hóa học của kích thước và điện tích ion vào những năm 1920; Pauling đã chính thức hóa các quy tắc của cấu trúc tinh thể ion vào năm 1929; tập hợp các bán kính ion hiệu dụng của Shannon năm 1976 đã trở thành tài liệu tham khảo tiêu chuẩn để dự đoán sự thay thế trong khoáng vật.

Key figures

• Linus Pauling
• Victor Goldschmidt
• Robert D. Shannon

Seminal works

• pauling1929
• shannon1976
• klein2007

Frequently asked questions

Dung dịch rắn trong khoáng vật là gì?

Đó là sự thay thế liên tục hoặc một phần của một ion này cho một ion khác có kích thước và điện tích tương tự trong một cấu trúc khoáng vật duy nhất, như trong chuỗi olivin từ forsterit đến fayalit.

Thay thế ghép đôi là gì?

Đó là sự thay thế đồng thời tại hai vị trí để duy trì cân bằng điện tích tổng thể, chẳng hạn như sự trao đổi NaSi cho CaAl trong chuỗi fenspat plagioclas.