Плотность химических элементов и минералов

Плотность простых веществ (химических элементов) зависит от их атомной массы, радиуса атома, а также температуры и давления. При постоянных Р-Т-условиях плотность имеет вполне конкретные значения, соответствующие изотопному составу.

Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, на долю электронов приходится 1/2000 полной массы атома. Масса ядра определяется

чассовым числом — суммарным количеством протонов и нейтронов:

Mя= (1,672р + 1,675n)10^-27 кг. Большая плотность ядра, 10¹⁴ г/см3, объясняется тем, что радиус ядра на 5 порядков меньше радиуса атома (10^-15 м и 10^-10 м) и объем ядра составляет 10^-15 объема атома.

В периодической системе элементов имеет место закономерное изменение атомных радиусов, атомной массы, плотности и упругих свойств. Атомная масса растет с атомным номером, атомные радиусы в каждом периоде обнаруживают уменьшение к середине периода, и соответственно этому уменьшению растут плотность и скорости распространения упругих волн.

Элементы, входящие в соединения с противоположными по знаку зарядами ионов (С, N, О, Р, S, Сl, F, Si), имеют на порядок отличающиеся ионные радиусы. Они в 2—5 раз меньше атомных радиусов для положительно заряженных ионов (анионов) и в 2—3 раза больше для отрицательных (катионов). Это означает, что плотность соединений больше средней плотности элементов.

Плотность минералов определяется а) средней атомной массой составляющих их элементов, б) плотностью упаковки атомов в кристаллической решетке, которая зависит от строения электронных оболочек, преобладающего типа связей между атомами. Минералы с ионной и ковалентной связями, а их большинство, в том числе все породообразующие минералы, имеют плотность в относительно нешироком диапазоне значений от 2,2 до 4,5 г/см3.

В чистом виде влияние атомной массы и плотности упаковки кристаллической решетки на плотность минералов видно на примерах изоморфных рядов и полиморфных модификаций минералов соответственно. Наиболее важный пример изменения плотности при изовалентном изоморфизме — оливины: замещение Мg⁺² на Fе⁺² приводит к увеличению плотности от 3,2 г/см3 форстерита М2SiО4. Это явление (изоморфизм) имеет место при близости атомных радиусов, параметры решетки в изоморфных рядах почти не меняются. Изменения плотности минералов в таких рядах определяются в основном атомной массой.

Влияние кристаллической структуры на плотность минералов группы силикатов видно при сравнении значений плотности минералов с различной организацией ансамблей тетраэдров Si02. Увеличение плотности идет в направлении от низкоплотных каркасных силикатов (полевых шпатов) к слоистым (серпентин), далее — ленточным (роговая обманка), цепочечным (пироксены), а наиболее плотными являются островные силикаты (оливин, гранаты).

Глубокий метаморфизм основных пород (габбро) -в условиях высоких давлений в нижней литосфере приводит к образованию плотноупакованных структур эклогитов — ассоциации клинопироксенов