В природном состоянии найдены следующие металлы:
Более сложные структуры встречаются только среди металлов и полуметаллов так называемой подгруппы В. В периодической таблице эти подгруппы включают элементы от цинка до селена, от кадмия до теллура и от ртути до полония. Из элементов подгрупп в природном состоянии известны ртуть, мышьяк, сурьма, висмут, селен и теллур.
На фиг. 13 и 14 показаны три простейших типа металлических структур. Гранецентрированный кубический и гексагональный типы плотнейших упаковок представляют два различных способа наложения друг на друга одинаковых сфер, при которых они занимают минимальный объем. На фиг. 13, б изображена плотнейшая кубическая упаковка, а на фиг. 13, а — плотнейшая гексагональная упаковка. В обоих случаях имеются слои из сфер, центры которых располагаются по вершинам равносторонних треугольников. Эти слои проходят параллельно (111) в кубической упаковке и параллельно базальной плоскости (0001) в гексагональной упаковке. Различие между структурами, построенными на основе гексагональной и кубической упаковок, обусловлено различными способами наложения отдельных слоев друг на друга.
На фиг. 15 центры сфер первого слоя помечены цифрой 1. Следующий слой сфер, помеченных цифрой 2, налагается на первый таким образом, что каждая сфера 2 соприкасается с тремя нижележащими сферами 1. При наложении третьего слоя сфер каждая сфера может быть помещена либо в положение 3, либо в положение, находящееся непосредственно над положением 1. Первый способ наложения третьего слоя призм приводит к кубической, а второй — к гексагональной структуре. Такое подробное описание этих двух типов плотнейших упаковок позволит нам свободно ссылаться на них при описании структур минералов. Известно много примеров, когда атомы кислорода в структуре минералов располагаются по принципу плотнейшей упаковки, а другие атомы занимают пустоты этой упаковки.
Третий тип структуры, показанный на фиг. 14, отвечает объемноцентрированной кубической упаковке. Каждая сфера в такой упаковке соприкасается с восемью соседними сферами, в то время как в гексагональной и кубической гранецентрированной упаковках каждая сфера соприкасается с двенадцатью сферами. Таким образом, последний тип упаковки менее плотен, чем кубическая и гексагональная плотнейшие упаковки.
Мышьяк, сурьма, висмут
Эти три полуметалла обладают более сложной структурой, чем истинные металлы. Их структуру нельзя отнести к типу структур с плотнейшей упаковкой, так как каждый атом здесь окружен шестью близлежащими атомами, причем три из них находятся от первого атома на более близком расстоянии, чем три остальных. Структура сурьмы (или мышьяка) изображена на фиг. 16. Хорошо видно, что сферы, отвечающие атомам сурьмы, перекрываются; места их пересечения отмечены пунктирными линиями. В результате каждый атом оказывается более прочно связанным с тремя ближайшими к нему атомами, что соответствует трехвалентному характеру атомов и их расположению в ряду таблицы Менделеева ближе к электроотрицательным атомам. Подобная координация атомов сурьмы обусловливает слоистую структуру (фиг. 17), в которой каждый атом (двойного) слоя лежит на одной из двух параллельных плоскостей и соединяется тремя связями, образующими ребра пирамиды, с ближайшими атомами в соседней плоскости, образующими основание пирамиды.
Структуры описываемых элементов характеризуются следующими параметрам! ячейки:
Величины d и е — это соответственно более короткие и более длинные расстояния между соседними атомами. Различия между этими величинами сильнее всего проявляются у мышьяка и меньше всего у висмута.
Эта структура может быть также описана на основе гранецентрированной ромбоэдрической ячейки, являющейся почти кубической по симметрии. Углы а такой ячейки равны 94°54' для мышьяка, 92°53' для сурьмы и 92с20' для висмута. Кристаллы этих элементов обычно описываются подобным образом, однако ячейка такой формы не является для этих структур элементарной.
Совершенная спайность всех трех кристаллов проходит параллельно {111} гранецентрированной ячейке. Подобная спайность, как это ясно видно на фиг. 16, осуществима без разрыва наиболее коротких связей. В кристаллах всех трех элементов имеется также слабо выраженная спайность параллельно {11
Селен и теллур
Структуры селена и теллура, определенные Брэдли (Bradley, 1924), относятся к тригональной сингонии и построены из бесконечных параллельных спиральных цепей атомов (фиг. 18). Менее устойчивая моноклинная модификация а-селена содержит восьмичленные кольца, аналогичные кольцам в структуре ромбической серы. Ниже приведены параметры элементарных ячеек этих двух элементов, повторно определенные Штрауманисом (Straumanis, 1940).
