 |
Понятие о структуре кристаллов.
|
|
|
|
Под структурой кристаллов понимается закономерное расположение материальных частиц (атомов, молекул, ионов) внутри кристаллохимического вещества.
Для описания порядка расположения частиц в пространстве их начали отождествдять с точками. Из такого подхода постепенно сформировалось представление о пространственной или кристаллической решетке кристаллов минералов. Ломоносов, Гаюи, Браве, Федоров заложили основы геометричемкой теории строения кристаллов.
Пространственная решетка – это бесконечное трезмерное периодическое образование, элементами которого являются узлы, ряды, плоские сетки, элементарные ячейки. Главная особенность кристаллохимических структур – закономерная повторяемость в пространстве узлов, рядов и плоских сеток.
Узлы пространственной решетки называется точки, в которых располагаются материальные частицы кристаллического вешества – атомы, ионы, молекулы, радикалы. (Ао; В1 …).
Ряды пространственной решетки – совокупность узлов лежащих вдоль прямой и периодически повторяющиеся через равные промежутки: Ао А1…А – ряд пространственной решетки.
Плоская сетка пространственной решетки – совокупность узлов, расположенных в одной плоскости и находящиеся в вершинах равных параллелограммов, ориентированных параллельно и сложным по целым сторонам.
Элементарная ячейка пространственной решетки – называется минимальный по объему параллелипипед образованные системой 3-х взаимопересекающихся плоских сеток.
14 типов решеток Бравэ.
В 1855 г. О. Бравэ вывел 14 пространственных решеток, рознящихся по формам элементарных ячеек и симметрии. Они представляют из себя закономерное повторение узлов пространственной решетки. Эти 14 решеток группируются по сингониям
|
|
|
Любая пространственная решетка может быть представлена в виде параллелипипедов повторяемости, которые перемещаясь в пространстве в направлении его ребер и на их величину формируют бесконечную пространственную решетку.
Параллелипипеды повторяимости (элементарные ячейки решеток Бравэ) выбирая по следующим условиям:
1. сингония выбранного параллелипипеда
2. число равных ребер и углов между ребрами параллелипипеда должны быть максимальными
3. при наличии прямых углов между ребрами параллелипипеда их число должно быть наибольшим
4. при соблюдении первых 3-х условий объем параллелипипеда должны быть наименьшим.
При выборе элементарной ячейки пользуются уже известными правилами установки кристаллов;
Ребра ячейки – это кратчайшее расстояние вдоль координатных осей между углами решетки.
Для характеристики внешней формы элементарной ячейки используются величины ребер ячейки а, в, с и углы между этими ребрами α, β, γ
Кубическая – форма элементарной ячейки соответствует кубу.
Гексагональная – гексагональная призма с пинакоидом.
Тригональная – ромбоэдр.
Тетрагональная – тетрагональная призма с пинакоидом.
Ромбическая – кирпичик.
Моноклинальная – параллелепипед с одним косым углом и 2-мя другими прямыми.
Триклинная – косоугольный параллелепипед с неравными ребрами.
В соответствии с расположенными дополнительных узлов решетки в различных частях ячеек, все решетки подразделяются на:
Примитивную (Р);
Базоцентрированную (С);
Объемноцентрированную (У);
Гранецентрированную (F);
Координационное число и координационный многогранник.
Число атомов (ионов противоположного знака), составляющих ближайшее окружение данного атома (иона), называется его координационным числом (Кч), а геометрическая фигура, получаящаяся при соединении центров этих атомов (ионов) прямыми линиями – его координационным многогранноком (Км).
|
|
|
Например: 1. структура поваренной соли – (NaCI) – Кч Na – 6, КМ – октаэдр.
2. структура алмаза (С) – Кч -4, КМ – тетраэдр.
3. структура флюорита (Ca F2) Кч – 8, КМ – гексаэдр, Кч – 4, КМ – тетраэдр.
В структурах одному и тому же координациноому числу могут соответствовать различные координационные многогранники.
Например: Кч-4 – тетраэдр и квадрат.
Кч КМ
1 точка
2 гантель
3 треугольник
4 тетраэдр (квадрат)
5 октаэдр (тригональная призма)
6 гексаэдр
7 кубооктаэдр.
3. Важнейшие свойства кристаллов.
Теория о решетчатом строении кристаллов была разработана с помощью математического анализа кристаллографами Бравэ, Зонке, Федоровым и т.д. применение рентгеновского анализа подтвердило опытным путем правильность их умозрительных построений.
Все кристаллические вещества обладают рядом характерных свойств, обусловленных внутренним строением кристаллов.
К ним относятся: однородность, анизотропность, способность самообраняться, определенные физические константы, связанные с разрушением кристаллохимической решетки (t плавления = const).
Однородность - это свойство проявляется в том, что два элементарных объема кристаллического вещества, одинаково ориентированные в промтранстве, но вырезанные в разных точках этого вещества, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: по цвету, удельному весу, твердости, электропроводности, оптическим свойствам и т.д.
Необходимо иметь в виду, что реальные кристаллохимические вещества очень часто содержат постоянные примеси и включения, искажающие их кристаллические решетки, поэтому абсолютной в реальных кристаллах не бывает.
Анизотропность.
При изучении кристаллической решетки можно убедится, что расстояние между составдяюшими ее частицами в параллельных и не в параллельных рядах различны. Отсюда появляются 8 физических свойств кристаллов в зависимости от направления рядов решетки. К ним относятся: твердость, оптические свойства – дихронизм у кордлерита, двупреломления у кальцита (исландский шпат); спайность – слюда и т. д.
Способность самоогранятся – это свойство кристаллов образовывать грани при свободном их росте, причем грани нарастают параллельно самим себе, в результате чего исчезают некоторые грани и увеличиваются за счет них площадь первых граней.
|
|
|
Так, если вытаченный из кристаллического вещества шарик поместить в его пересыщенный раствор, то шарик через некоторое обретет первоначальную кристаллическую форму. Стеклянный шар такой способности не имеет. Способность самоогранятся присуща только кристаллическим вещесвам
Физические свойства
Оптические
1. Светопреломление – способность минерала изменять ход световых лучей, обусловленная строением кристаллической решетки, проявляемая в прозрачных минералах, и изучаемая только в них. Используется в микроскопах, лазерах (рубин, флюорит, кальцит, исландский шпат). Например: кальцит – исландский шпат: n=sin a/sin b – угол падения/угол отражения.
2. Светоотражение – способность минерала отражать часть световых лучей (блеск).
Различают 4 главных блеска:
1) стеклянный (кварц);
2) алмазный (циркон, сфалерит);
3) полуметаллический (киноварь, ильменит)
4) металлический (пирит, халькопирит).
Блеск определяется на гранях или плоскостях спайности. В агрегатах различают следующие разновидности блеска:
1) шелковистый (селенит, параллельные волокнистые агрегаты);
2) перламутровый (слоистые, листовитые агрегаты);
3) матовый (нет блеска, глинистые минералы);
4) жирный (на сколах кварца, нефелина)
R-коэффициент отражения = Y0/Yp, где Y0- отражающий световой поток, а Yp- облегающий световой поток.
3. Светопоглощение – способность минерала пропускать или задерживать световой луч. Зависит от химического состава и строения кристаллической решетки:
1) прозрачная (горный хрусталь);
2) полупрозрачный (флюорит);
3) непрозрачный (рудные минералы).
4. Окраска – способность минерала поглощать свет определенной длины, волны, в результате чего образуется изнутри свет, лишившийся ряда волн, окрашивает минерал в тот или иной дополнительный цвет.
Причина:
1) природа образующих минералов атомов;
2) их координации;
|
|
|
3) поляризационными свойствами;
4) типом структуры.
Выделяют группы цветов:
1) идиохроматическая («идиос» - свет собственный, «хромос» - цвет). Ti, V, Cr, Mn, Fe2+, Fe3+, Ca, Ni, Cu, и в меньшей степени Nb, Ma, U, Th.
Окраска обусловленная вхождением в минерал элементов – хромофоров. Cr 3+ - изумрудно-зеленая уваровита Fe2+- черная магнетита; Fe3+- красная, бурая гематита.
2) аллохроматическая («аллос» - чужой) – окраска, не свойственная самому минералу, зависит от вхождения в него механических примесей (авантюрин – золотистый кварц, из-за гематита).
3) псевдохроматическая («псевдо» - ложный) – окраска, не свойственная самому минералу, и зависит от:
a) дефектов кристаллической решетки (иризация – лабрадор, лунный камень);
в) образования пленки выветривания на поверхности минерала (побежалость – радужная халькопирит, ильменит, вольфрамит).
5. Цвет черты – цвет минерала в порошке. С твердостью больше 7 – черты не дают (бисквит – твердость = 7). Характерный признак для класса окислов, типа, сульфидов.
Механические
1. Твердость – способность минерала сопротивляться внешнему механическому воздействию. Зависит от:
- строения кристаллической решетки (самая маленькая твердость – слоистые силикаты; самая большая – каркасные силикаты и окислы);
- от типа химической связи (самые твердые - с ковалентными и ионными типами связи – алмаз; самая низкая – молекулярная – графит).
Различают 2 типа твердости:
1. Абсолютная – измеряется в кг/см2 и определяется как давление алмазной пирамидки на грань кристалла – минерала. Самая высокая твердость у алмаза (на истирание), но очень хрупкий. Р
 | |||||||
 | |||||||
 | |||||||
 |
2. Относительная – определяется относительно предметов путем царапания. Твердость измеряется от 1 до 10 и приспособлена для минералов:
1. Шкала Мооса.
2. Иголочки – Al – 2 – 2,5
Cu – 3 – 3,5
Латунь – 4 - 4,5
Fe – 5 – 5,5
Стальная – 6 – 6,5
Твердость всегда определяется на гранях кристалла. В агрегатах твердость будет ниже.
2. спайность – способность минерала раскплываться по определенным кристаллохимическим направлениям, обусловленная строением кристаллической решетки и типом химической связи.
1) весьма совершенная (графит)
2) совершенная (кальцит, полевые шпаты), проявляется как зеркальные, ровной поверхности на сколе. Не путать с гранями кристаллов. Может быть в нескольких направлениях (сфалерит – 8, кальцит – 7).
3) средняя (ортоклаз) – минералы дают при сколе наряду с ровными и неровными поверхностями.
4) несовершенная (кварц, нефелин) – отсутствие спайности. Сколы исключительно не ровные, зернистые, раковистые.
|
|
|
Правило Браве – спайность проходит параллельно
3. излом – способность минерала при раскалывании давать ровную или не ровную поверхность.
1) неровный (опатит, зернистый)
2) ступенчатый (ровный
Магнитные свойства
Магнитные свойства минералов определяются магнитными свойствами, составляющих их атомов и магнитной структурой минералов (расположение атомов). По существу, все минералы являются магнитиками, но наиболее существенными. Эта способность проявляется у минералов, содержащих атомы с собственным магнитным полиатомы обусловленные наличием не спаренных электронов. Это: Fe 2+, Mn2+, Fe3+, Mn3+, Mn4+, Sr2+, Ni2+, Cu2+, TR3+, U4+.
Степень намагниченности характеризуется вектором намагниченности.
H=I/H, где Н – напряжение магнитного поля, Н – магнитная восприимчивость магнитного свойства минерала, I – магнитные единицы объема вещества.
Минералы делятся:
1. диамагнитные;
2. парамагнитные;
3. ферримагнитные;
4. антиферромагнитные.
Диамагнитные – атомы неимеют собственного магнитного момента.
Н – небольшая и отражательная. Например, галит, самородный Cu.
Парамагнитные – небольшое количество элементов, собственный магнитный момент.
Н – небольшая и Например: пирит, сфалерит.
Ферромагнитные – большое количество атомов с собственным магматическим моментом.
Н – большая и Создают вокруг себя собственное магнитное поле. Например: калианит.
Антиферромагнитные – атомы с собственным магматическим моментом.
Например: пирротин, гематит.
|
|
|
