Кристаллография

Понятие о кристалле и кристаллическом веществе

Распространенность кристаллического вещества. Кристаллическая решетка. Свойства кристаллического вещества

В окружающем нас мире мы повсюду встречаемся с кристаллами. Жилые здания и промышленные сооружения, самолеты и ракеты, теплоходы и тепловозы, горные породы и минералы слагаются из разнообразных кристаллов. Из кристаллов состоят и такие вещества, как каучук, сажа, шерсть, шелк, целлюлоза, кости и многие другие предметы. Мы едим кристаллы, лечимся ими и частично сами состоим из кристаллов.

Изучением кристаллического строения минералов и других веществ занимается наука кристаллография. Кристаллография подразделяется на три вида: геометрическую кристаллографию, занимающуюся описанием различных форм встречающихся кристаллов, физическую кристаллографию (кристаллофизику, включая кристаллооптику) и химическую кристаллографию (кристаллохимию).

Физическая кристаллография и кристаллохимия изучают зависимость физических и химических свойств от особенностей кристаллического строения минералов. Кристаллооптика изучает оптические свойства кристаллов.

Среди природных минералов преобладают минералы кристаллического строения (98%). В связи с этим изучению минералогии всегда предшествует знакомство с основными понятиями по кристаллографии.

Минералы, характеризующиеся кристаллическим строением, имеют упорядоченное расположение слагающих их мельчайших частиц: атомов, ионов и молекул. Упорядоченное, закономерное расположение этих частиц образует так называемую кристаллическую (пространственную) решетку. В качестве примеров можно привести кристаллические решетки галита (рис. 1), графита и алмаза (рис. 2). Минералами кристаллического строения являются также кварц, кальцит, полевой шпат и др.

Рис. 1. Кристаллическая решетка галита

Твердые тела, характеризующиеся беспорядочным, хаотическим расположением мельчайших слагающих частиц, называются аморфными. Примерами таких образований могут служить стекла, смолы, пластмассы и др. Аморфные вещества неустойчивы и со временем раскристаллизовываются. Известно, например, что старые стекла «закристаллизовываются», образуя непрозрачную, мутную массу, состоящую из мелких кристаллов.

Для кристаллических минералов существуют три типа кристаллических решеток: 1) атомная (рис. 2), где в узлах кристаллической решетки находятся атомы (например, алмаз, графит); 2) ионная (рис. 1), где в узлах решетки расположены ионы (например, галит); 3) молекулярная — в узлах решетки находятся молекулы (сахар, аспирин, и другие органические соединения).

Различие во внутреннем строении кристаллических и аморфных минералов сказывается в различии их свойств. Для кристаллических тел характерна анизотропность (векториальность¹)- Она выражается в том, что большинство физических свойств минералов (твердость, спайность, цвет, магнитность, электрическая проводи-

Рис. 2. Кристаллические решетки графита (о) и алмаза (б)

Вектор — величина, характеризующаяся не только числовым значением, но и определенным направлением.

мость и др.) одинаковы по параллельным направлениям и различаются по непараллельным.

Иными словами, у кристаллических тел свойства постоянны в любых параллельных направлениях и могут меняться в непараллельных. Кристаллические тела, как правило, анизотропны.

В некоторых кристаллических веществах может проявляться изотропность. Например, распространение света в кристаллах кубической сингонии происходит с одинаковой скоростью в разных направлениях. Можно сказать, что такие кристаллы оптически изотропны.

У аморфных тел никакой закономерности в распределении свойств не существует. Аморфные тела характеризуются одинаковыми физическими свойствами в различных направлениях. Такая особенность веществ называется изотропностью, а тела, обладающие ею, называются изотропными.

Рис. 3. Анизотропия теплопроводности на грани кристалла кварца

Легко убедиться в различии свойств у изотропных и анизотропных тел, проделав следующий опыт. Возьмем пластинку стекла и кристалл кварца. Покроем поверхность стекла и одну из граней кристалла кварца тонким слоем парафина или воска. Прикоснемся к поверхностям, покрытым парафином, нагретой стеклянной палочкой. Теплота, распространяясь по пластинке и кристаллу, растопит парафин. На пластинке стекла и на грани кристалла появятся фигуры таяния: на стекле — в форме круга, на кварце — в виде эллипса (рис. 3). Этот пример показывает, что в стекле, представляющем аморфное изотропное тело, теплота распространяется равномерно во все стороны, а в кварце — кристаллическом анизотропном минерале — распространение теплоты идет быстрее вдоль кристалла, нежели поперек.

Закономерное расположение элементарных частиц в кристаллических минералах, т. е. наличие пространственной решетки, обусловливает и другие особые свойства кристаллов — их однородность и способность самоограняться. Однородность кристаллического вещества выражается в том, что любые участки кристалла одинаковой формы и одинаково ориентированные характеризуются одними и теми же свойствами. Способность самоограняться выражается в образовании правильных многогранников (кристаллов) при благоприятных условиях роста, когда кристаллы не встречают механических препятствий.