ОСНОВЫ КРИСТАЛЛОГРАФИИ, МИНЕРАЛОГИИ И ПЕТРОГРАФИИ

ОСНОВЫ КРИСТАЛЛОГРАФИИ

В зависимости от внутреннего строения различают кристаллические и аморфные твердые тела.

Кристаллическими называют твердые вещества, образованные из геометрически правильно расположенных в пространстве материальных частиц — ионов, атомов или молекул. Упорядоченное, закономерное их расположение образует в пространстве кристаллическую решетку — бесконечное трехмерное периодическое образование. В ней выделяют узлы (отдельные точки, центры тяжести атомов и ионов), ряды (совокупность узлов, лежащих на одной прямой) и плоские сетки (плоскости, проходящие через любые три узла). Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена прежде всего их строго закономерным внутренним строением. Сетки кристаллической решетки соответствуют граням реального кристалла, места пересечения сеток — ряды — ребрам кристаллов, а места пересечения ребер — вершинам кристаллов. Большинство известных минералов и горных пород, в том числе и каменные строительные материалы, представляют собой кристаллические твердые тела.

Все кристаллы имеют ряд общих основных свойств.

Однородность строения — одинаковость узора взаимного расположения атомов во всех частях объема его кристаллической решетки.

Анизотропность — различие физических свойств кристаллов (теплопроводность, твердость, упругость и другие) по параллельным и непараллельным направлениям кристаллической решетки. Свойства кристаллов одинаковы по параллельным направлениям, но неодинаковы по непараллельным.

Способность самоограняться, т.е. принимать форму правильного многогранника при свободном росте кристаллов.

Симметричность — возможность совмещения кристалла или его частей определенными симметрическими преобразованиями, соответствующими симметрии их пространственных решеток.

Аморфными или минералоидами называют твердые тела, характеризующиеся беспорядоченным, хаотичным (как в жидкости) расположением слагающих его частиц (атомов, ионов, молекул), например, стекла, смолы, пластмассы и пр. Аморфное вещество отличается изотропностью свойств, отсутствием четко выраженной температуры плавления и естественной геометрической формы.

Изучение кристаллических форм минералов показало, что мир кристаллов отличается симметрией, хорошо наблюдаемой в геометрической форме их огранки.

Симметричным считается объект, который может быть совмещен сам с собой определенными преобразованиями: поворотами, отражениями в зеркальной плоскости, отражением в центре симметрии. Геометрические образы (вспомогательные плоскости, прямые линии, точки), с помощью которых достигается совмещение, называются элементами симметрии. К ним относятся оси симметрии, плоскости симметрии, центр симметрии (или центр инверсии).

Центром симметрии (обозначение С) называется особая точка внутри фигуры, при проведении через которую любая прямая встретит на равном от нее расстоянии одинаковые и обратно расположенные части фигуры. Плоскостью симметрии (обозначение Р) называется воображаемая плоскость, которая делит фигуру на две равные части так, что одна из частей является зеркальным отражением другой. Осью симметрии называется воображаемая прямая линия, при повороте вокруг которой на некоторый определенный угол повторяются одинаковые части фигуры.

Наименьший угол поворота вокруг оси, приводящий к такому совмещению, называется элементарным углом поворота оси симметрии «а». Его величина определяет порядок оси симметрии «п», который равен числу самосовмещений при полном повороте фигуры на 360° {п = 360/а). Оси симметрии обозначаются буквой L с цифровым индексом, указывающим на порядок оси — Ln. Доказано, что в кристаллах возможны только оси второго (L2), третьего (Ьъ), четвертого 4) и шестого порядков (L6). Оси третьего L3, четвертого L4 и шестого L6 порядка считают осями высшего порядка.

Инверсионно-поворотной (или инверсионной) (обозначение Lin) называют воображаемую линию, при повороте вокруг которой на некоторый определенный угол с последующим отражением в центральной точке фигуры, как в центре симметрии, фигура совмещается сама с собой. Для кристаллов показано, что возможно лишь существование инверсионных осей следующих порядков Ln, La, LiV Li4 , Li6. Полная совокупность элементов симметрии кристаллического многогранника называется видом симметрии. Существует всего 32 класса симметрии (табл. 1.1). Каждый из них характеризуется своей формулой симметрии. Она состоит из записанных в ряд элементов симметрии кристалла в следующем порядке: оси симметрии (от высших порядков к низшим), плоскости симметрии, центр симметрии. Например, формула симметрии куба имеет вид 3Z44L36Z29PC (три оси четвертого порядка,четыре оси третьего порядка,шесть осей второго порядка, девять плоскостей симметрии, центр симметрии).

По симметрии и кристаллографическим направлениям 32 вида симметрии делятся на три категории: низшую, среднюю, высшую. Кристаллы низшей категории — наименее симметричные с ярко выраженной анизотропией свойств, не имеют осей симметрии выше второго порядка. Для кристаллов средней категории характерно наличие главной оси, совпадающей с осью симметрии порядка выше, чем 2, т.е. с осью 3, 4 или 6-го порядка, простой или инверсионной. Для кристаллов высшей категории обязательно присутствие четырех осей 3-го порядка. Три категории подразделяются на 7 сингоний. Сингония объединяет кристаллы с одинаковой симметрией и имеющие одинаковое расположение кристаллографических осей. В низшую категорию входят триклинная, моноклинная и ромбическая сингонии, в среднюю — тригональ- ная, тетрагональная и гексагональная, в высшую — кубическая.

Порядок внутренней структуры кристаллов, наличие в ней трехмерной периодичности расположения материальных частиц обуславливает правильную внешнюю форму кристаллов. Каждому минералу присуща своя определенная форма кристаллов, например, кристаллы горного хрусталя имеют вид шестигранных призм, ограниченных шестигранными же пирамидами. Кристаллы каменной соли, пирита и флюорита часто встречают в виде хорошо развитых кубических форм. Простая форма кристаллического многогранника — это совокупность равных (по форме и размеру) граней, связанных между собой его элементами симметрии. Комбинированная форма - это многогранник, ограненный двумя или несколькими простыми формами. Установлено всего 47 простых форм: в низшей категории — 7 простых форм, в средней — 25, в высшей — 15. Взаимное расположение граней в пространстве определяют по отношению к координатным осям и некоторой исходной грани, используя кристаллографические символы. Каждая простая форма или комбинация простых форм описывается совокупностью символов, например, для куба символы - шести его граней: (100), (010), (001), (100), (010)и 001).

Таблица 1.1

КАТЕГОРИИ, СИНГОНИИ, ВИДЫ И ФОРМУЛЫ СИММЕТРИИ КРИСТАЛЛОВ

Категория

Сингония

Виды симметрии

примитивный

центральный

планаль-

ный

аксиальный

планаксиаль-

НЫЙ

Инверсионнопримитивный

Инверсионно-

планальный

Низшая

Триклинная

1

Li

2

С

Моноклинная

3

Р

4

l2

5

L2PC

Ромбическая

6

L22P

  • 7
  • 3L2
  • 8
  • 3L23PC

Средняя

Тригональная

9

L3

о

г-

со

О

11

L33P

12

L33L2

  • 13
  • 1_з31_2ЗРС

Тетрагональная

14

ц

15

ЦРС

16

L44P

17

L44L2

18

L44L25PC

19

Li4

20

Li42L22P

Гексагональная

21

I-6

22

L6PC

23

L66P

24

L66L2

25

L66L27PC

26

Li6=L3P

27

Li63L23P=L33L24P

Высшая

Кубическая

  • 28
  • 41_з31_2
  • 29
  • 4L33L23PC
  • 30
  • 4L33L26P
  • 31
  • 3L44L36L2
  • 32
  • 3L44L36L29PC

Минералы , характеризующиеся кристаллическим строением, имеют определенный тип кристаллической решетки, частицы в которых удерживаются химическими связями. Исходя из представлений о валентных электронах, выделяют четыре основных типа химической связи: 1) ионная или гетерополярная (минерал- галит), 2) ковалентная или гомеополярная (минерал—алмаз), 3) металлическая ( минерал— золото), 4) молекулярная или ван- дер-ваальсовая. Характер связи влияет на свойства кристаллических веществ (хрупкость, твердость, ковкость, температуру плавления и пр.). В кристалле возможно присутствие одного типа связи (гомодесмическая структура), или несколько типов (гетеродесми- ческая структура).

Реальный состав и структура минералов имеют отличия от идеальных, выраженных в химических формулах и структурных схемах минералообразования. Их вариации рассматривают в рамках теоретических понятий о полиморфизме и изоморфизме. Полиморфизм — преобразование структуры химического соединения без изменения его химического состава под влиянием внешних условий (температуры, давления, кислотности среды и пр.). Различают переходы двух видов: обратимые — энантиотропные (различные модификации Si02: кварц — тридимит — кристобалит) и необратимые — монотропные (модификации С: графит — алмаз). Если такой переход происходит с сохранением формы кристаллов первичного минерала, то возникают псевдоморфозы. Другая разновидность полиморфизма — политипия — вызвана сдвигом или поворотом идентичных двумерных слоев, приводящих к образованию структурных разновидностей. Изоморфизм — изменение химического состава минерала (замена одного иона или ионной группировки на другой ион или группу ионов) при сохранении его кристаллической структуры. Необходимое условие таких замещений — близость химических свойств и размеров замещающих друг друга ионов. Существует изовалентный (замещающие друг друга ионы или атомы имеют одинаковую валентность) и гетеровален- тный (замещающие ионы имеют разную валентность, но электронейтральность структуры при этом сохраняется) изоморфизм. Химические соединения переменного состава, образующиеся в результате изоморфизма, называют твердыми растворами. В зависимости от механизма образования выделяют твердые растворы замещения (один сорт ионов частично замещается другим), внедрения (в пустоты структуры—интерстиции—внедряются дополнительные ионы) и вычитания (часть узлов кристаллической решетки свободны). Изоморфные замещения в твердых растворах разделяют на полные и ограниченные (вхождение примесей в кристаллическую структуру в определенных пределах). Степень замещения зависит от сходства химических свойств и размеров ионов, а также термодинамических условий формирования твердого раствора: чем ближе химические свойства и меньше относительная разница ионных радиусов, и выше температура синтеза, тем легче образование изоморфных твердых растворов.

Кристаллическое твердое тело характеризуется определенным расположением материальных частиц в пространстве или структурным типом (рис. 1.1). Кристаллы, принадлежащие к одному структурному типу, одинаковы с точностью до подобия; поэтому для описания указывают структурный тип и параметры (размеры) кристаллической решетки. Наиболее распространены следующие структурные типы: для простых веществ характерны структурные типы меди, магния, алмаза (рис. 1.1а) и графита (рис. 1.16); для бинарных соединений типа АВ— структурные типы Na Cl (рис. 1. 1в), CsCl, сфалерита ZnS, вюрцита ZnS, никелина NiAs, для бинарных соединений типа АВ2 структурные типы флюорита CaF2, рутила Ti02, корунда А1203, перовскита СаТЮ3, шпинели MgAl204.

Кристаллические решетки

Рис. 1.1 Кристаллические решетки: а) алмаза, б) графита, в) каменной соли

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >