Глава 1. Кристаллография с основами кристаллохимии и минералогия

1.1. Сведения из кристаллографии

В этом разделе курса мы с вами кратко познакомимся с такой наукой как кристаллография, ее задачах, методах и практическом применении. Суть сказанного будет заключаться в следующем.

1. Кристаллография — наука о кристаллах и кристаллическом веществе. Делится на геометрическую, физическую, кристаллохимическую.

2. Природное вещество имеет или кристаллическое состояние или аморфное. Вещества первой группы более распространены и имеют кристаллическую решетку.

3. Свойства кристаллов: 1) способность самоограняться, т. е. принимать форму многогранников строго определенной и постоянной формы для данного химического соединения (минерала, см. следующий раздел); 2) анизотропность (неравносвойственность), которая проявляется в том, что в зависимости от направления в кристалле меняются свойства: механические, оптические, термические, электрические, химические и т. п.; 3) любая частичка кристаллического вещества имеет строго определенный состав, что используется для очистки веществ.

4. Геометрическая кристаллография различает в кристаллах грани, ребра и вершины (углы). Кристаллы одного и того же минерала могут иметь разную форму, величину и число граней, но углы между соответствующими гранями всегда будут постоянными — таков закон постоянства гранных углов в кристаллах.

5. У идеально образованных кристаллов, что в природе встречается довольно редко, наблюдается симметрия — закономерное повторение граней, ребер и вершин. Элементы симметрии: 1) плоскость симметрии (обозначается латинской буквой Р) — это воображаемая плоскость, которая делит кристалл на две равные части, причем одна из частей является как бы зеркальным отражением другой. В кристалле может быть несколько плоскостей симметрии; 2) ось симметрии (L) — линия, при вращении вокруг которой на 360° кристалл n-ое количество раз повторяет свое начальное положение в пространстве; 3) центр симметрии (С) — воображаемая точка, расположенная внутри кристалла, в которой пересекаются и делятся пополам линии, соединяющие соответствующие точки на поверхности кристалла.

6. На практике обычно все минералы распределены по следующим категориям: 1) Высшая — имеют более одной оси симметрии высшего порядка (L3, L4, L6), кристаллы изометричные; 2) средняя — имеют только одну ось симметрии высшего порядка, остальные оси второго порядка; 3) низшая — нет ни одной оси симметрии высшего порядка, только могут быть оси второго порядка.

7. Природные кристаллы образуются при: 1) испарении раствора и соответственно увеличении его концентрации; 2) понижении температура раствора; 3) застывании расплава; 4) путем возгонки; 5) изменении давления; 6) перекристаллизации в твердом состоянии; 7) искусственным выращиванием из пересыщенных растворов.

8. Рассмотрим такие понятия как псевдоморфозы минералов, полиморфизм и изоморфизм.



Итак, кристаллография — это наука о кристаллах и кристаллическом веществе. Делится на геометрическую, физическую, кристаллохимическую.

Большинство встречающихся в природе минералов относится к телам кристаллическим. Нас окружают кристаллы. Для них характерно совершенство форм, таинственная красота; они находят широкое применение в экономике и используются в солнечных электростанциях, транзисторных радиоприемниках, лазерах, часах и т. д. Они могут преобразовывать один вид энергии в другой, например, механическую в электрическую, помогают видеть в темноте и слышать неслышимое (ультразвук), встречаются различных размеров. На Урале был найден кристалл кварца высотой с двухэтажный дом и весом до 90–100 тонн.

Кристаллические тела противопоставляются аморфным. Аморфное состояние — состояние твердого вещества, при котором его частицы (молекулы, атомы) располагаться беспорядочно и при повышении температуры такое вещество, размягчаясь, переходит в жидкое состояние постепенно (не имеет определенной точки плавления). В кристаллах же атомы и молекулы располагаться в четком порядке и образуют так называемую кристаллическую решетку. Здесь уместно привести аналогию с оркестром. Если усадить на сцену сотню самых знаменитых виртуозов музыкантов и попросить играть что каждому заблагорассудится, то мы на вирника услышим какофонию звуков со сцены. А если этими же музыкантами будет руководить опытный дерижор, то мы с вами будем наслаждаться прекраснейшей музыкой. Так и в минеральных веществах — высокоорганизованные в кристаллические решетки вещества дарят нам прекраснейшие образцы кристаллов.

У каждого минерала наблюдается кристаллическая решетка определенной формы. В зависимости от кристаллической решетки различаются и свойства минералов, например, галит, графит и алмаз (рис. 2.1).

Кристаллические решетки галита, графита и алмаза Рис. 2.1. Кристаллические решетки галита (а), графита (б) и алмаза (в)

Свойства кристаллов

1. Из самых замечательных свойств кристаллов прежде всего привлекает их способность самоограняться, т. е. принимать форму многогранников и образовывать кристаллы определенной формы, характерной и постоянной для данного химического соединения.

Каменная соль — кубы.

Берилл — шестигранные призмы.

Если из кристалла каменной соли вырезать шар и поместить его в насыщенный раствор соли, то через некоторое время из него вырастит опять кубической формы кристалл. Желающие вырастить дома кристалл могут ознакомится с методикой выращивания кристаллов в книге Каденской, Каденский Руководство к практическим занятиям.— 1967.— С. 12.

2. Анизотропность (неравносвойственность), которая проявляется в том, что в зависимости от направления в кристалле меняются свойства: механические, оптические, термические, электрические, химические и т. п. Аморфные тела — изотропны (равносвойственны). Здесь необходимо сделать небольшое замечание по поводу изотропности многих явно кристаллических веществ. Таким свойством обладают поликристаллические вещества (металлы, мелкозернистые породы), в которых из-за малого размера кристаллов трудно выявить их анизотропность.

В качестве примера анизотропных свойств кристаллических веществ прежде всего необходимо указать на их механическую анизотропность, заключающуюся в следующем. Все кристаллические вещества раскалываются не одинаково вдоль различных направлений (слюда, гипс, графит и др.). Аморфные вещества во всех направлениях раскалываются одинаково.

Анизотропию теплопроводности легко пронаблюдать на следующем простом опыте. На грань кристалла кварца нанести слой цветного воска и поднести к центру грани накаленную на спиртовке иголку. Образовавшийся талый круг воска вокруг иголки примет форму эллипса на грани призмы или же форму неправильного треугольника на одной из граней головки кристалла (рис. 2.2). На изотропном же веществе, например, стекле — форма талого воска всегда будет правильным кругом.


Рис. 2.2. Выявление анизотропии теплопроводности на кварце (а) и ее отсутствия на стекле (б)

В качестве примера анизотропии теплового расширения можно привести кристалл кальцита, который расширяется вдоль длинной оси и одновременно сжимается по короткой. Графит же вдоль слоев увеличивается при нагревании в 14 раз больше, чем в перпендикулярном направлении.

Анизотропность кристаллов проявляется и при взаимодействии с химическими веществами. Например, кристалл все того же кальцита реагирует с соляной кислотой на разных гранях с различной интенсивностью.

Любая частичка кристалла имеет строго определенный химический состав. Это свойство кристаллических веществ используется для получения химически чистых веществ. Например, при замораживании морской воды она становится пресной и пригодной для питья. Теперь угадайте, морской лед пресный или соленый?

3. Кристаллы одного и того же минерала могут иметь разную форму, величину и число граней, но углы между соответствующими гранями всегда будут постоянными (рис. 2.3 а-г) — это закон постоянства гранных углов в кристаллах. Углы между гранями кристаллов измеряются при помощи гониометра (угломера).

Геометрическая кристаллография различает в кристаллах грани, ребра и вершины или углы. У идеально образованных кристаллов наблюдается симметрия, которая у природных кристаллов встречается чрезвычайно редко из-за опережающего роста граней (рис. 2.3 д).

Симметрией кристалла называют закономерное повторение граней, ребер и вершин. Для удобства изучения пользуются моделями кристаллов, передающих формы идеальных кристаллов. Для описания симметрии кристаллов необходимо определить элементы симметрии.

1. Плоскость симметрии — это воображаемая плоскость, которая делит кристалл на две равные части, причем одна из частей является как бы зеркальным отражение другой. В кристалле может быть несколько плоскостей симметрии. Плоскость симметрии обозначается латинской буквой Р.


Рис. 2.3. Закон постоянства гранных углов одного минерала (а-г) и рост опережающих граней 1, 3 и 5 растущего на стенке полости кристалла (д)

2. Ось симметрии — это линия, при вращении вокруг которой на 360° кристалл n-ое количество раз повторяет свое начальное положение в пространстве. Обозначается буквой L. n — определяет порядок оси симметрии, которые в природе могут быть только 2, 3, 4 и 6-го порядка, т. е. L2, L3, L4 и L6. Осей пятого и выше шестого порядка в кристаллах нет, а оси первого порядка не учитываются.

Кристаллографический запрет на оси пятого порядка в минеральном мире с успехом используется живыми микроорганизмами и отражается даже на больших формах (морские звезды и др.). Это является своеобразным защитным механизмом против окаменения, инструментом борьбы за существование, против кристаллизации, против «поимки» живого организма решеткой.



3. Центр симметрии — воображаемая точка, расположенная внутри кристалла, в которой пересекаются и делятся пополам линии, соединяющие соответствующие точки на поверхности кристалла1. Центр симметрии обозначается буквой С.

Все многообразие встречающихся в природе кристаллических форм объединяется в семь сингоний (систем): 1) кубическую; 2) гексагональную; 3) тетрагональную (квадратную); 4) тригональную; 5) ромбическую; 6) моноклинальную и 7) триклинную.

На практике обычно выделяют или определяют у конкретных кристаллов минералов не сингонии, а категории. Выделяют три категории.

I. ВЫСШАЯ. Характерной особенностью является наличие более одной оси симметрии высшего наименования (L3, L4, L6). К этой категории относится кубическая сингония. Кристаллы кубической сингонии характеризуются изометричностью во всех направлениях, сферичностью (куб, октаэдр, ромбический додекаэдр и др.). Из минералов к этой категории принадлежат — каменная соль (кубы), магнетит или магнитный железняк (октаэдры), гранат (ромбический додекаэдр) и др.

II. СРЕДНЯЯ. Кристаллы этой категории имеют только одну ось симметрии высшего наименования. Остальные оси симметрии второго порядка. К этой категории принадлежат кристаллы гексагональной (апатит), тетрагональной (халькопирит или медный колчедан) и тригональной сингоний (кальцит). Главная особенность кристаллов этой категории это их вытянутость или, наоборот, приплюснутость.

III. НИЗШАЯ. У кристаллов этой категории нет ни одной оси симметрии высшего наименования, только могут быть оси второго порядка. Сюда относятся кристаллы ромбической сингонии (сера), которые имеют более одной оси второго порядка, моноклинной сингонии, которые имеют только одну ось симметрии второго порядка, триклинной сингонии, которые не имеют ни одной оси симметрии.

Необходимо различать простые формы и их комбинации. К простым формам относятся кристаллы, все грани которых представлены многоугольниками одной формы, к комбинациям — кристаллы с гранями разной формы. Примеры комбинаций: кубоктаэдр — комбинация куба и октаэдра; призма — комбинация призмы и пинакоида (пинакс, греч. — доска); пирамида с плоским основанием — комбинация пирамиды с моноэдром.

Закономерные срастания кристаллов минералов называются двойниками.

Образование кристаллов

Кристаллы образуются из жидких, газообразных и твердых веществ при следующих условиях:

1) при испарении раствора и при соответствующем увеличении концентрации растворенного вещества (оз. Эльтон и Баскунчак, залив Кара-Богаз-Гол);

2) при понижении температуры раствора (лед, мирабилит в зимний период в заливе Кара-Богаз-Гол);

3) при застывании расплавленного вещества (магмы);

4) путем возгонки, когда при резком понижении температуры образуются кристаллы из газов (сера на стенках трещин в вулканических областях — Камчатка, Везувий, Этна и др.; образование ледяных узоров на окнах и др.);

5) при изменении давления (ромбическая сера при уменьшении давления переходит в моноклинную серу и наоборот; мелкозернистый известняк под действием давления переходит в явно выраженный кристаллический мрамор);

6) при перекристаллизации твердых масс (железо в машинах и механизмах при тряске переходит из мелкозернистого в крупнозернистое агрегатное состояние и разрушается);

7) искусственным выращиванием из пересыщенных растворов.

Псевдоморфозы

Каждый минерал кристаллизуется в определенной сингонии и образует кристаллы определенной и постоянной формы. Но некоторые минералы встречаются в кристаллических формах, не присущих данному химическому соединению, и дают кристаллы характерной для другого минерала формы — ложные формы, или псевдоморфозы.

Известны псевдоморфозы лимонита по пириту и сидериту. Лимонит минерал аморфный, а в псевдоморфозах имеет форму кубов, пентагональных додекаэдров, ромбоэдров. Происходит своеобразное замещение в поверхностных условиях пирита и сидерита лимонитом по следующей схеме:

1) FeS2 (пирит) —— Fe2O3(лимонит) + nH2O

2) FeCO3(сидерит) ——> Fe2O3(лимонит) + nH2O

Полиморфизм

Это когда минералы одного и того же химического состава кристаллизуются в разных кристаллографических формах (сингониях). Это объясняется различным пространственным размещением атомов и ионов внутри кристалла, т. е. различной формой кристаллических решеток. Ярким примером здесь может служить химический элемент углерод, который в природе может кристаллизоваться в двух полиморфных формах: в виде короткостолбчатых, почти чешуйчатых гексагональных кристаллов, образуя минерал графит, и в виде октаэдрических кристаллов кубической сингонии, образуя минерал алмаз.

Изоморфизм

В том случае, когда размеры ионов или атомов близки, они могут замещать друг друга в кристаллических решетках разных минералов, имеющих сходную химическую формулу, при условии, что сумма валентностей взаимно замещающихся ионов одинакова и, когда они имеют одинаковые по знаку заряды. Примеры взаимозаменяемых металлов и получающихся от этого минералов:

Ион Fe замещается обычно ионом Mg

MgCO3(магнезит) —> замещается FeCO3(сидерит)

Ca —> замещается —> Na

Al —> замещается —> Si

Анортит <——> Альбит — образуют изоморфный ряд плагиоклазов


Контрольные вопросы

1. Объясните явления изоморфизма на конкретных примерах.
2. Наличие или отсутствие центра симметрии в конкретном кристалле легко определяется на горизонтальной поверхности. Как?
3. Почему природные кристаллы какого-нибудь минерала часто не похожи?
4 Назовите главный отличительный признак простой формы от комбинации?
5. Приведите примеры минеральных псевдоморфоз?




 
© 2008–2011,   С.Н. Коваленко, кафедра географии ВСГАО. Все права защищены.