Строение и свойства кристаллических твердых тел (на основе коллекции минералов)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

«Иркутский государственный университет путей сообщения»

филиал в г. Северобайкальске

Строение и свойства кристаллических твердых тел

(на основе коллекции минералов)

Методическое пособие для изучающих

материаловедение и практическую геологию

г. Северобайкальск

2010 г.

Оглавление

Введение

§1. Элементы технологии кристаллических твердых тел. - 3 -

§2. Основные понятия физической кристаллографии. - 4 -

2.1 Макроскопические представления о кристалле. - 4 -

2.2 Периодичность строения кристаллов. - 5 -

2.3. Свойства кристаллических тел

2.3.1. Анизотропия свойств

2.3.2. Изоморфизм, полиморфизм и аллотропия

§3. Классификация кристаллических твердых тел по природе химической связи. - 9 -

3.1. Металлические кристаллы. - 9 -

3.2. Ионные кристаллы. - 12 -

3.3. Ковалентные кристаллы. - 14 -

3.3.1. Молекулярные кристаллы. - 14 -

3.3.2. Макромолекулярные кристаллы

§ 4. Кристаллические и аморфные твердые тела (описание коллекции). - 17 -

4.1. Общие сведения. - 17 -

4.2. Характеристики отдельных минералов, составляющих коллекцию. - 21 -

4.2.1 Пирит, FeS2

4.2.2 Лимонит, Fe2O3 ·nH2O.

4.2.3 Алмаз, C.

4.2.4 Галит (каменная соль), NaCl - 22 -

4.2.5 Халцедон, SiO2

4.2.6 Опал, SiO2 и H2O.

4.2.7 Графит, C

4.2.8 Кварц, SiO2

4.2.9 Асбест – Хризотил

4.2.10 Серпентин, 3MgO·2SiO2·2H2O.

4.2.11 Сера, S

4.2.12 Мусковит (московское стекло), K2O·3Al2O3·6SiO2·H2O.

4.2.13 Тальк

4.2.14 Обсидианы – аморфная модификация кварца

§5. Задание для самостоятельной работы. - 27 -

5.1. Для изучающих материаловедение

5.2. Для изучающих практическую геологию.

Введение

В наше время с трудом найдется человек, который незнаком, хотя бы отчасти, с тем, что такое кристаллы. Прозрачный кварц и галит, черный графит, золотистый пирит, мягкий тальк, пластинчатая слюда и сверхтвердый алмаз, микроскопические крупинки сахарного песка, металлический натрий и сапфир – вот лишь некоторые представители удивительного царства кристаллов.

Что обращает на себя внимание при первом знакомстве с кристаллами? Прежде всего их геометрически правильная многогранная форма. Она ассоциируется у нас с драгоценными камнями, с природными минералами и синтетическими кристаллами, выращенными в термодинамически равновесных условиях. Такие кристаллы, вне зависимости от их размера, называют монокристаллами. Наряду с ними существуют поликристаллические твердые тела, то есть конгломераты большого числа микроскопических монокристалликов. Большинство породообразующих минералов и все металлы относятся к поликристаллическим твердым телам.

Слово кристаллос (χρσταλλοξ)- греческое слово. В переводе означает лед. В средние века из-за внешнего сходства со льдом кристаллом стали называть горный хрусталь (кварц). Позднее это название распространилось на все тела, имеющие правильную многогранную форму, несмотря на то, какое происхождение они имеют – естественное или искусственное.

Первоначально кристаллические тела использовались как драгоценности и украшения. По мере развития техногенной цивилизации они начали широко применяться в медицине, оптике, электро - и радиотехнике, в атомной и авиационно-космической промышленности, металлургии и т. п. Вспомним оптические кристаллы для лазеров, ультрафиолетовой и инфракрасной техники, металлические кристаллы, ферромагнетики, полупроводники, пьезоэлектрики, сегнето-электрики, сверхпроводники, пироэлектрики, ферриты и др. Сейчас нет такой области практической деятельности человека, где не применялись бы кристаллы.

Помимо кристаллов в природе встречаются аморфные твердые тела. Интенсивно их получают также в разнообразных видах производств. Это бытовое и техническое стекло, пластические массы, природные и синтетические каучуки, резина, целлюлоза, капрон, нейлон и др. Среди природных веществ к ним относятся так называемые изверженные породы и входящие в них минералы. Например, вулканические стекла (обсидиан).

Кристаллические и аморфные тела принципиально отличаются между собой своим тонким строением. Первые характеризуются упорядоченным расположением атомов, ионов или молекул в пространстве. Вторые имеют неупорядоченную тонкую структуру, подобную структуре жидкости. В этой связи полезно упомянуть, что при плавлении кристаллического твердого тела обязательно происходит фазовый переход. При плавлении аморфного тела оно сначала переходит в вязко-текучее состояние, а затем в жидкое, то есть не испытывает фазового превращения.

§1. Элементы технологии кристаллических твердых тел.

Потребности науки и практики в кристаллах с заданными свойствами потребовали разработки методов искусственного выращивания кристаллов из растворов или расплавов веществ и из их паров.

Вырастить значительный по размерам бездефектный (совершенный) монокристалл - это большое искусство. С технологической точки зрения все выращиваемые кристаллы в первом приближении можно разбить на две большие группы: растворимые в воде или органических растворителях и нерастворимые в них. К первым относятся неорганические соли, комплексные или органические соединения с низкой температурой плавления. К вторым - тугоплавкие неорганические вещества и металлы.

Монокристаллы первой группы веществ выращивают из растворов. Для этого приготавливают насыщенный раствор используемого соединения. В него вносят затравку - мелкий монокристалл. Затем повышают концентрацию раствора до пересыщения с той целью, чтобы выделяемое из раствора вещество высаживалось на затравке. Пересыщения добиваются двумя способами: понижением температуры раствора, что приводит к уменьшению растворимости высаживаемого вещества; испарением растворителя, что приводит к повышению концентрации растворенного соединения. Чтобы высаживаемое вещество откладывалось только на грани затравки оба процесса проводят очень медленно, перемешивая раствор. Это так называемая гетерогенная кристаллизация, приводящая при соблюдении определенных условий, к крупным монокристаллам. При гомогенной (самопроизвольной) кристаллизации образуются, как правило, мелкие кристаллы, которые могут быть использованы в качестве затравки.

Кристаллы второй группы выращивают из расплава. Этот процесс аналогичен описанному, но механические приемы его реализации гораздо разнообразнее. Например, вещество в виде порошка запаивают в ампулу и медленно протаскивают через трубчатую печь. Вначале оно плавится, затем при переходе из горячей в менее разогретую зону печи его температура понижается и здесь начинается образование кристаллов. Или, затравку опускают одним концом в расплав, затем медленно вытягивают из него. На поверхности затравки, соприкасающейся с расплавом, происходит рост новых слоев. Из расплава сейчас выращивают большинство технически ценных монокристаллов (особенно это относится к металлам, ферромагнетикам и сегнетомагнетикам).

§2. Основные понятия физической кристаллографии.

2.1 Макроскопические представления о кристалле.

С макроскопической точки зрения кристаллом может быть названо однородное анизотропное тело, способное самоограняться, то есть приобретать геометрически правильную форму. Причиной геометрически правильной внешней формы является геометрически правильное внутреннее строение кристалла - пространственная решетка. Понятие решетки - это, конечно, удобная абстракция, проистекающая из того, что в пространстве, которое занимает кристалл, имеет место закономерное чередование атомов или ионов во всех трех измерениях. Если эти атомы (ионы) соединить между собой воображаемыми прямыми линиями, то тогда и получается пространственная решетка.

Пространственная решетка и кубический кристалл поваренной соли

Для наглядности рассмотрим простой случай - кристалл хлористого натрия (поваренной соли). Структура этого кристалла представляет собой кубическую решетку, где каждый ион Na+ окружен шестью ионами Cl-, и наоборот. Поэтому ясно, что если кристалл хлористого натрия выращивается в равновесных условиях, то при последовательном наслаивании одной сетки чередующихся ионов Na+ и Cl - на грань получается монокристалл правильной кубической формы.

В случаях с более сложной решеткой, внешнюю форму кристалла предсказать не так легко. Однако, есть более общее, не зависящее от условий выращивания свойство, которое однозначно показывает, как пространственная решетка определяет макроскопическую форму кристалла. Из предыдущего параграфа ясно, что форма кристалла может зависеть от условий его формирования: скорости снижения температуры, степени перенасыщения, наличия в растворе или расплаве тех или иных примесей. Поэтому в одних случаях развивается полная совокупность граней, кристалл идеально ограняется, в других условиях часть граней не успевает вырасти - кристалл выглядит однобоким, а в третьих - получается сросток (друзы) кристаллов.

Сечение перпендикулярное АВ Сечение перпендикулярное АС

Кристаллы кварца различной формы

Но, во всех случаях возникает новое свойство атомного ансамбля (по сравнению с изолированным атомом), которое одинаково и у пространственной решетки, и у совершенного кристалла, и у "уродца" или отдельного кристалла друзы. Это новое свойство - симметрия, именно она управляет миром кристаллов. Симметрия определяет законы расположения элементов в пространственной решетке, взаимное расположение граней макроскопического кристалла и т. д. Свойство симметрии является проявлением самых общих фундаментальных законов природы. В самом простом изложении под симметрией можно понимать способность фигуры закономерно повторять в себе свои части.

2.2 Периодичность строения кристаллов.

Свойства кристаллической среды в тех точках, где расположены атомы или ионы, не могут быть такими же, как в областях пространства, в которых атомы (ионы) отсутствуют. В этой связи первые называют узлами решетки, а область, незанятую атомами, междоузельным пространством. Рассмотрим самую простейшую модель – набор атомов, расположенных на одной прямой. Здесь возможно два варианта: случайное расположение (а) и периодическое расположение (б):

Двумерная решетка Трехмерная решетка

Рассмотрим идеальную кристаллическую решетку, построенную из атомов, находящихся только в ее узлах (в общем случае это не всегда так; реальный кристалл имеет дефекты своего строения). Исходя их данной модели легко установить, что внешние грани кристалла образуются плоскостями, в которых лежат атомы (атомные плоскости). Например, в двумерной модели огранку создают прямые линии, соединяющие атомы. Огранение кристалла ломаной линей, проходящей через атомы, энергетически невыгодно, поэтому при кристаллизации, впадины на ломаной линии, будут заполняться атомами. Переход к более сложной структуре (реальному кристаллу), у которых атомы находятся не только в узлах пространственной решетки, не меняет положение вещей. Расположение и форма граней будут по-прежнему определяться пространственной решеткой.

Исходя из фундаментального свойства кристаллов, а именно, их симметрии, необходимо ввести еще одно понятие, связанное с периодичностью строения кристаллических твердых тел. Это понятие элементарной ячейки кристалла. Элементарную ячейку можно определить как минимальный фрагмент пространственной решетки, трансляция которого в трех измерениях исчерпывает представления об ее строении. В зависимости от природы элемента, типа химической связи между атомами, характера взаимодействия между молекулами или ионами элементарная ячейка может иметь разную форму. Например, форму куба или шестигранной призмы:

2.3. Свойства кристаллических тел

2.3.1. Анизотропия свойств

При макроскопическом рассмотрении свойств кристаллов их нужно подразделять на два типа: изотропные и анизотропные. Первый тип характеризуется инвариантностью (независимостью) по отношению к трансляции в каком-либо кристаллографическом направлении. Это – температура плавления, масса тела, его удельная плотность и др. Анизотропные свойства характеризуются зависимостью от направления, в котором они измеряются. Зависимость физических и механических свойств кристалла от выбранного направления обуславливается его решетчатым строением. Рассмотрим такую зависимость на примере прочности кристалла NaCl на разрыв. Зависимость прочности этого кристалла при растяжении в различных направлениях может быть продемонстрирована схемой, на которой представлена зависимость сопротивления кристалла разрушению в различных направлениях:

Если прикладывать к кристаллу внешние силы и вести эксперимент в условиях, когда пластическая деформация пренебрежимо мала, то прочность кристалла в основном определяется расстоянием между плоскостями по которым разрывается кристалл. При действии внешней нагрузки вдоль ребра куба (см. схему на стр.4) расстояние между соседними плоскостями оказывается равным b/2 (где b – период решетки, схема на стр. 5). При нагружении вдоль пространственной диагонали куба расстояние между соседними плоскостями, перпендикулярными направлению растяжения, оказывается равным ~ b/3. Если учесть, что силы взаимодействия между ионами, находящимися в соседних плоскостях (схема на стр.4), растут с уменьшением расстояния между этими плоскостями, то, очевидно, что напряжение, необходимое для разрушения кристалла вдоль первого направления будет больше, чем при его разрушении вдоль второго направления.

Анизотропными являются также плотность упаковки, скорость роста кристалла (кристалл растет преимущественно в направлении перпендикулярном плоскости с максимальной упаковкой), электрическое сопротивление, магнитные характеристики, показатель преломления и др. Отметим, что кубические элементные кристаллы изотропны из-за своей высокой симметрии. Поликристаллические твердые тела также изотропны из-за хаотической ориентации отдельных монокристаллов (псевдоизотропия).

2.3.2. Изоморфизм, полиморфизм и аллотропия.

Вещества, общей химической формулы, имеющие кристаллическую решетку одного типа, называются изоморфными. Изоморфизм наблюдается, например, у нитрата натрия, NaNO3, и карбоната кальция, CaCO3, находящегося в форме минерала кальцита.

Кристалл кальцита, CaCO3.

Оба этих вещества имеют ромбоэдрическую кристаллическую структуру.

Способность какого-либо соединения существовать в двух или нескольких кристаллических формах называется полиморфизмом. Классическим примером полиморфного соединения является кремнезём – оксид кремния (IV), SiO2:

кварц тридимит кристабалит расплав

(гексагональный) (ромбический) (кубический)

Температура, при которой одна форма вещества переходит в другую называется температурой полиморфного превращения или температурой перехода.

В общем случае, если какой-либо элемент может существовать в двух или нескольких твердых формах, то считается, что он проявляет аллотропию. Различные формы элемента называются аллотропами. Они существуют приблизительно у половины элементов. При аллотропии возможны три варианта превращения:

Аморфная форма Аморфная форма

Аморфная форма Кристаллическая форма

Кристаллическая форма Кристаллическая форма

Разновидность аллотропии, при которой переход от одной формы к другой осуществляется при строго определенной температуре и каждая из них существует в строго определенном интервале температур называется энантиотропией.

Например, элементарный углерод может существовать в виде графита или алмаза; сера – в двух кристаллических формах: ромбической и моноклинной (см. описание коллекции); фосфор имеет три аллотропных формы: красный фосфор с каркасной кристаллической структурой, белый фосфор в виде молекулярного кристалла, черный фосфор (образуется при высоких давлениях) в виде макромолекулярной слоистои структуры (подробной обсуждение таких кристаллических структур см. в § 3). Другие примеры аллотропии показаны ниже:

13°С 161°С

α-Sn β-Sn γ-Sn

серое олово белое олово ромбическое олово

(полупроводник

со структурой алмаза) металлическая структура

911°С 1392°С 1539°С

α-Fe γ-Fe δ-Fe расплав

металлические кристаллы

Среди них железо является классическим примеров полиморфного элемента.

§3. Классификация кристаллических твердых тел по природе химической связи.

3.1. Металлические кристаллы.

Монокристаллы металлов дают нам пример простейших кристаллических структур.

Ионы металла, расположенные в определенных положениях решетки металлического кристалла, можно приближенно рассматривать в виде шаров. В твердых металлах эти шары упаковываются с максимально возможной плотностью. Наиболее плотной в одном слое является гексагональная упаковка, при которой каждый шар окружен со всех сторон шестью соседними шарами, расположенными в той же плоскости. В результате, центры любых трех соседствующих шаров образуют равносторонний треугольник:

Гексагональная упаковка в одном слое

Менее плотной является квадратная упаковка, при которой центры четырех соседствующих атомов образуют квадрат:

Квадратная упаковка в одном слое

Гексагональные слои шаров можно плотно укладывать один на другой. Делается это двумя способами. Либо они (слои) образуют гексагональную плотную упаковку (ГПУ), либо – гранецентрированную кубическую упаковку (ГЦК). Оба указанных типа упаковки называются плотными, поскольку они соответствуют очень эффективному заполнению пространства. В обоих случаях шары занимают 74% имеющегося объема.

В гексагональной плотной упаковке второй слой шаров укладывается на первый таким образом, что каждый шар верхнего слоя соприкасается с тремя шарами нижнего слоя:

Гексагональная плотная упаковка

Шары третьего слоя располагаются точно над шарами первого слоя и т. д.

Гранецентрированная кубическая упаковка имеет более сложную последовательность слоев.

Последовательная укладка слоев с квадратной упаковкой шаров в слое приводит к образованию объемноцентрированной кубической (ОЦК) структуры. Эта структура в отличие от предыдущих не относится к плотноупакованным. Шары занимают в ней только 68% имеющегося объема.

Почти все металлы имеют ту или иную (или несколько) из этих трех кристаллических структур. Примеры даны ниже:

Каждый шар в ОЦК структуре находится в центре куба. Таким образом, он соприкасается с восьмью другими шарами. Число ближайших соседей данного шара называется координационным числом. Из сказанного следует, что атом ОЦК решетки имеет координационное число К=8. В двух плотноупакованных решетках координационное число отдельного атома К=12.

Следует подчеркнуть одну особенность металлических кристаллов. При объединении атомов металла в атомный ансамбль они теряют свой внешний валентный электрон, превращаясь в положительно заряженные ионы-катионы. При этом все потерянные валентные электроны принадлежат всем катионам, то есть обобществляются катионным остовом. Это делает связь между атомами металла в решетке ненаправленной и достаточно слабой, что и определяет пластичность металлических кристаллов, то есть их склонность к пластической деформации (ковкости).

3.2. Ионные кристаллы.

Ионы, из которых состоят кристаллы, образуют ионный ансамбль за счет электростатических взаимодействий. Это означает, что данный ансамбль состоит из равного числа противоположно заряженных частиц – катионов и анионов. По этой причине структура кристаллической решетки ионных кристаллов обеспечивает их электронейтральность.

Важнейшие типы кристаллических решеток ионных кристаллов приведены ниже. Каждому типу ионов в ионной решетке соответствует свое собственное координационное число.

Кристаллическая структура хлорида цезия

Кристаллическая структура каменной соли (галита)

Кристаллическая структура цинковой обманки (сфалерита, ZnS)

Кристаллическая структура флюорита (CaF2)

В кристаллической решетке хлорида цезия, CsCl, каждый ион Cs+ окружен восемью ионами Cl-. Следовательно, он имеет координационное число К8. Каждый ион Cl- также окружен восемью ионами Cs+ и, аналогично, имеет К8. Следовательно, кристаллическая решетка хлорида цезия характеризуется координацией 8:8. Она представляет собой два вложенных друг в друга куба. Такую же решетку имеют, например, CsI, NH3Cl (хлористый аммоний). Кристаллическая решетка хлорида натрия, NaCl, имеет координацию 6:6, цинковой обманки, ZnS, - 4:4, а флюорита, CaF2, - 8:4. Это, в каждом случае, обеспечивает электрическую нейтральность кристалла (Na+Cl-, Zn2+S2-, Ca2+F22-).

Координация и тип кристаллической структуры ионных кристаллов определяются в основном двумя факторами: соотношением катионов и анионов; отношением ионных радиусов катиона и аниона. Первый определяет стехиометрический тип кристалла. Так, CsCl, NaCl, ZnS относят к типу А В(1:1). Флюорит, CaF2, соответственно, к типу А В2(1:2).

Отношение радиусов катиона (А) и аниона (В) называют отношением ионных радиусов rA/rB. В целом, чем больше rA/rB, тем больше координационное число решетки.

Проще структуру ионных кристаллов рассматривать как будто они состоят из двух частей – анионной и катионной. Скажем, структуру CsCl можно представить как состоящую из кубической анионной и кубической катионной решеток, то есть, как две взаимодействующие (вложенные) структуры, вместе образующие единую ОЦК решетку. Структура типа каменной соли, тоже состоит из двух кубических форм – одной катионной и одной анионной. Совместно они образуют общую гранецентрированную кубическую структуру, при которой катион и анион имеют октаэдрическое окружение и координацию 6:6. Структуру типа цинковой обманки, 8 и 8, можно рассматривать так, будто анионы образуют кубическую структуру, а катионы имеют тетраэдрическую структуру внутри куба:

- Катион

Структура флюорита, CaF2, отличается от рассмотренных тем, что она имеет стехиометрический тип А В2, а входящие в нее атомы (ионы) обладают разным координационным числом. Каждый ион Ca2+ окружен восемью ионами F-, а каждый ион F - имеет в качестве соседей четыре иона Ca2+. Таким образом, Ca2+ облает координационным числом К8, а F- - К4. Структуру флюорита можно представить себе как гранецентрированную кубическую катионную решетку, внутри которой имеется тетраэдрическое расположение анионов.

Отметим, что структурой типа каменной соли обладают все галогениды щелочных металлов. Структура типа цинковой обманки характерна для большинства галогенидов меди, сульфида ртути. Структуру типа флюорита имеют галогениды металлов второй группы (Ca, Mg и др.), а также часть оксидов этих металлов. Отметим также, что ионная связь образована между двумя атомами, посредством двух электронов: Na + Cl → Na+Cl-.

3.3. Ковалентные кристаллы.

Ковалентные кристаллы подразделяются на два основных типа: молекулярные и макромолекулярные кристаллы.

3.3.1. Молекулярные кристаллы. В определенных положениях кристаллической решетки таких кристаллов располагаются молекулы. Между собой они удерживаются за счет водородных связей или универсальных взаимодействий (электростатические взаимодействия постоянных электрических диполей, диполь-индуцированных диполей, вандерваальсовых взаимодействий – взаимодействий мгновенных электрических диполей, возникающих из-за флуктуации электронной плотности даже в случае высокосимметричных молекул). Приведем два примера: кристаллы иода и воды.

Кристалл иода имеет кубическую решетку, в узлах которой располагаются молекулы иода, J2. Подобную структуру имеет твердый диоксид углерода. В его кристалле узлы заняты молекулами CO2. Молекулярные кристаллы образуют также многие органические соединения, например, нафталин. Плоские молекулы этого соединения упакованы в моноклинную решетку:

Нафталин (молекула) Нафталин (кристалл – моноклинная

элементрарная ячейка)

В качестве второго примера приведем кристалл льда. Молекулы воды удерживаются в его кристаллической решетке за счет водородных связей:

3.3.2. Макромолекулярные кристаллы. Этот тип кристаллов иногда называют координационными кристаллами. В отличие от ионных и металлических кристаллов, которые имеют в узлах решетки ионы (у первых – одноименно заряженные, у вторых – разноименно заряженные) и в отличие от молекулярных кристаллов, которые состоят из электронейтральных молекул, макромолекулярные кристаллы обладают решеткой, построенной из атомов. Поэтому их часто называют атомными кристаллами.

Макромолекулярные кристаллы подразделяются на три типа: цепочечные, слоистые и каркасные.

Цепочечные структуры. Такую структуру имеют многие силикатные минералы, макромолекулы которых представляют собой цепочечный полимер. Примером таких веществ является асбест. Он представляет собой полисиликатный минерал. Его волокнистое строение обусловлено тем, что он содержит силикатные ионы, SO44-, связанные друг с другом в полимерные цепочки. Многие неорганические соединения с ковалентным характером связи между атомами также имеют цепочечную структуру. Например, хлорид палладия или хлорид меди (II). Такие соединения с цепочечной структурой можно рассматривать как одномерные кристаллы, при условии, что их регулярная структура ни чем не нарушается. Если это условие не выполняется, то образуется аморфное вещество (например асбест).

Слоистые структуры. Кристаллы с такой структурой, в отличие от предыдущих, можно рассматривать как двумерные регулярные макромолекулы. Классическим примером веществ со слоистой структурой является графит. Каждый его слой состоит из атомов углерода, ковалентно связанных друг с другом в правильные шестиугольники:

Соседние слои удерживаются вместе слабыми вандерваальсовыми силами. За счет этого слои легко скользят один относительно другого. Это объясняет чешуйчатую структуру графита, его способность оставлять след на бумаге и служить хорошим смазочным материалом.

Графит хорошо проводит электрический ток в плоскости своих атомных слоев, но плохо - в перпендикулярном направлении. Другими примерами веществ со слоистой структурой являются тальк и слюда. Они относятся к силикатным минералам, общим свойством которых является наличие ионов Si2O52-. Тальк имеет формулу Mg3(OH)2(Si2O5)2. Состав слюды зависит от конкретного типа этого минерала. Так, лепидолит имеет формулу KLi2Al(OH)2(Si2O5)2. Каждый слой их слоистой структуры состоит из двумерных полимеров. Такая структура объясняет скользкую текстуру талька и легкость, с которой слюда расщепляется на отдельные листки.

Каркасные (координационные) структуры. Такой структурой обладают многие силикатные минералы. Они имеют трехмерную макромолекулу, в которой атомы связаны между собой полярной ковалентной (или координационной) связью. Классическим примером минерала с каркасной структурой является алмаз. Каждый его атом углерода ковалентно связан с четырьмя другими атомами углерода, образуя тетраэдрическую структуру:

В этом смысле алмаз имеет структуру цинковой обманки, если заменить в ней каждый ион цинка и серы на атом углерода. Вся структура алмаза представляет собой по существу одну макромолекулу с очень прочной ковалентной связью между атомами. Именно это объясняет сверхтвердость данного минерала.

§ 4. Кристаллические и аморфные твердые тела

(описание коллекции).

Кристаллические тела природного происхождения ассоциируются у нас с минералами и мономинеральными смесями. Они могут существовать отдельно или входить в состав горных пород, образующих земную кору.

4.1.  Общие сведения.

Земная кора состоит из различных минералов и горных пород. Для определения минералов используют их внешние признаки. Для этого необходимо знать физические свойства кристаллических твердых тел. Главнейшими физическими свойствами минералов являются цвет, прозрачность, блеск, излом, спайность, твердость и др. свойства.

Цвет минерала зависит от химического состава минерала, то есть от природы и распределения атомов и ионов в кристаллической решетке.

Блеск минералов определяется их способностью отражать от своей поверхности свет. Различают следующие виды блеска:

§  алмазный - самый сильный блеск (алмаз, сфалерит и др.);

§  стеклянный - блеск поверхности стекла (галит, кальцит и др.);

§  жирный - поверхность кажется как бы покрытой тонкой пленкой жира (кварц на изломе, нефелин);

§  матовый – поверхность минерала совсем не блестит (халцедон и др.).

Прозрачность. Способность минералов пропускать свет; прозрачными являются кристаллы, через которые ясно видны посторонние предметы (мусковит, горный хрусталь); непрозрачные, соответственно, свет не пропускают; просвечивающие, это те, через которые свет проходит в очень тонких пластинках.

Спайность – это способность минералов раскалываться по определенным направлениям. Плоскости, по которым раскалывается минерал, называется плоскостями слойности.

Твердость. Под твердостью минерала понимают способность сопротивляться внешним механическим воздействиям. Для определения твердости принята шкала Мооса, в которой в качестве эталонов используются минералы с известной и постоянной твердостью.

Излом. Это свойство проявляется при разламывании минерала не по плоскости слойности. Различают излом ровный, ступенчатый, неровный, занозистый и раковинистый.

К числу характерных свойств минералов относится также свойство самоогранения при росте, то есть способность образовывать кристаллы.

Каждому минералу присуща своя кристаллическая форма, зависящая от типа связей решетки, химического состава и условий его формирования. В кристалле различают следующие элементы: грани, или плоскости ограничивающие кристаллы, ребра – линии пересечения граней, вершины – точки пересечения ребер, гранные углы – углы между гранями. Вершины кристаллов соответствуют узлам, ребра – рядам, а грани – плоским сеткам пространственной решетки (рис.1).

Для всех кристаллов одного и того же вещества углы между соответствующими гранями одинаковы и постоянны (рис. 1, I). Это закон постоянства гранных углов позволяет определять минералы даже в мелких обломках кристаллов и вывести идеальную форму для каждого кристалла, характеризующую тип симметрии (рис. 1, II).

Все виды симметрии группируются по степени сложности в семь крупных кристаллографических систем – сингоний (рис.3).

Триклинная сингония характеризуется только центром симметрии.

Моноклинная – одной плоскостью симметрии, либо одной осью второго порядка или той и другой одновременно в сочетании с центром симметрии.

Ромбическая сингония характеризуется тем, что принадлежащие к ней кристаллы имеют форму ромба.

Тригональная сингония характеризуется высшим сочетанием элементов симметрии, типичной формой кристаллов являются ромбоэдры.

Для кристаллов гексагональной сингонии характерна форма шестигранных призм.

Рис. 1. Элементы строения и оси симметрии кристаллов:

I –гранные узлы при меняющейся форме кристаллов одного минерала
(а, б – грани; α, β) – гранные узлы); II –оси симметрии куба: а – второго порядка L2; б – третьего L3 и четвертого L4 порядка.

Рис. 2. Плоскости и центр симметрии кристаллов:

I – расположение девяти плоскостей симметрии Р в кубе (на рисунке заштрихованы); II – расположение центра симметрии С.

Тетрагональная сингония отличается присутствием в системе элементов кристаллов одной оси четвертого порядка. В сечении они имеют форму квадрата или восьмиугольника.

Кубическая сингония объединяет наиболее симметричные кристаллы. Они обладают формой кубов, октаэдров и др.

Горные породы представляют собой рыхлые или плотные агрегаты минералов или мономинеральных смесей.

По происхождению они делятся на III группы:

- магматические породы, которые образуются из магмы, застывающей в недрах Земли или на ее поверхности;

- осадочные породы образуются в процессе накопления и преобразования продуктов разрушения ранее возникших горнных пород, органических и неорганических веществ биогенного происхождения.

- метаморфические породы являются результатом преобразования магматических и осадочных пород на большой глубине под влиянием высоких давлений и температур, действующих длительное (в геологической шкале) время.

Породы могут состоять из одного минерала (мономинеральные) или из нескольких (полиминеральные).

4.2. Характеристики отдельных минералов,
составляющих коллекцию.

4.2.1 Пирит, FeS2.

Твердость 6,0 - 6,5. Удельный вес (далее уд. вес) 4,9 - 5,2. Цвет латунно-желтый (соломенно-желтый) с буроватой побежалостью на поверхности. Блеск металлический. Спайность – весьма несовершенная. Излом неровный. Сингония кубическая. Пирит широко распространен в виде вкрапленников в разных породах, имеющих форму куба. На гранях куба обычно заметна хорошо выраженная штриховка, параллельная ребру куба. Причем штрихи на трех смежных гранях взаимно перпендикулярны.

При выветривании, под воздействием кислорода воздуха и влаги, образуется серная кислота, которая разрушающе действует на породу. В результате пирит переходит в лимонит (см. 4.2.2).

Пирит встречается в магматических, метаморфических и осадочных породах.

Горные породы, содержащие пирит, мало пригодны для строительства. Основное применение пирита – получение серной кислоты.

4.2.2 Лимонит, Fe2O3 · nH2O

Название этого минерала происходит от греческого слова «лемон» - луг (имеются в виду луговые и болотные руды). Синоним – бурый железняк. Твердость 4,0- 5,5 (рыхлые же разности имеют твердость 1,0). Уд. вес – 3,6 – 4,0. Цвет бурый, желтый иногда почти черный. Блеск матовый, излом землистый. Встречается он в скрыто кристаллическом (гелеобразном) состоянии в виде плотных или землистых масс, а также натечных, почковидных, оолитовых форм. Кристаллов не образует.

Лимонит является минералом поверхностного происхождения и образуется за счет выветривания всех железосодержащих минералов, а также жизнедеятельности ферробактерий. Лимонит принадлежит к числу важнейших руд железа.

Глинистые бурые железняки и железистые глины идут на приготовление красок – охры, железного сурика.

4.2.3 Алмаз, C

Твердость 10. Уд. вес 3,5. Цвет, в зависимости от примесей, голубой, черный, желтый и д. р. Блеск – сильный (алмазный). Спайность совершенная в четырех направлениях (по октаэдру). Характерная форма: восьми - и двенадцатигранные кристаллы (октаэдр, ромбододекаэдр и д. р.). Сингония кубическая. В абсолютных единицах твердости алмаз превосходит многие другие минералы более чем в 1000 раз.

Образование алмаза происходит при кристаллизации ультраосновной магмы в трубках взрыва.

Используется как драгоценный камень; применяется также для шлифовки изделий, изготовления буровых коронок; в приборах для измерения твердости минералов и т. д.

4.2.4 Галит (каменная соль), NaCl

Название от греческого слова «галос» - соль. Твердость 2. Хрупкий. Уд. вес 2,1 – 2,2. цвет белый до прозрачного, от примесей окраска может быть серой, розовой, синей и т. д. Блеск стеклянный. Спайность весьма совершенная по кубу. Сингония кубическая.

Плавится при 800°С. В 100 г. воды растворяется до 35 г. каменной соли.

Галит – минерал осадочного происхождения (лагунно-морской химический осадок). Применяется как пищевой продукт и консервирующее средство; используется для получения соляной кислоты, хлора, соды; при изготовлении антифрикционных сплавов.

4.2.5 Халцедон, SiO2.

Название происходит от древнего города Халцедон на побережье Мраморного моря. Одна из многочисленных модификаций кремнезема и является скрытокристаллической разностью кварца. Встречается в виде плотных масс, натечных почковидных образований или желваков. Халцедон, с примесями глинистых частиц, называется кремень. Твердость 7. Цвет серый, у кремня – бурый. Блеск от воскового до матового. Спайность отсутствует. Кристаллов не образует.

Используется в ювелирном деле, как абразивный материал, а также для изготовления точных лабораторных приборов.

4.2.6 Опал, SiO2 и H2O

Твердость 5,0 – 6,5. Уд. вес 1,9 – 2,5. Окраска: желтая, красная, зеленая, голубая т. д. Блеск стеклянный, слабожирный, восковой. Спайности нет, кристаллов не образует.

Опал выделяется из горячих водных растворов (гейзеров) или из холодных - за счет разрушения кремнистых соединений. Большую роль в образовании опала играет жизнедеятельность организмов (радиолярий, диатомовых водорослей), после отмирания которых образуются породы - опоки, диатомиты, трепел.

Благородный опал используется как поделочный камень. Диатомиты, опоки и трепелы – в производстве огнеупорных кирпичей, в абразивной и керамической промышленности.

4.2.7 Графит, C.

Твердость 1. Уд. вес. 2,09 – 3,23. Цвет от железо-черного до серо-стального. Мягкий, жирный на ощупь. Блеск – металлический. Спайность – совершенная в одном направлении. Сингония гексагональная. Хорошо образованные кристаллы имеют вид шестиугольных пластинок и табличек.

Графит имеет классическую слоистую структуру. Кристаллы с такой структурой можно рассматривать как двумерные макромолекулы (см.3.3.2).

Графит встречается в магматических и метаморфических породах. Искусственно графит получают из угля (антрацита) в электрической печи при высоких температурах.

Применяется графит для изготовления электродов, щеток, смазки для машин, а также в красильном деле и т. д.

4.2.8 Кварц, SiO2.

Твердость 7. Уд. вес 2,65. Окраска кварца различна. Чаще всего он молочно-белый, водянопрозрачный. Различают разновидности кварца: прозрачный – горный хрусталь; фиолетовый – аметист; желтый – цитрин; черный, почти непрозрачный – морион. Спайность отсутствует, излом – раковистый. Блеск – стеклянный, на изломе – жирный. Температура плавления 1713°С.

Форма кристаллов удлиненно-призматическая шестиугольных очертаний. Грани призмы часто имеют горизонтальную штриховку. Сингония – тригональная.

Кварц, одна из многочисленных форм кремнезема SiO2, принадлежит к силикатам с каркасной структурой (см. 3.3.2). Схематическое двумерное изображение его кристаллической структуры приведено ниже:

Каркасная структура кварца определяет его принадлежность к макромолекулярным ковалентным кристаллам.

Образование кварца происходит в разнообразных условиях. Возникает он в связи с магматическими процессами и является породообразующим минералом для многих магматических пород. Кварц широко распространен также среди осадочных отложений и метаморфических пород.

Применение кварца разнообразно:

1.  горный хрусталь употребляется для изготовления оптических приборов;

2.  в стекольно-керамической промышленности из кварца изготовляют стекло, фарфор и фаянс;

3.  кристаллы горного хрусталя, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, употребляются в радиотехнике;

4.  прозрачные разности кварца применяются в качестве поделочных камней.

  Асбест – Хризотил

Твердость 2 – 3. Цвет белый, зеленовато-желтый. Блеск шелковистый. Встречается обычно на фоне сплошной массы серпентина в виде «прожилков», в которых волокна асбеста ориентированы перпендикулярно к стенкам.

Асбест, как и многие силикатные минералы, имеет полимерную цепочечную структуру, то есть представляет собой полисиликатный материал (3.3.2). Из-за нарушения периодичности своего строения асбест относится к аморфным веществам. Внутренняя структура этого минерала определяет весьма совершенную спайность в одном направлении и небольшую твердость.

Асбест широко используется как огнестойкий, тепло - и электроизоляционный материал. Отходы асбестовой промышленности применяются в качестве балласта на железных дорогах.

4.2.10 Серпентин, 3MgO·2SiO2·2H2O

Твердость 2,5 – 4,0. Уд. вес 2,6. Цвет зеленый до зеленовато-черного. Блеск жирный, восковой. Спайность отсутствует или слабо выражена. Образуется в результате гидротермального метаморфизма ультраосновных магматических пород.

Применяется в качестве облицовочного поделочного камня. Бедные кремнеземом разновидности с небольшими добавками магнезита могут служить сырьем для изготовления огнеупорных кирпичей.

4.2.11 Сера, S8

Твердость 1 – 2. Уд. вес 2,05 – 2,08. Хрупкая. Цвет обычно желтый, редко – буроватый. Цвет черты желтоватый. Блеск на гранях алмазный, на изломе жирный. Спайность несовершенная.

Сера существует в двух кристаллических формах – ромбической или моноклинной, в зависимости от температуры.

Обе ее формы являются примером молекулярных кристаллов. Молекулы в них представляют собой гофрированные циклы, содержащие восемь ковалентносвязанных атомов.

Образуется при вулканических извержениях в результате разложения сернистых газов, при разложении гипса, некоторых серосодержащих органических соединений.

Сера применяется в сернокислотной, целлюлозно-бумажной, спичечной и др. областях промышленности.

4.2.12 Мусковит (московское стекло), K2O·3Al2O3·6SiO2·H2O

Твердость 2,5 – 3. Уд. вес 2,76 – 3,10. В тонких листах бесцветен, часто обладает желтоватым, сероватым, зеленоватым или красноватым оттенками. Блеск стеклянный. Спайность весьма совершенная в одном направлении. Форма кристаллов обычно таблитчатая или пластинчатая. Сингония моноклинная. Температура плавления 1260ºС.

Мусковит входит в состав многих магматических, метаморфических и осадочных пород.

Применяется при изготовлении изоляционных материалов в электротехнике и строительной промышленности.

4.2.13 Тальк, 3MgO · 4SiO2 · H2O

Твердость 1. Уд. вес 2,7 – 2,8. Цвет бледно-зеленый., белый, светло-желтый. Блеск стеклянный с перламутровым отливом. Спайность весьма совершенная. Для талька характерны листовидные, чешуйчатые, часто плотные массы. Сингония моноклинная.

Образуется этот минерал в верхних частях земной коры в результате действия воды и углекислоты на ультраосновные и основные породы, богатые магнием, - перидотиты, амфиболиты и т. д.

Слюда и тальк относятся к силикатным минералам. Общим их свойством является наличие ионов Si2O5. Состав слюды зависит от конкретного типа этого минерала. Например, лепидолит, в отличие от мусковита, имеет формулу KLiAl(OH)2(Si2O5)2. И слюда, и тальк обладают слоистой структурой. При этом каждый слой состоит из двумерных полимеров. Слоистая структура объясняет скользкую структуру талька и легкость, с которой слюда расщепляется на отдельные листочки. В силу слоистой двумерной структуры эти минералы можно отнести к макромолекулярным кристаллам.

4.2.14 Обсидианы – аморфная модификация кварца.

Представляют собой стекла кислого состава и похожи на обычное стекло, окрашенное в различные, часто очень темные (до черного) цвета. Обсидиан (по имени римлянина Обсиуса) представляет собой плотную аморфную стекловатую массу, часто без вкраплений. Излом раковистый. Блеск стеклянный.

Используется в качестве «гидравлической» добавки, то есть способен затвердевать под водой в смеси с гашеной известью; идет на изготовление темного стекла; применяется как поделочный камень.

К стеклам относится также и пемза. Это легкая, пористая порода. Окраска разнообразная – белая, серая, желтоватая, иногда красноватая. Пористость пемзы 80%. Плавится при температуре ºС. Объемный вес 900кг/м3. Больших скоплений не образует и чаще всего встречается в виде отдельных обломков, выброшенных в процессе извержения вулканов. Большое применение как абразивный (шлифовальный) и теплоизоляционный материал, в качестве заполнителя для легких бетонов, для фильтров и др.

§5. Задание для самостоятельной работы.

5.1. Для изучающих материаловедение

5.1.1 Изучить основные сведения о строении и свойствах кристаллических твердых тел и составить отчет

5.1.2 В нем охарактеризовать классификацию кристаллов по природе химической связи

5.1.3 Описать металлические кристаллы.

5.2. Для изучающих практическую геологию

5.2.1 Изучить породообразующие минералы и составить отчет.

5.2.2 В нем описать их характеристики и свойства (внешний вид минералов; цвети оттенок; блеск; излом; спайность; сингонию; твердость; прозрачность; название; принадлежность к горным породам).

5.2.3 Определить области применения минералов.

5.2.4 Подробно описать минералы входящие в коллекцию