1.Лекция Общая характеристика геологических дисциплин

Цель: ознакомление с геологическими дисциплинами

1.Понятие о кристаллах и аморфных веществах. Химический состав минералов

2.Морфология и физические свойства минералов.Процессы минералообразования

3.Классификация минералов Парагенезис минералов.Методы изучения минералов.

4.Петрография. Основные теории генезиса месторождения полезных ископаемых, промышленные типы месторождений.

Ключевые слова: монокристалл, аморфное и кристаллическое тело, многогранник,петрография,метаморфизм,магматизм.

Понятие о кристаллах и аморфных веществах

Слово «кристаллос» - греческое и в переводе означает «застывший на холоду». Во времена Гомера это слово обозначало лед. В средние века из-за внешнего сходства со льдом кристаллом стали называть горный хрусталь (кварц), а с ХУП в. это название

распростронилось на все тела, имеющие многогранную форму, будь то найденные в природе или полученные в лабораторий.

Кристаллами называют твердые тела, имеющие естественную форму многогранника и характеризующиеся закономерным расположением в пространстве элементарных частиц – атомов, ионов, молекул. К ним относятся природные кристаллы минералов, образовавшиеся в земной коре и синтетические кристаллы , полученные в лабораториях. Кристалл может и не иметь формы многогранника, но он, так же как и в обломок любого кристалла, обладает рядом макроскопических физических свойств, характерных и для хорошо ограненного кристалла.

Отдельные , целостные кристаллы называют монокристаллами, в то время как агрегаты хаотически ориентированных мелких кристалликов разного размера и неправильной формы называют поликристаллами.

Кристаллическое состояние есть термодинамически равновесное состояние твердых тел. Основным свойством кристаллического состояния является наличие правильного (упорядоченного и симметричного) расположения материальных частиц в пространстве. Частицы, из которых сложены кристаллы, т.е. ионы, атомы, молекулы,комплексы, расположены в пространстве закономерно и симметрично. Закономерность расположения частиц , их природа, их энергетическии спектр и силы связи между ними определяют физические свойства кристаллического вещества. Каждое кристаллическое вещество фиксированного химического состава имеет определенную кристаллическую структуру.

Под структурой кристалла понимают конкретное расположение материальных частиц в пространстве, симметрию, законы этого расположения. Структуру кристаллов исследуют по дифракции рентгеновских лучей, дифракции электронов и нейтронов и другими методами.

В природе существуют две разновидности твердых веществ – аморфные и кристаллические, различающиеся как по своим свойствам, а также по внешнему виду.

Те твердые тела, подобные стеклу, которые при нагревании размягчаются, становятся все менее и менее вязкими и постепенно превращаются в жидкости, являются аморфными. На плавной кривой нагрева нельзя определить его температуру плавления. Иначе ведут себя при нагреве кристаллические тела, например металлы. При нагреве

температура их повышаются до тех пор, пока не начинается плавление. В этот момент

подъем температуры останавливается и весь процесс плавления происходит при постоянной температуре (рис 1б). Очевидно, что внутреннее строение аморфных и кристалличских веществ резко различны.

Аморфный при переводе с греческого означает «бесформенный». Аморфные вещества можно рассматривать как переохлажденные жидкости с сильно пониженной подвижностью материальных частиц, их составляющих.

Рис.1. Кривые нагрева аморфных (а) и кристаллических (б) тел

Взаимное расположение материальных частиц здесь характеризуется наличием порядка только во взаимном расположении ближайших соседей - так называемом ближнем порядке (рис 2,г), в то время как твердые вещества – кристаллы- обладают кроме того также и дальним порядком, т.е. строгой периодичностью в расположении частиц, составляющих кристаллы (рис 2,а).

Таким образом аморфными телами называют такие, в которых расположение материальных частиц беспорядочно.

Различие во внутреннем строении кристаллических и аморфных тел сказываются и в различии их свойств . Для кристаллических тел характерна анизотропность (векториальность) большинства их физических свойств. Аморфные тела характеризуются

изотропностью большинства физических свойств , т.е. свойства аморфных тел одинаковы в различных направлениях. Таким образом, кристаллические тела анизотропны и способны самоограняться , аморфные тела изотропны и не способны самостоятельно принимать правильную геометрическую форму.

Аморфное вещество не является устойчивым и с течением времени обнаруживает тенденцию к кристаллизации. Так, стекло «закристаллизовывается» , образуя агрегаты мелких кристаллов : аморфный сахар (леденцы) с течением времени покрывается хрупкой корочкой кристаллического сахара. Время перехода из аморфного состояния в кристаллическое определяется природой вещества. Если в первом случае для этого потребуется сотни лет, то во втором – десятки дней.

Рис. 2. Двухмерная схема расположения материальных частиц в кристаллах (а), полимерах (б), жидких кристаллах (в) и аморфных телах (г).

Кристаллическое состояние твердого тела, по сравнению с аморфным, более устойчиво, так как закономерному расположению материальных частиц в кристаллах отвечает минимальная внутренняя энергия.

Одно и то же твердое вещество может быть получено как в кристаллическом, так и в аморфном состояниях. Образование в твердом веществе одного из указанных состоянии определяется вязкостью сплава , скоростью застывания и др. фактами. Наиболее легко образуется аморфное состояние при застывании вязких расплавов (например, стекла), менее вязкие расплавы (например,металлы) при застывании кристаллизуется.

До недавнего времени существовало убеждение, что нельзя получить аморфных твердых металлов. В последние годы появилась новая металлургическая технология получения аморфных металлических сплавов. Аморфное состояние металлов может быть получено из жидкого состояния при скоростях охлаждения 10⁴ к/с . Для ряда металлов и сплавов эта скорость охлаждения позволяет предупредить процесс зарождения кристаллической фазы и получить твердое аморфное состояние подобное стеклам. В аморфном состоянии могут быть получены тонкая лента (толщиной -10 мкм, шириной – 1 см ) и тонкая проволока «микропровод» (диаметром -10 мкм) . Металлы в аморфном состоянии обладают рядом свойств , которые позволяют им найти широкое применение (головки для магнитной записи, бритвенные лезвии и т.д.).

Кристаллическое стекло также может быть получено при определенных весьма малых скоростях охлаждения. При аналогии с кристаллом оно названо ситалом и является более прочным, чем обычное стекло.

Существуют вещества, промежуточные по своей структуре между кристаллическими и аморфными. Это полимерные вещества, состоящие из длинных цепных молекул, и жидкие кристаллы. Молекулы полимерных веществ построены из устойчивых атомных группировок – мономерных звеньев, соединенных в цепочку прочными ковалентными связами (рис.2,б). При взаимной упаковке цепных молекул в полимерных веществах молекулы стремятся распологаться параллельно друг другу. Большая длина молекул полимеров , возможность их спутывания, скручивания и т.п. затрудняют упорядочение и кристаллизацию полимерных веществ. Поэтому в полимерных веществах наряду с равновесными кристаллическими структурами наблюдаются разнообразные типы упорядоченности. Упорядоченность в этом случае ниже, чем в идеальном кристалле, но более высокая, чем упорядоченность в аморфных веществах. В отличие от аморфных тел полимеры вследствие параллельности упаковки молекул могут быть анизотропны.

Жидкие кристаллы относятся к классу веществ, строго удовлетворяющих понятию фазы и имеющие упорядоченность, промежуточную между кристаллической и жидкостной (рис.2,в). Жидкие кристаллы текучи, как и обычные жидкости, но анизотропны. Они имеют определенный температурный интервал существования, выше которого «плавятся» в изотропную жидкость, и ниже которого кристаллизуются. Свойства и структура жидких кристаллов во многом определяются тем, что молекулы веществ, образующие эти кристаллы, имеют удлиненную форму.