2.Лекция Основы геометрической кристаллографии

Цель: ознакомление с основами геометрической кристаллографии

1.Характеристика кристаллического состояния. Анизотропия свойств.

2.Эмпирические законы кристаллографии. Геометрические способы описания кристаллов. 3.Пространственные решетки, кристаллографические системы координат.

4.Индексы кристаллографических направлений и плоскостей.

Ключевые слова: анизотропность, однородность,способность самоограняться, элементарный параллепипед, пространственная решетка,индексы направлений, индексы плоскостей.

Характеристика кристаллического состояния .Анизотропия свойств

С макроскопической точки зрения кристаллическое вещество характеризуется тремя основными свойствами: однородностью, анизотропностью и способностью самоограняться. Эти свойства обусловлены внутренним строением кристаллов.

Однородность – свойство физического тела быть одинаковым во всем объеме. Однородность проявляется в том, что два одинаковых элементарных объема кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, но вырезанные в разных точках этого вещества, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам.

Неободимо отметить, что большинство реальных кристаллических веществ обладают какими-либо дефектами,а следовательно, отличаются несовершенством. Вследствие этого абсолютной однородности в реальных кристаллах часто не бывают.

Однородность кристаллов проявляются при рассмотрении объемов, значительно превышающих объем материальных частиц их составляющих. При субмикроскопическом рассмотрении кристаллической среды ее следует считать дискретной, прерывистой. При рассмотрении объемов, соизмеримых с объемами материальных частиц, свойства кристаллов в точках, где есть частица и где она отсутствует, не могут быть одинаковы, т.е. свойства дискретны. Однако для описания большинства свойств кристаллических веществ достаточен объем, значительно большии, чем собственный объем частиц, но значительно меньшии , чем объем кристалла в целом. Именно в таком понимании кристалл однороден.

Анизотропность (неравносвойственность) – особенность однородного тела, заключающаяся в том , что свойства тела одинаковы по параллельным направлениям и неодинаковы по непараллельным направлениям.

Решетчатое строение кристаллов неизбежно связано с анизотропностью. Вдоль параллельных направлений – рядов решетки растояние между материальными частицами одинаковы, а вдоль непараллельных направлений - -различны. Поэтому и физическое свойства кристаллов (твердость, теплопроводность, электропроводность, и др.) проявляются в зависимости от направления в решетке.

Анизотропно тепловое расширение кристаллов. Например, у графита расширение вдоль вертикальной оси в 14 раз больше, чем в направлениях поперечных к этой оси. Анизотропия теплового расширения может быть у некоторых кристаллов даже и такой, что в одном направлении кристалл расширяется, а в другом в то же время сжимается. Так, кальцит СаСОз при нагревании расширяется в продольном направлений, а в поперечном сжимается.

Различна в разных направлениях и теплопроводность монокристаллов. У графита теплопроводность вдоль слоев в четыре раза больше, чем по нормали к слоям.

Особенно наглядна анизотропия механических свойств кристалла. Кристаллы со слоистой структурой – слюда, гипс, графит , тальк- в направлении слоев легко расщепляются на тонкие листочки, но намного труднее расколоть или разрезать их в поперечном направлении.

Твердость кристаллов также зависит от направления слоев. Это легко увидеть, если поцарапать каким-нибудь острием грань кристалла. По одним направлениям царапать легче, чем по другим и царапины получаются разной длины и ширины. Например, минерал дистена Аl₂O [SiО₄] легко царапается лезвием ножа вдоль удлинения, тогда как в направлении, перпендикулярном удлинению, нож не оставляет следов.

В некоторых кристаллических веществах те или иные свойства изотропны (равносвойственны), т.е. они одинаковы проявляются по всем направлениям. Так, в кубических кристаллах скорость распространения света не зависит от направления,

Т.е. такие вещества оптически изотропны.

В свете вышеизложенного очевидно, что при изучении однородности кристалл следует рассматривать его свойства лишь по параллельным направлениям.

В поликристаллах свойство во всех направлениях одинаковы (усреднены) из-за большого количества по-разному ориентированных кристаллов. Это кажущаяся независимость свойств от направления в поликристаллах называется квазиизотропной (ложной изотропией). Если в поликристаллах создается одинаковая ориентировка кристиллитов, то появляется анизотропия свойств.

Способность самоограняться – свойство кристаллов принимать многогранную форму при определенных условиях их роста. Это свойство присуще только кристаллам. Кристаллы вырастают многогранными потому, что скорости роста кристаллов самоограняться связано с их структурой. Так, если выточенный из кристалла шарик (например, из поваренной соли) поместить в пересыщенный раствор, то через некоторое время шарик покроется гранями и превратится в куб.

Кристаллы металлов обычно имеют небольшие размеры. Поэтому металлические изделия состоит из очень большого числе кристаллов, такое строение называется поликристаллическим агрегатом. Кристаллы в процессе роста могут мешать друг другу и не имеют возможности принять правильную форму. Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом агрегате называют зернами или кристаллитами.

Эмпирические законы кристаллографии. Геометрические способы описания кристаллов.

Кристаллохимия изучает связь структуры кристаллов с их физико- химическими свойствами.

Различие и многообразие кристаллических структур зависит от химической природы вещества, от размеров атомов или ионов, от сил связи между ними.

Задача о «вычислении» конкретной кристаллической структуры весьма сложная. Однако весь комплекс теоретических и эмпирических данных, составляющих предмет кристаллохимии, позволяет объяснить многие особенности строения кристаллов, вычислить и предсказать ряд их свойств.

Особую роль в установлении теоретических основ кристаллохимии сыграло учение Е.С.Федорова о 230 пространственных группах симметрии кристаллов. Теоретический вывод 230 законов расположения частиц в кристаллах блестяще подтвердился последующими рентгеноструктурными исследованиями. Множество кристаллических структур изучено к настоящему времени и все результаты находятся в полном соответствии с выводами Е.С.Федорова.

Значение кристаллохимических закономерностей не ограничиваются пределами кристаллографии. Данные кристаллохимии находят применение не только в геологических дисциплинах – минералогии, геохимии, учении о рудных месторождениях, но и в области современной химии, металлургии и других науках.