4.Кристаллография
.doc4. Кристаллография
Кристаллография – наука о возникновении, строении, развитии и применении кристаллов. Она очень тесно связана с другими геологическими науками: минералогией, петрографией (учением о горных породах), учением о полезных ископаемых, а также с математикой, физикой, химией, физической химией, металловедением и так далее.
Основная масса минералов имеет кристаллическое строение, обусловленное упорядоченным расположением слагающих их элементов (атомов, ионов, групп ионов и даже молекул в пространстве). Значительно реже встречаются минералы, строение которых не имеет правильного размещения частиц (аморфные). Они не образуют правильных кристаллических форм: янтарь, вулканическое стекло.
1669 год – дата рождения кристаллографии. Закон постоянства углов кристаллов – на растущие грани постепенно слой за слоем отлагается новое вещество и грани разрастаются параллельно самим себе, т.е. при росте кристалла углы между гранями не меняются.
Ясно, что свойства кристалла определяются его структурой, которой, в свою очередь, управляет симметрия.
Кристаллы – вещества, в которых атомы, ионы и молекулы расположены правильными, симметричными, периодически повторяющимися рядами, сетками, решетками (tпл = tкр). Аморфные тела при нагреве размягчаются постепенно до перехода в расплав. Аморфное состояние в термодинамическом отношении является метастабильным и при благоприятных условиях способно переходить в кристаллическое состояние. Метастабильность – относительно устойчивое состояние, из которого тело может перейти в более устойчивое состояние под действием внешних факторов или самопроизвольно.
Кристаллы обладают общими физическими свойствами:
– самоограняемость – свойство кристаллов приобретать (восстанавливать) утраченную форму кристалла. При переходе веществ из паро- или газообразного состояния в твердое зарождение кристаллов происходит с присущей данному веществу геометрической формой. Если обломок кристалла поместить в пересыщенный раствор аналогичного кристаллу состава, то происходит восстановление до целого кристалла (регенерация);
–анизотропность – способность веществ количественно изменять свойства от одного направления к другому. Кристалл поваренной соли имеет форму куба. Предел прочности на разрыв в направлении, перпендикулярном граням куба, составляет 570 г/мм2, параллельно диагоналям – 1150…2150 г/мм2;
– однородность. Вырезанные из разных точек кристаллического тела участки абсолютно одинаковы по своим основным физическим свойствам (цвет, твердость, тепловые и электрические параметры и др.);
– симметрия – правильная повторяемость элементов симметрии (одинаковые грани, ребра и вершины). Все эти закономерности обусловлены:
а) плоскость симметрии (P) – плоскость, по обе стороны которой зеркально отражаются одинаковые элементы ограничения и проявляются одинаковые свойства кристаллов;
б) осью симметрии кристалла – воображаемая линия, проходящая через кристалл, при вращении вокруг которой повторяются одинаковые элементы ограничения и проявляются одинаковые свойства кристалла. Если при повороте кристалла на 360 о одинаковые элементы ограничения повторяются дважды, имеют дело с осью симметрии 2-го порядка, если трижды – с осью симметрии 3-го порядка. В кристаллах могут быть только оси второго (L2), третьего (L3), четвертого (L4) и шестого (L6) порядков;
в) центр симметрии (С) – точка, расположенная внутри кристалла, в диаметрально противоположных направлениях и на равных расстояниях от которой, располагаются одинаковые элементы ограничения и проявляются одинаковые свойства кристалла. Центр может быть только один. Любая линия, проходящая через центр симметрии, делится пополам.
Кристаллы разных размеров и форм, имеющие одинаковые совокупности элементов симметрии, относятся к одному классу симметрии. Все многообразие кристаллов в природе укладывается в 32 класса симметрии. В зависимости от симметрии элементарных ячеек кристаллических решеток все классы кристаллов подразделяются на системы (сингонии), у которых имеются соответствующие параметры элементарных ячеек: α, β, γ – углы кристаллов, а, b, с – осевые единицы кристаллов.
32 класса симметрии (по номенклатуре Федоровского института)
Класс симметрии |
Сингония |
Категория |
||||||
Примитивный |
Центральный |
Планарный |
Аксиальный |
Планаксиальный |
Инверсионно-примитивный |
Инверсионно-планаврный |
||
– |
C |
|
|
|
|
|
Триклинная |
Низшая |
|
|
P |
L2 |
L2PC |
|
|
Моноклинная |
|
|
|
L22P |
3L2 |
3L23PC |
|
|
Ромбическая |
|
L3 |
L3C |
L33P |
L33L2 |
L33L23PC |
|
|
Тригональная |
Средняя |
L4 |
L4PC |
L44P |
L44L2 |
L44L25PC |
L4i |
L4i2L22P |
Тетрагональная |
|
L6 |
L6PC |
L66P |
L66L2 |
L66L27PC |
L6i |
L6i3L23P |
Гексагональная |
|
4L33L4 |
4L33L23PC |
4L33L26P |
3L44L36L2 |
3L44L36L29PC |
|
|
Кубическая |
Выс-шая |
Внешняя форма (морфология) кристаллов определяется типом пространственной решетки. В 1848 г. французский кристаллограф О. Бравэ установил 14 типов решеток и 7 систем: кубическая, гексагональная, тетрагональная (квадратная), тригональная, ромбическая, моноклинная и триклинная. Кроме того, они подразделяются еще и на 3 категории по наличию осей симметрии высшего (3, 4 и 6-го) порядка.
14 кристаллических решеток О. Бравэ
Сингония |
Примитивная |
Базоцентрированная |
Объемно-центрированная |
Гранецентрированная |
Формы элементарной ячейки |
Триклинная |
|
|
|
Параллелепипед |
|
Моноклинная |
|
|
Призма с параллелограммом в основании |
||
Ромбическая |
Призма с прямоугольником в основании |
||||
Тригональная |
|
|
|
Ромбоэдр |
|
Тетрагональная |
|
|
Призма с квадратом в основании |
||
Гексагональная |
|
|
|
Призма с ромбом (шестиугольником) в основании |
|
Кубическая
|
|
Гексаэдр |
Характеристика кристаллографических сингоний и категорий
Категория |
Сингония |
Форма кристаллов |
Минералы |
НизшаяЕдиничных направлений – 3 и более. Нет осей симметрии порядка выше второго |
Триклинная α ≠ β ≠ γ ≠ 90 о а≠ b≠ с |
Пары граней (пинакоиды), моноэдры |
Альбит, анортит, микроклин, дистен (кианит) |
Моноклинная α = γ = 90 о β ≠ 90 о а≠ b≠ с |
Призмы и простые наклонные концевые грани (пинакоиды или моноэдры) |
Ортоклаз, тальк, эпидот, роговая обманка, гипс, арсенопирит, мусковит, авгит |
|
Ромбическая α = β = γ = 90 о а≠ b≠ с |
Ромбические призмы и пирамиды, пинакоиды, моноэдры |
Оливин, топаз, барит, антимонит, марказит, сера, топаз |
|
СредняяЕдиничное направление одно, совпадает с единственной осью порядка выше второго. а= b≠ с α = β = 90 о,γ = 120 о |
Ромбоэдр, тригональная
|
Трехгранные призмы и пирамиды |
Кальцит, доломит, магнезит, гематит, кварц |
Тетрагональная |
Квадратные призмы и пирамиды |
Халькопирит, касситерит, рутил, циркон |
|
Гексагональная (тригональная) |
Шестигранные (гексагональные) призмы и пирамиды |
Нефелин, берилл, апатит, графит |
|
ВысшаяЕдиничных направлений нет. Присутствует несколько осей симметрии порядка выше второго |
Кубическая α = β = γ = 90 о а = b = с
|
Куб, октаэдр, тетраэдр, ромбододекоэдр и др.
|
Гранаты, галит, сильвин, флюорит, алмаз, хромит, пирит, галенит
|