Лекция 3

Принципы плотнейшей упаковки атомов и ионов. Особенности кристаллических веществ. Основные понятия минералогии: полиморфизм, изоструктурные минералы, твердые растворы, изоморфизм. Типы изоморфизма.

Способы изображения кристаллических структур минералов

Существует три основных способа изображения кристаллических структур минералов на чертежах и в объемных моделях.

Первый способ – в узлах кристаллической решетки размещают шарики, их делают разного цвета или чуть разного размера для атомов разных элементов.

Второй способ – изображение атомов в виде сфер разного диаметра, целиком заполняющие весь объем модели. Размер шаров соответствует в масштабе эффективным радиусам атомов.

Третий способ – структуру изображают с помощью тетраэдров, октаэдров, кубов и других координационных полиэдров. Обычно принимается, что в середине каждого полиэдра «запакован» катион, а их вершины – центры тяжести атомов кислорода, или других анионов.

Аморфные и скрытокристаллические минералы

При определении понятия минерал мы говорили, что это кристаллическое тело. Существует, однако, несколько природных твердых тел, не имеющих кристаллического строения, но представляющих существенный интерес для минералогии. Это метамиктные минералы и некоторые аморфные вещества, например, природные стекла и гидрогели.

Метамиктные минералы можно рассматривать как некристаллическую псевдоморфозу по кристаллическому исходному минералу. Эти минералы первоначально образовывались в кристаллической форме, но их структура затем разрушилась. Свидетельствами их аморфного состояния являются оптическая изотропность и отсутствие дифракции рентгеновских лучей. У метамиктных минералов отсутствует спайность; они по внешнему виду напоминают стекла и, как правило, имеют раковистый излом. При нагревании метамиктные минералы рекристаллизуются; при этом часто выделяется такое количество тепла, что минерал самораскаляется, иногда до красного каления. При рекристаллизации заметно повышается плотность минерала. Метамиктные минералы радиоактивны, т. к. содержат уран и (или) торий, хотя содержания этих элементов могут быть невысокими (1 % или менее).

При переходе в метамиктное состояние разрушается кристаллическая структура минералов под влиянием бомбардировки α-частицами. Испускаемыми при распаде радиоактивных элементов. Однако само по себе присутствие примеси радиоактивных элементов еще недостаточно для того, чтобы вызвать метамиктное состояние. Так, например, торианит (ThO₂), по-видимому, никогда не бывает метамиктных, а некоторые другие минералы, например, ортит, циркон, встречаются как в метамиктном, так и в кристаллическом состоянии.

Природные стекла – это аморфные вещества, продукты закалки расплавов.

Гели образуются при коагуляции коллоидальных суспензий. Коллоидальные суспензии представляют собой нечто среднее между истинными растворами и суспензиями. Органические соединения с крупными молекулами часто образуют коллоидальные суспензии; они возникают также в тех случаях, когда неорганические соединения нерастворимы в природных растворителях. Диаметр частиц коллоидальной суспензии может варьировать в пределах от 10^-3 до 10^-6 мм. Некоторые частицы могут быть кристаллическими, другие – аморфными. Гели образуются, когда коллоидальные суспензии теряют часть содержащейся в них воды (или всю воду); при этом образуются такие твердые гели, как опал. К природным веществам, способным давать коллоидальные суспензии, относятся глинистые минералы, гидроокислы железа (лимонит), марганца (вад), алюминия (боксит) и кремния (халцедоны, кремни). Кроме кристаллических веществ в природе широким распространением пользуются коллоиды. Коллоидами называют разнородные (дисперсные) системы, состоящие из дисперсной фазы и дисперсионной среды. Дисперсная фаза представлена мельчайшими частичками какого-либо вещества размером 10^–4–10^–6 мм, крупнее, чем ионы и молекулы, но настолько малы, что их невозможно увидеть даже под микроскопом. Каждая дисперсная частичка состоит из сотен или тысяч ионов, которые по сути представляют собой мельчайшие фрагменты кристаллов. Среди коллоидных образований различают золи и гели, которые различаются количеством дисперсной фазы. В золях твердой фазы мало, а в гелях их так много, что они слипаются между собой, образуя студенистую массу.

Некоторые минералы, первоначально затвердевшие в виде геля, можно отличить по их характерному внешнему облику; наиболее обычным свидетельством является наличие радиальных волокон, перпендикулярных поверхности исходной массы геля.