Кристаллическое и аморфное состояния вещества.

Цель модуля: познакомить студентов с существующими

формами агрегатного состояния вещества, показать различие между твердым аморфным и твердым кристаллическим веществом, дать понятие о строении кристаллической решетки и кристаллической структуре вещества, указать прикладное значение кристаллографии в минералогических исследованиях.

Само понятие «вещество» не имеет четких границ и может трактоваться по разному в зависимости от конкретных задач исследования. В данном случае под веществом следует понимать любое неорганическое химическое соединение, находящееся в определенном агрегатном состоянии при соответствующих параметрах окружающей среды, главными из которых являются температура ( Т ), давление ( Р ) и химизм обстановки ( Х ).

Агрегатное состояние вещества – это одна из возможных форм фазовых состояний, отличающаяся от других комплексом физических свойств (например, газообразное, жидкое, твердое – аморфное, твердое – кристаллическое). В случае изменения параметров окружающей среды (температуры, давления химизма обстановки) одно и то же вещество может менять свое агрегатное состояние, приспосабливаясь к изменившимся условиям существования. Твердая фаза может переходить в жидкую (растворение, плавление) или газ (испарение, сублимация, возгонка); жидкость может испаряться, переходя в газ или затвердевать; газ может конденсироваться, превращаясь в жидкость или трансформироваться в твердую фазу (в геологии такой процесс называют пневматолитовым).

Исходя из вышесказанного, одно и то же вещество в зависимости от условий (ТРХ) может соответственно находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. Какова же природа этого явления? В чем состоит различие между агрегатными состояниями?

Принципиальным различием между формами существования вещества – его агрегатными состояниями будет степень упорядоченности в пространственном распределении частиц (атомов, ионов, молекул), слагающих вещество.

Следует пояснить. Что имеется два основных понятия в характеристике системы порядок–беспорядок организации вещества. Ближний порядок - характер и сила взаимодействия между близрасположенными частицами и дальний порядок – закономерность общей организации вещества во всем его объеме.

Наименее упорядоченным является газообразное состояние вещества, когда атомы или молекулы свободно перемещаются в пространстве, образуя облако ничем не связанных между собой частиц. В таком агрегате отсутствует всякая упорядоченность – частицы (атомы, молекулы) газа не связаны между собой – отсутствует ближний порядок и нет какой-либо общей закономерности в приложении ко всему агрегату в целом – газовое облако не имеет определенной формы – в нем отсутствует дальний порядок.

Жидкое агрегатное состояние вещества является более упорядоченным по сравнению с газообразным. Отдельные частицы жидкости (молекулы, ионы) связаны между собой силами взаимодействия (дипольный момент, водородные мостики, разнозаряженные ионы в электролитах и т.д.), обеспечивая соответствующие физические свойства, например вязкость, повышенную плотность, электропроводность и пр. Жидкий агрегат принимает форму заключающего его сосуда, а в свободном состоянии образует капли. Таким образом, в жидкостях имеется определенный ближний порядок в распределении и взаимодействии частиц, но отсутствует дальний порядок, поскольку жидкие агрегаты не имеют собственной формы.

Наконец, твердое агрегатное состояние вещества. Здесь слагающие его частицы (атомы, ионы, молекулы) достаточно прочно связаны между собой, обеспечивая ближний порядок, но при этом дальний порядок существует не всегда. Твердое вещество может быть аморфным или кристаллическим. В аморфном веществе частицы связаны лишь между собой, но имеют хаотическое общее пространственное распределение, в связи с чем такие агрегаты не обладают определенной формой, то есть в них, как и в жидкостях, отсутствует дальний порядок. Разница лишь в силе взаимодействия частиц. Так стекло, представляющее собой аморфное вещество, имеет твердость 5 по шкале твердости Мооса, но определенную форму может принять лишь в результате искусственной огранки. По своему общему агрегатному состоянию аморфные вещества аналогичны жидкостям и могут рассматриваться как их переохлажденные разности.

В твердом кристаллическом веществе, слагающие его частицы (атомы, ионы, молекулы) не только связаны между собой, но и имеют четкое закономерное трехмерное пространственное распределение во всем объеме, чем обеспечивается не только ближний, но и дальний порядок организации всего агрегата, вследствие чего кристалл приобретает форму правильного многогранника.

Таким образом, если подходить к организации вещества по принципу «порядок – беспорядок» в целом, из трех возможных форм его агрегатного состояния наиболее организованной упорядоченной формой является твердое кристаллическое состояние.

Закономерное расположенные частицы вещества образуют пространственную кристаллическую решетку, которая геометрически выражает внутреннее строение кристаллического вещества. В связи с этим следует особо подчеркнуть, что закономерное распределение в пространстве частиц в кристаллическом веществе является объективной реальностью, а сама кристаллическая решетка – это лишь трехмерная модель, отображающая эту реальность. Кристаллическую решетку, как таковую, увидеть нельзя, поскольку она существует только теоретически, а закономерное пространственное распределение частиц в кристаллическом веществе можно продемонстрировать с помощью рентгеноструктурного анализа и других современных точных физических методов исследования.

Кристаллическая решетка представляет собой бесконечный трехмерный (объемный) пространственный агрегат, демонстрирующий закономерное распределение частиц вещества, слагающего кристалл. Закономерно повторяющиеся в пространстве точки, собственно составляющие в объеме кристаллическую решетку, называются узлами. Совершенно не обязательно, чтобы узел соответствовал реальному пространственному положению частицы вещества (атом, ион, молекула) – это только закономерно повторяющиеся точки всего кристаллического агрегата.

Узлы, расположенные на одной линии образуют ряд кристаллической решетки. Узлы, расположенные в одной плоскости, образуют плоскую сетку кристаллической решетки (ретикулу). В принципе, любая плоскость, проходящая через три узла не лежащие на одной прямой, уже представляют собой плоскую сетку. Таким образом, общее количество плоских сеток в любой кристаллической структуре бесконечно велико. Поскольку расстояние между узлами в различных направлениях кристаллической структуры не одинаково, то появляются плоские сетки, содержащие различное количество узлов приходящихся на единицу их площади. То есть, в кристаллической решетке имеются одни плоские сетки, более густо усеянные узлами, другие менее. Количество узлов, приходящееся на единицу площади какой-либо плоской сетки (ретикулы) – определяет ретикулярную плотность соответствующей плоской сетки. Естественно, что плоские сетки, проходящие в различных направлениях кристаллической решетки, будут отличаться ретикулярной плотностью. Позже мы увидим, что ретикулярная плотность имеет не только теоретическое, но и практическое значение, так как от нее зависят такие свойства кристалла как огранка, спайность, твердость и др.

Главная особенность кристаллического вещества – это закономерное повторение в пространстве во всем объеме узлов, рядов и плоских сеток, образующих кристаллическую решетку. В связи с этим кристаллы приобретают некоторые особые свойства, отличающие их от твердых, но аморфных тел аналогичного химического состава.

К таким свойствам относятся: а/ однородность строения во всем объеме (т.е. все физические свойства во всем объеме кристалла проявляются одинаково и характеризуются одними параметрами; б/ анизотропия (векторность) проявления большинства физических свойств. Другими словами, физические свойства в кристаллах (твердость, способность к раскалыванию, теплопроводность и др.) проявляются одинаково в параллельных направлениях, но имеют другие характеристики в непараллельных; в/ способность самоограняться, т.е. принимать форму правильных многогранников.

Если однородность связана с унифицированностью кристаллической структуры вещества, то анизотропия и способность самоограняться объясняются индивидуальностью мотивов внутриструктурного строения кристаллов, образовавшихся в одинаковых условиях (значениями ТРХ среды кристаллизации).

Другими словами, благодаря закономерному внутреннему строению кристаллы способны самоограняться, т. е. при свободном росте они могут принимать форму правильных многогранников являющуюся функцией их внутреннего строения.

Возникающие при этом плоские поверхности называются гранями; пересечения граней образуют ребра; пересечения ребер – вершины. Грани, ребра и вершины составляют элементы ограничения кристаллов. Число основных граней у каждого кристалла стабильно-постоянно. Это объясняется тем, что в процессе роста в огранке кристалла сохраняются только медленно растущие грани, которые, в свою очередь, соответствуют плоским сеткам кристаллической решетки с наибольшей ретикулярной плотностью. Возникающие в процессе роста быстрорастущие грани скоро вырождаются и кристалл приобретает определенный характерный облик или габитус. Таким образом, габитус – это внешний вид ограненного кристалла с учетом наиболее развитой формы граней (кубический, призматический, дипирамидальный и т.д.).

Кроме ретикулярной плотности на скорость роста отдельных граней, ( а следовательно и габитус) могут оказывать влияние параметры среды кристаллизации (ТРХ). В результате этого кристаллы одного и того же вещества, обладающие одинаковыми кристаллическими структурами, но выросшие при разных параметрах среды могут отличаться формой огранки. Например, кристаллы пирита FeS₂ обычно имеют форму куба, но при повышении температуры кристаллизации приобретают форму пентагондодекаэдров или октаэдров.

Сочетание однородности и анизотропности главное условие существования вещества в кристаллическом состоянии. Любой самый малый обломок кристалла обладает всеми физическими свойствами целого кристалла.

Способность самоограняться реализуется не только с момента зарождения и до конца роста кристалла, но и проявляется в способности регенерации огранки обломков и даже окатанной гальки кристалла, если они окажутся в условиях соответствующих условиям роста (температура, давление, химизм среды).

Свидетельством (частным случаем) анизотропии может служить сама огранка кристалла, поскольку она свидетельствует о различной скорости роста кристалла в процессе кристаллизации в различных направлениях. В противном случае вместо ограненного кристалла определенного габитуса получился бы шар.

Более сложный и трудно объяснимый вопрос – это пределы размеров кристаллов. Среди природных образований существуют кристаллы-карлики, размеры которых не превышают тысячных долей миллиметра. По своим размерам они соизмеримы с коллоидными частицами, поэтому их и называют коллоидно-дисперсными. Такими размерами отличаются, например, минералы глин. В то же время среди минералов встречаются кристаллы- гиганты. Например, кристаллы полевых шпатов, кварца, берилла достигают весом десятков и даже сотен килограмм.

Стабильность параметров физических свойств кристаллов, а также закономерности их проявления (анизотропия) широко используются в геологии при диагностике минералов как в полевых, так и в лабораторных условиях. Например, кристаллы пирита, граната, турмалина, циркона, кварца легко узнаются благодаря характерному габитусу; такие минералы как кальцит, флюорит, гипс, слюды, полевые шпаты отличаются четко проявленной анизотропией спайности; для некоторых минералов важным диагностическим признаком является характерная форма двойников (гипс, рутил, ставролит); штриховка на гранях кристаллов помогает распознать такие минералы как кварц, турмалин, пирит и т.д.

Кристаллическое состояние вещества с точки зрения его внутренней энергии является наиболее выгодным из всех возможных агрегатных состояний, поэтому твердое аморфное вещество всегда стремится приобрести кристалличность, т. е. со временем переходит в более стабильное и энергетически выгодное кристаллическое состояние, Такой процесс упорядочения внутреннего строения аморфного вещества с образованием кристаллической структуры называется раскристаллизацией и наступает неизбежно по истечении какого-то времени. Раскристаллизация может занимать различное время от очень краткого, до достаточно длительного даже по геологическим понятиям. Например, мутнеют оконные стекла в связи с появлением в них элементов кристалличности. Обсидиан – вулканическое стекло характерно только для лав молодых вулканических излияний. Древние лавы представляют собой кристаллический минеральный агрегат, который является следствием вторичной раскристаллизации аморфных вулканических стекол

Проектное задание: Сравните основные физические свойства минералов-аморфных тел и минералов-кристаллов. Какие из этих свойств обусловлены наличием кристаллической структуры?

.

Контрольные вопросы для самопроверки усвоения материала.

1. Какие агрегатные состояния вещества Вы знаете?

2. Поясните понятия «ближний порядок», «дальний порядок» в организации вещества?

3. Какой порядок взаимного расположения частиц существует в газах?

4. Какой порядок взаимного расположения частиц существует в жидкостях?

5. Какой порядок взаимного расположения частиц существует в твердом аморфном веществе?

6. Что общего в организации вещества в жидкостях и твердых аморфных телах?

7. В чем заключается полная упорядоченность взаимного расположения частиц в кристаллическом веществе?

8. Что понимается под термином «кристаллическая решетка»?

9. Перечислите элементы строения кристаллической решетки?

10. Что такое «ретикулярная плотность» плоской сетки кристаллической решетки?

11. Перечислите особые свойства кристаллов, отличающие их от аморфных тел?

12. Поясните тезис «кристаллы однородны, но анизотропны»?

13. Что такое «анизотропия» и в чем она проявляется в кристаллах?

14. Что следует понимать под «однородностью внутреннего строения» кристалла?

15. Что обозначает термин «раскристаллизация» аморфного вещества?

Рекомендуемая литература

1. Попов Г.М., Шафрановский И.И. Кристаллография.- М.: Высшая школа, 1972.

Стр. 5-11, 15-16, 19, 30.

2. Шаскольская М.П. Кристаллография. – М.: Высшая школа, 1984.

Стр. 7-16.

3. Буллах А.Г. Минералогия с основами кристаллографии. М.: Недра, 1989.

Стр. 20-22, 54-55.

Лекция (модуль) 2 2 часа