Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Основные элементы кристаллографии и кристаллохимии

Читайте также:
  1. I.Основные положения
  2. II. Основные задачи
  3. II. Основные принципы и правила служебного поведения
  4. III. Гражданская война: причины, основные этапы, последствия.
  5. III. Основные направления деятельности по регулированию миграционных процессов в Российской Федерации
  6. III. Основные направления функционирования общенациональной системы выявления и развития молодых талантов
  7. III. Теоретическая и основные части работы

I. МИНЕРАЛЫ

Первые сведения о минералах можно найти в древнейшем индийском письменном источнике «Вед», относящемся примерно к XI-X вв. до н. э. На протяжении веков и тысячелетий первоначальное понятие о минерале, как о куске руды или камне, из которого можно получать металл (от латинского «minera» - кусок руды), постепенно трансформировалось и претерпело существенные изменения. Сейчас большинство исследователей минералами называют природные химические соединения или отдельные элементы, однородные по химическому составу и внутреннему строению, образовавшиеся в результате различных физико-химических процессов, происходящих в земной коре и на ее поверхности.

Большинство минералов находится в природе в твердом кристаллическом состоянии. В настоящее время список известных минералов насчитывает около 4 тысяч видов, и ежегодно открываются десятки новых, но лишь немногие из них (около 70) имеют широкое распространение в земной коре в составе горных пород. Эти минералы называют породообразующими. Главные породообразующие и рудные минералы являются объектами нашего изучения в курсе «Основы геологии».

Основные элементы кристаллографии и кристаллохимии

При нормальных условиях известно два типа состояния твердых тел: кристаллическое и аморфное. Если расположение частиц (атомов, ионов или молекул) в твердом теле подчиняется правильной трехмерной периодичности, то такие тела получили название кристаллических. Кристаллы имеют формы разнообразных многогранников - кубов, призм, пирамид и др. Внешние плоскости кристаллов получили название грани, линии пересечения граней - ребра, а точки пересечения трех и более ребер - вершины. Одним из важных положений кристаллографии является закон постоянства гранных углов - для всех кристаллов одного и того же вещества углы между соответствующими гранями кристаллов одинаковы и постоянны. Этот закон позволяет определять минералы путем измерения углов между гранями кристаллов.

Каждый из кристаллов характеризуется определенной симметрией, т.е. закономерной повторяемостью одинаковых граней, ребер и углов при его вращении в пространстве. Выделяют следующие элементы симметрии: плоскости, оси и центр симметрии. Плоскость симметрии - воображаемая плоскость, которая делит кристалл на две равные части, каждая из которых является зеркальным отражением другой. Ось симметрии (L) - воображаемая линия, при вращении вокруг которой на 360о кристалл несколько раз повторяет свое первоначальное положение в пространстве (рис.1). Число подобных повторений получило название порядка оси симметрии. В кристалле могут быть оси симметрии только второго (L2), третьего (L3), четвертого (L4) и шестого (L6) порядков. В одном кристалле могут одновременно присутствовать несколько осей симметрии одного или разных порядков. Центр симметрии - точка внутри кристалла, вокруг которой правильно повторяются Рис.1. Оси симметрии грани и ребра кристаллов.

В кристаллах возможны только 32-е различные комбинации элементов симметрии, получившие название кристаллографических классов или видов симметрии (рис.2). Кристаллографические классы объединены в сингонии (табл.1).

Форма кристаллов зависит от особенностей закономерного распределения в пространстве частиц, слагающих минералы - атомов (ионов) или молекул. В аморфном веществе эти частицы располагаются неупорядоченно.

Таблица 1

Виды симметрии минералов

Категория Сингония Характерные элементы симметрии
Низшая Триклинная Элементы симметрии отсутствуют или есть только один центр симметрии
Моноклинная Одна ось симметрии второго порядка (L2) и одна плоскость симметрии
Ромбическая Число осей симметрии второго порядка (L2) и плоскостей симметрии равно трем
Средняя Тригональная Одна ось симметрии третьего порядка (L3)
Тетрагональная Одна ось симметрии четвертого порядка (L4)
Гексагональная Одна ось симметрии шестого порядка (L6)
Высшая Кубическая Четыре оси симметрии третьего порядка (4L3)

 

Закономерное пространственное расположение атомов, ионов или молекул в минерале образует структуру кристалла, или его кристаллическую решетку. Последняя может быть представлена в виде плотно пригнанных друг к другу многогранников, часто называемых полиэдрами (кубов, тетраэдров, октаэдров и др.), в вершинах, центрах или серединах граней которых на строго определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы или ионы. Они образуют так называемые узлы кристаллической решетки. Кристаллические структуры крайне разнообразны. Они определяют внешнюю форму кристаллов и зависят от химического состава минералов, т.е. определенным минералам свойственны и определенные кристаллические формы.

В зависимости от характера частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, и природы химических связей различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, металлические и молекулярные.

Рис.2. Примеры симметрии некоторых минералов.

 

 

В узлах ионной (гетерополярной) решетки располагаются противо-положно заряженные ионы разных элементов. Притягивание разноимен-ных ионов обусловливает ионную связь. Эта связь очень прочная. Ионную решетку имеют многие минералы, например силикаты, галит (рис.3).

Атомные решетки характери-зуются тем, что в их узлах находятся атомы элементов, между которыми существует ковалентная (гомополярная) связь. Кристаллы с атомной решеткой имеют большую твердость, высокие температуры плавления и кипения. Примером минерала с атомной решеткой может служить алмаз.

Рис. 3. Структура галита (поваренной соли) при увеличе-нии: серые круги – это хлор, а черные круги – натрий  

Металллические решетки характеризуются прочным каркасом из положительно заряженных ионов металла, между которыми равномер-но распределены электроны, образу-ющие так называемый «электронный газ». Такие решетки характерны для типичных металлов - меди, серебра, золота, - и объясняют присущие им характерные физические свойства: высокую электро- и теплопроводность, металлический блеск, ковкость.

Молекулярные решетки сложены отдельными атомами или молекулами, между которыми проявлены остаточные межмолекулярные (ван-дер-ваальсовые) связи. Эти связи очень непрочны, что отражается и на свойствах минералов с молекулярным типом решетки.

Кристаллические вещества с одним типом связи получили название гомодесмических. Если в одних и тех же кристаллах проявлены разные типы структурных связей, то такие кристаллические структуры называются гетеродесмическими.

У минералов преобладают гетеродесмические и ионные кристалли-ческие структуры (например, соли кислородных кислот, галогениды и др.). Атомные и молекулярные структуры в минералах встречаются относительно редко. Для оксидов и гидроксидов характерна смешанная ионно-ковалентная связь с преобладанием ионной, а для сульфидов (солей сероводородной кислоты) - та же связь, но с преобладанием ковалентной. Металлические связи и структуры типичны для самородных металлов.

Атомы и ионы, обладающие близкими величинами своих радиусов, могут замещать друг друга. Если вещества имеют однотипный химический состав и близкие размеры составляющих их ионов, то эти вещества могут образовывать смешанные кристаллические структуры. Это явление носит название изоморфизма, а такие вещества называются изоморфными по отношению друг к другу. Изоморфизм дословно переводится как «равноформенность» (от греч. isos — равный; morphe — форма). В природе изоморфизм весьма распространен, и многие минералы являются изоморфными смесями. Существует несколько видов изоморфизма:

1. Изовалентный - замещающие друг друга атомы имеют Одина-ковую валентность. В качестве примера таких замещений можно привести замещение Мg+2 на Fe+2 в оливине, когда существуют все промежуточные составы минерала от фаялита (Mg2SiO4) до форстерита (Fe2SiO4).

2. Гетеровалентный изоморфизм более сложен. Одним из важней-ших условий его появления является требование сохранения электронейт-ральности структуры. Это требование может быть выполнено в результате парного замещения, когда в одном соединении один из ионов (например, Ca2+) замещается на ион с меньшей валентностью (такой как Na1+) и в то же время другой ион (например Al3+) замещается на ион с большей валент-ностью (такой как Si4+). Суммарный заряд при этом сохраняется, что можно выразить в виде равенства: Ca2+ + Al3+ = Na+ + Si4+. Такой тип замещений известен в ряду плагиоклазов.

Образующиеся в результате изоморфизма химические соединения переменного состава принято называть твердыми растворами.

Ионы различных элементов могут замещать друг друга в различных пределах. В соответствии с этим изоморфные замещения разделяют по степени, с которой они могут проявиться, на полные и ограниченные.

· Полный изоморфизм наблюдается в тех случаях, когда известны все промежуточные составы между конечными членами изоморфных рядов и серий твердых растворов. Такими являются ряды составов оливина и плагиоклазов.

· Ограниченный изоморфизм распространен более широко. Он выража-ется в значительных колебаниях состава многих минералов, обусловленных вхождением изоморфных ионов-примесей в данную кристаллическую струк-туру в определенных пределах. Примером ограниченных замещений является сфалерит, а также ряд более сложных силикатных минералов, таких как пироксены и щелочные полевые шпаты.

Составы природных изоморфных смесей принято отображать в их структурных формулах, отделяя изоморфные элементы, находящиеся в одной структурной позиции, запятой и заключая в круглые скобки. Особенно важны такие структурные формулы для минералов сложного состава, какими являются все основные породообразующие силикаты: пироксены, амфиболы, полевые шпаты. Примером такой структурной формулы может служить формула роговой обманки, одного из самых распространенных минералов магматических горных пород: (Ca,Na)2(Mg,Fe2+)4(Fe3+,Al)[(Si,Al)4O11]2(OH)2.

Для формирования структуры большое значение имеют внешние физико-химические и термодинамические условия. Под влиянием изменения этих условий вещество одного и того же состава может образовывать различные структуры. Это явление получило название полиморфизма (от греч. polymorphos - многообразный). Еще в начале прошлого века было замечено, что кристаллы серы, выпадающие из раствора, принадлежат к ромбической сингонии, а кристаллизующиеся из расплава — к моноклинной сингонии.

Рис. 4. Полиморфные модификации углерода а - графит (гексагональный); б – алмаз (кубический)

Полиморфизм широко распространен среди природных соединений. Вещества одного состава, имеющие различную структуру, часто резко отличаются своими свойствами и признаками. Яркий пример этого - полиморфные модификации углерода (рис.4). Алмаз и графит состоят из чистого углерода, однако имеют различную кристаллохимическую структуру. В результате особенностей расположения атомов алмаз является самым твердым из известных веществ на Земле, кристаллизуется в кубической сингонии, прозрачен, имеет высокую плотность (3,5). Графит же очень мягок, обладает прекрасной спайностью, кристаллизуется в гексагональной сингонии, имеет черный цвет, отличается небольшой плотностью (2,2).


Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 167 | Нарушение авторских прав



mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.008 сек.)