Понятие о кристаллическом веществе, его строении и свойствах. Основные типы кристаллических структур

Основные сведения по кристаллографии

Абсолютное большинство твердых веществ является кристаллами или имеет кристаллическое строение, поэтому освоение основ кристалло­графии поможет Вам при изучении минералогии.

Кристаллы - это твердые вещества, построенные по принципу кри­сталлической решетки и обладающие однородностью, анизотропностью, симметрией и способностью самоограняться.

Кристаллическая решетка состоит из множества равных параллеле­пипедов, параллельно ориентированных и смежных по целым граням (реб­рам и вершинам). В вершинах параллелепипедов (узлах) находятся мате­риальные частицы (атомы, ионы, молекулы). Элементарный параллелепи­пед представляет собой элементарную ячейку кристалла, которая харак­терна только для кристаллов какого-то вещества (минерала) и характери­зуется тремя линейными и тремя угловыми параметрами - а, Ь, с, а, р\ у (рис. 1), которые определяются рентгено-структурным анализом.

а

Рис. 1. Параметры элементарной ячейки (а, Ь, с - линейные, 1, 2, 3 — угловые)

В кристаллической решетке выделяются ряды (лучи) по самым раз­личным направлениям. На каждом из лучей на равном расстоянии друг от друга находятся материальные точки, расстояния между которыми на лу­чах по различным направлениям неодинаковы. Через ряды кристалличе­ской решетки можно провести множество плоскостей (плоских сеток), ко­торые будут характеризоваться различной концентрацией материальных точек. Сетки с максимальным количеством материальных точек обладают наибольшей ретикулярной плотностью, которая определяет спайность. Чем больше ретикулярная плотность плоской сетки, тем совершеннее бу­дет спайность, проходящая по этой сетке.

Однородность означает, что в любой точке кристалла свойства его одинаковы, а анизотропность, что свойства кристаллов по различным на­правлениям неодинаковы. Анизотропность объясняется тем, что по раз­личным направлениям материальные точки (атомы, молекулы, ионы) рас­полагаются на разных расстояниях, что определяет многие физические свойства, в том числе и твердость.

Свойством самоограняться, т.е. принимать многогранную форму в результате свободного роста в определенной среде и РТ-условиях, обла­дают только кристаллы.

Симметрия кристаллов

Симметрия в переводе с греческого означает соразмерность, распо­ложение одинаковых частей кристалла относительно точек, линий и плос­костей, которые и называются элементами симметрии.

Центр симметрии (С)

Центром симметрии (С) называют воображаемую точку внутри кри­сталла, на равном расстоянии от которой по любым направлениям наблю­даются одинаковые части кристалла (рис. 2 а). Иногда центр симметрии называют центром инверсии, так как элементы кристалла меняют направ­ления (рис. 2.

Рис. 2. Центр симметрии плоской фигуры (а) и понятие инверсии (смена направления) (б)

а

Правило для определения центра симметрии: при наличии центра симметрии для каждой (!) грани кристалла должна быть равная и парал­лельная грань. Если хотя бы для одной грани нет равной и параллельной, то нет и центра инверсии. Поэтому для практического определения центра инверсии необходимо все грани кристалла проверить на равность и парал­лельность (кладите на стол и смотрите).

2.2. Ось симметрии (L)

Осью симметрии называется воображаемая прямая линия внутри кристалла, при повороте вокруг которой кристалл несколько раз «занима­ет» первоначальное положение (совмещается сам с собой). Элементарный угол поворота (а) - наименьший угол, на который надо повернуть кристалл до самосовмещения. Элементарный угол поворота определяет порядок оси симметрии (п) - это число совмещений кристалла с самим собой при пово­роте на 360°.

В кристаллах развиты оси симметрии 1, 2, 3, 4 и 6 порядков. При этом осей первого порядка бесконечное множество, поэтому их не опреде­ляют. Осей пятого порядка и осей выше 6 порядка в кристалле быть не может. В кристаллах могут быть и сложные инверсионные оси симметрии, которые действуют суммарно как простая ось и центр симметрии, как про­стая ось симметрии и плоскость симметрии.

Плоскость симметрии (Р)

Плоскостью симметрии называется воображаемая плоскость, которая делит фигуру на две зеркальноравные части, расположенные относительно друг друга как предмет и его зеркальное отражение (рис. 3). (Внимательно смотрите на свои зеркально равные ладони).

Элементы симметрии проходят через центр кристалла, его вершины, середины ребер, центры граней, в других местах их быть не может. Отсю­да упрощается их поиск: берем кристалл по удлинению или уплощению (по вершинам или центрам граней) и определяем наличие осей высшего порядка (выше второго). Затем поворачиваем кристалл на 90° набок (т. е. валяем его) и определяем оси второго порядка, которые проходят чаще всего через середины ребер и центры граней, но могут проходить и через вершины кристалла. Далее определяем количество плоскостей симметрии: «режем» кристалл на две равные части и проверяем их «зеркальность». В заключение определяем центр симметрии, для чего ищем для каждой гра­ни равную и параллельную.

Определение элементов симметрии записываем в виде формулы Бравэ:

количество осей симметрии высшего порядка;

количество осей симметрии второго порядка;

количество плоскостей;

центр симметрии.

Например, элементы симметрии куба: 3L₄ 4L₃ 6L₂ 9Р С. 2.4.

Виды симметрии. Сингонии

Видом симметрии кристалла называется полная совокупность его элементов симметрии. Всего в кристаллах выделяется 32 вида симметрии, которые разделяются по наличию осей, центра и плоскостей симметрии и некоторым другим характеристикам.

Группа видов симметрии, обладающих одним или несколькими оди­наковыми элементами симметрии, называется сингонией. Выделяется семь сингоний, которые характеризуются числом единичных направлений, по которым они подразделяются на низшую, среднюю и высшую категории; наличием или отсутствием осей высшего порядка, отсутствием элементов симметрии.

Единичное направление - это единственное направление, не повто­ряющееся в кристалле.

Определять сингонию не трудно по элементам симметрии. Для этого необходимы и достаточны некоторые элементы симметрии, имеющиеся в кристаллах (табл. 1, которую надо обязательно выучить).

Простые формы и их комбинации

Кристаллы могут состоять из одинаковых и разных граней, связан­ных и не связанных между собой элементами симметрии. Поэтому выде­ляют среди них простые формы и их комбинации.

Простой формой называется кристалл, состоящий из одинаковых граней, связанных между собой элементами симметрии. Комбинация со­стоит из нескольких простых форм, в ней столько простых форм, сколько разных граней имеется в кристалле. Например, куб состоит из шести оди­наковых граней - это простая форма, но если у него срезать вершины, то появится еще одна простая форма, а если срезать и ребра - третья простая форма.

Определение минералов

При освоении курса минералогии надо уметь определять физические свойства минералов и отличать одни минералы от других именно по этим свойствам. Особенно это важно для минералов, похожих друг на друга. Например, многие сульфиды имеют серый цвет и металлический блеск (табл. 2). В этом случае надо искать другие свойства, по которым можно отличить один минерал от другого. Так, для галенита характерны совер­шенная спайность в трех направлениях (выколы в виде кубов), для анти­монита - вытянутая форма кристаллов с поперечной штриховкой, для мо­либденита - чешуйчатая форма и малая твердость, для арсенопирита, на­оборот, - высокая твердость, для блеклых руд - более темный цвет, сплош­ные массы и медная зелень.