Кристаллография. Основы кристаллографии геометрическая кристаллография кристаллография Закон постоянства гранных углов

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 . Общая характеристика геологических дисциплин

Науки минералогия, кристаллография и петрография исторически выделились из науки о вещественном составе, строении и истории развития земли называемой геологией.

Кристаллография изучает образование, форму и физико-химические свойства кристаллов, из которых состоят различные минералы.

Металлография -наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами.

Минералогия выделилась как наука о природных химических соединениях называемых минералами. Минералогия изучает состав и структуру минералов, условия их образования и изменения.

Петрография -наука о горных породах, их составе, структуре, классификации, условиях залегания.

Эти науки неразрывно связаны с практическими потребностями металлургического и других производств. Не существует ни одной отрасли промышленности, где бы не использовались минералы в естественном виде, или какие-либо компоненты, извлекаемые из них. Знание минералов, их состава, различных свойств и областей практического применения, необходимы для специалистов работающих в различных отраслях производства.

М инералами называют химические элементы или соединения, образующиеся в земной коре, водной оболочке или атмосфере в результате различных физико-химических процессов (без каких-либо вмешательства).

Минералы могут состоять из одного химического элемента: алмаз (С); графит (С); сера (S); золото (Au) или могут представлять собой соединения постоянного или переменного состава:

Соединения постоянного состава (лавиновый шпат; кварц; кальций)

Соединения переменного состава: оливины имеющие состав от Mg 2 (SiO 4) форстерит до Fe 2 (SiO 4) фаялит.

Большинство минералов представляют собой твердые, кристаллические вещества. Хотя отдельные минералы встречаются в скрытокристаллическом виде (обычно каллоидно-дисперсном) состоянии.

В природе минералы могут быть рассеяны в виде мельчайщих частиц или представлять большие скопления. При этом минералы одного и того же вещества могут встречаться в разном виде. Это доставляет трудности при внешнем определении минералов, входящих в какую-либо горную породу.

В настоящее время известно около 3800 различных минералов, из которых только 250-300 широко распространены, и имеют практическое значение. Это руды черных, цветных металлов и редких металлов, сырьё для производства строительных материалов, сырьё для химической промышленности, драгоценные и другие камни.

Так как минералы обладают правильным закономерным расположением атомов, вследствие своего кристаллического строения, к минералам не относятся жидкости, газы, искусственные твердые тела и природные атмосферные вещества.

Минералы отличаются друг от друга химическим составом и кристаллической структурой.

Минералы, которые обладают идентичной кристаллической структурой, но различаются химическими составом, называют изоморфными.

Минералы с одиннаковым химическим составом, но различной кристаллической структурой называют полиморфными (пример полиморфных минералов: алмаз и графит).

1.1 Морфология минералов (формы нахождения минералов в природе)

В природе минералы встречаются в виде:

Монокристаллов;

Двойников;

Агрегатов.

Двойником называют такой закономерный сросток двух кристаллов, в котором один индивид может быть получен из другого либо отражением в некоторой плоскости (двойниковой), либо поворотом вокруг некоторой оси (двойниковой).

Наиболее часто минералы встречаются в виде случайных незакономерных сростков агрегатов. Агрегаты могут состоять из кристаллов одного минерала (мономинеральные агрегаты) или нескольких агрегатов (полиминеральные агрегаты).

По величине агрегаты разделяются на:

Крупнозернистые (более 5 мм);

Среднезернистые (1-5 мм);

Мелкозернистые (менее 1 мм).

Формы зерен, слагающих агрегаты, бывают: чешуйчатыми, волокнистыми, землистой. Различают следующие морфологические типы агрегатов:

Друзы - сростки хорошо сформированных кристаллов, разных по высоте и различно ориентированных, но прикрепленных одним концом к общему плоскому или вогнутому основанию.

Секреции - минеральные образования, заполняющие пустоты горных породах. Заполнение пустот происходит в результате постепенного отложения веществ на их стенках от периферии к центру.

Конкреции - образования округлой формы, имеющие обычно радиальнолучистое или скорлуповатое строение. В отличие от секреции отложение вещества происходит от центра к периферии.

Оолиты - сферические образования небольших размеров, имеющие концентрически-скорлуповатое строение.

Псевдоолиты - образования по форме аналогичные оолитам, но не имеющие концентрически-скорлуповатого строения.

Дендриты - древовидные агрегаты, напоминающие листья папоротника, ветви дерева.

1.2 Физические свойства минералов

К основным физическим свойствам минералов, позволяющим определять их по внешним признакам, относятся: цвет, цвет черты, побежалость, блеск, степень прозрачности, твердость, спайность, излом, удельный вес, магнитность, хрупкость, ковкость, гибкость и т.д.

Цвет является одним из характерных физических свойств минералов. У одного и того же минерала в зависимости от химического состава, структуры, механических и химических примесей цвет может быть разнообразным. По окраске можно судить об условиях образования минералов и о принадлежности их к тому или иному месторождению.

Академик А.Е. Ферсман выделяет три типа окрасок минералов: идиохроматическую, аллохроматическую и псевдохроматическую.

Идиохроматическая - собственная окраска минерала.

Аллохроматическая - следствие наличия в минерале включений посторонних механических примесей.

Псевдохроматическая - явление дифракции лучей света от каких-либо внутренних трещин.

Цвет черты - след, оставляемый минералом на неглазурованной фарфорой пластинке. Это цвет измельченного порошка минерала.

Побежалость - явление когда минерал помимо основной окраски в тонком поверхностном слое имеет дополнительную окраску.

Спайность - способность некоторых минералов раскалываться или расщепляться по определенным плоскостям с образованием гладких, ровных, блестящих поверхностей.

1.3 Генезис минералов (о бразование минералов в природе)

Процессы образования минералов можно разделить на:

1) Эндогенные (происходящие внутри земли и связанные с магматической деятельностью);

2) Экзогенные (происходящие на поверхности земли, прояляется в действии атмосферных агентов и повнрхности водных растворов, а также в биохимической деятельности орагнизмов (окисление, разложение);

3) Метаморфические (происходящие в результате преобразования ранее сформировавшихся горных пород при изменениии физико-химических условий.

Параген е з ис минералов.

Парагенезисом называют совместное нахождение минералов в природе, обусловленное общностью процесса их образования. Минералы при этом могут образовываться последовательно или одновременно.

1.4 П етрографи я

Петрография - наука, изучающая горные породы, их минеральный и химический составы, структуру, распространение и условия образования.

Горными породами называют минеральные агрегаты более или менее постоянного химического и минерального состава, занимающие значительные участки земной коры. Горные породы могут быть мономинеральными, состоящими из одного минерала, и полиминеральными, в состав которых входит несколько минералов

Мономинеральные горные породы - известняк и мрамор (состоят из минерала кальцита), кварцит (состоит из кварца).

Полиминеральные горные породы - гранит (главные породообразующие минералы - полевые шпаты (микроклин, ортоклаз, плагиоклаз), кварц и слюда (биотит, мусковит).

Известно около тысячи видов горных пород, которые по условиям образования (генезис) разделяются на три класса:

1. Магматические (или изверженные). Они образованы из застывшей в недрах Земли или на ее поверхности магмы, они представляют собой типичные высокотемпературные образования.

2. Осадочные. Они представляют собой наполненные и преобразованные продукты разрушения ранее возникших горных пород, остатков организмов и продуктов их жизнедеятельности; образование осадочных горных пород происходит на поверхности Земли при обычных температурах и нормальном давлении, главным образом в водной среде.

3. Метаморфические. Образуются на больших глубинах за счет изменения осадочных и магматических пород под действием различных эндогенных процессов (высоких температур и давления, газообразных веществ, выделяющихся из магмы и. т.д.).

2 . Основы кристаллографии

Кристаллография подразделяется на: геометрическую кристаллографию, кристаллохимическую и физическую кристаллографию.

Геометрическая кристаллография рассматривает общие закономерности построения кристаллических веществ, образующих их кристаллы, а также симметрию и систематику кристаллов.

Кристаллохимия изучает связь между структурами и химическими свойствами кристаллического вещества, а также описание структур кристаллов

Физическая кристаллография описывает физические свойства кристаллов (механические, оптические, тепловые, электрические и магнитные).

2 .1 Основы геометрической кристаллографии

Особенности кристаллического состояния . Слово «кристалл» всегда ассоциируется с представлением о многограннике той или иной формы. Однако кристаллические вещества характеризуются не только способностью давать образования определенной формы. Основной особенностью кристаллических тел является их анизотропия - зависимость ряда свойств (прочность на разрыв, теплопроводность, сжимаемость и др.) от направления в кристалле.

Кри сталлы - твердые тела, образованные в виде геометрически правильных многогранников.

а) каменной соли; б) кварца; в) магнетита

Рисунок 1. Кристаллы

Элементами ограничения кристаллов являются: плоскости - грани; линии пересечения граней -ребра ; точки пересечения ребер - вершины .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2. Элементы ограничения кристаллов

Элементарные частицы (атомы, ионы или молекула) в кристаллах располагаются в виде пространственной решетки.

Пространственная решетка представляет собой систему точек, расположенных в вершинах равных параллельно ориентированных и смежных по целым граням параллелепипедов, без промежутков, заполняющих пространство.

Рисунок 3. Пространственная решетка кристалла

минерал кристаллический пластический металл

Элементарные паралелепипеды, которые составляют пространственную решетку кристалла, называют элементарными ячейками.

Параметрами такой ячейки являются: три угла между, принимаемыми за основные оси и три отрезка (А, В, С) расстояний между узлами вдоль этих осей.

Рисунок 4. Параметры элементарной ячейки

Определенное расположение частиц в кристаллах в виде пространственной решетки, обуславливает ряд особых свойств кристаллических веществ - однородность, анизотропность, способность самоограняться, т.е. расти в виде правильных многогранников).

Однородность означает, что свойства кристаллов одинаковы во всех его точках.

Анизотропность кристаллов заключается в неравноценности в различных направлениях большинства их физических свойств (механических, оптических и других).

Способность самоограняться заключается в том, что при благоприятных условиях роста они образуют правильные многогранники, гранями которых являются плоские сетки пространственной решетки.

Если поместить неправильной формы кусочек кристаллов раствор с соответствующими условиями, то через некоторое время он обрастет гранями и примет форму правильного многогранника, свойственного кристаллам данного вещества.

Превращение вырезанного из кубического кристалла каменной соли шара в насыщенном растворе обратно в кристалл кубической формы.

Рисунок 5. Схема превращения

Кристаллы какого-либо минерала чаще всего характеризуются наличием у них граней определенного вида, хотя в редких случаях внешние формы кристаллов одного и того же минерала могут отличаться в зависимости от условий образования.

Для изучения кристаллов важное значение имеют Законы геометрической кристаллографии.

Первый закон: Закон постоянства гранных углов -Закон Стена : у различных кристаллов одного и того же вещества вне зависимости от размеров и формы, между соответственными гранями при данных условиях является постоянной.

Рисунок 6. Различные кристаллы кварца

Второй закон -закон рациональности отношений параметров. Закон Аюи.

На одном кристалле могут встречаться только такие фигуры, параметры граней которых относятся к параметрам граней простой формы, принятой за основную, как рациональные числа.

Симметрия кристаллов

Симметрия кристаллов заключается в закономерной повторяемости одинаковых граней, ребер, углов в этом кристалле.

Условные образы, относительно которых наблюдается симметрия, называются элементами симметрии. К ним относится: плоскость симметрии, ось симметрии, центр и вершина.

Плоскость симметрии - это воображаемая плоскость, делящая кристаллический многогранник на две равные части, одна из которых является зеркальным отображением другой.

Количество плоскостей симметрии у кристаллов указывается цифрой, стоящим перед условным символом плоскости симметрии буквой Р.

У кристаллов не может быть больше девяти плоскостей симметрии.

Ось симметрии - воображаемая прямая линия, которая проходит через кристалл и при вращении вокруг которой на 360° фигура совмещается сама с собой определенное число раз (n раз). Наименование оси или её порядок определяется числом совмещений при полном обороте вокруг оси (360 градусов) кристалла.

У кристаллов существует оси второго, третьего, четвертого и шестого порядков.

Оси симметрии обозначаются буквой L и символом который указывает порядок оси симметрии (L 1 , L 2, L 3, L 4, L 6) .

Кроме обычных осей симметрии существуют инверсионные и зеркально-поворотные оси. При их наличии для совмещения фигуры самой с собой вращение вокруг оси должно сопровождаться поворотом на 180° вокруг оси, перпендикулярной данной (инверсией), или зеркальным отражением от плоскости.

Центром симметрии С называют точку, делящую пополам всякую проходящую через нее прямую, проведенную до пересечения с гранями фигуры.

В 1867 г. А.В. Гадолиным было математически показано, что возможно существование 32 видов симметрии кристаллических форм, каждый из которых характеризуется определенным сочетанием элементов симметрии.

Все виды симметрии кристаллов подразделяются на три категории: низшую, среднюю и высшую. Кристалля низшей категрии не имеют осей высшего порядка - выше второго; для средней категории характерна одн ось высшего порядка, для высшей - несколько таких осей. Катеории делятся на кристаллические системы или сингонии.

Сингонией называется совокупность элементов симметрии с одинаковым числом осей одного и того же порядка. Всего сингоний семь: триклинная, моноклинная, ромбическая, тригональная, гексагональная, кубическая, тетрагональная.

Низшая категория включает три сингонии - триклинную, моноклинную и ромбическую. В кристаллах триклинной сингонии нет ни осей, ни плоскостей симметрии: может отсутствовать и центр симметрии. У моноклинных кристаллов может быть как ось, так и плоскость симметрии, однако не может быть нескольких осей или плоскостей симметрии. Для ромбической системы характерно наличие нескольких элементов симметрии - нескольких осей или плоскостей.

Необходимым условием для образования кристаллов высокой симметрии является симметричность составляющих их частиц. Поскольку большинство молекул несимметрично, кристаллы высокой симметрии составляют лишь небольшую долю от общего числа известных.

Известно много случаев, когда одно и то же вещество существует в различных кристаллическмх формах, т.е. отличается по внутреннему строению, а потому и по своим физико-химическим свойствам. Такое явление называется полиморфизмом .

Среди кристаллических тел нередко также наблюдается явление изоморфизма - свойство атомов, ионов или молекул замещать друг друга в кристаллической решетке, образуя смешанные кристаллы. Смешанные кристаллы являются совершенно однородными смесями твердых веществ - это твердые растворы замещения. Поэтому можно сказать, что изоморфизм - это способность образовать твердые растворы замещения.

Формы кристаллов

Кроме элементов симметрии кристаллы характеризуются и своей внешней формой. Так куб и октаэдр имеют одинаковые элементы симметрии, но внешняя форма и число граней различно.

Формой кристалла называют совокупность всех его граней. Различают простые и сложные формы.

Простой формой называется такая форма, все грани которой связаны друг с другом элементами симметрии или другими словами это кристаллы которые состоят из одинаковых граней, имеющих симметричное расположение (куб, октаэдр, тетраэдр)

Простые формы могут быть как замыкающим циклом пространство (закрытые формы), так и открытыми, не замыкающими пространство со всех сторон.

К открытым простым формам относятся:

Моноэдр, диэдр, пинаноид, пирамиды, призмы

К закрытым простым формам относятся:

Дипирамиды, ромбоэдр, тетраэдр, куб, октаэдр и др.

Рисунок 7. Простые формы кристаллов

Сложной формой или комбинацией называется такая форма, которая состоит из двух или нескольких простых форм, т.е. грани кристаллов бывают нескольких типов, и они не связаны между собой элементами симметрии.

Простые и сложные формы кристаллов в природе образуются чрезвычайно редко. Отклонения реальных кристаллов от описанных простых форм вызываются неодинаковым развитием граней вследствие воздействия на формирование кристалла условий среды, в которой он образуется.

Иногда наряду с образованием отдельных одиночных кристаллов возникают различные их сростки. Одним из таких случаев является двойниковые образовании двух или нескольких кристаллов, срастающихся между собой в неправильном положении. Такой процесс называется двойникованием . Образование таких сростков обуславливается обычно различными осложнениями процесса кристаллизации (изменение температуры, концентрации растворов и т.п.)

Существуют первичные (возникающие при кристаллизации) двойники и вторичные двойники, которые возникают в результате каких-либо воздействий.

Кроме срастания кристаллов одного вещества, возможно закономерное срастание кристаллов различных веществ или полиморфных модификаций одного вещества, кристаллизующихся в различных сингониях. Этот процесс называют -эпитаксией .

3 . Основы кристаллохимии

Внутреннее строение кристаллов в конечном итоге определяет все его особенности: форму кристаллов, физические и химические свойства.

Пространственная решетка - это система точек, расположенных в вершинах равных параллельно ориентированных и смежных по целым граням параллелепипедов, без промежутков заполняющих пространство.

Пространственная решетка состоит из бесконечного множества равных по величине и форме параллелепипедов (элементарных ячеек). Французский ученый О. Браве в 1855 году установил, что существует всего 14 типов пространственных решеток (рисунок 8). Эти ячейки разделяются на две группы:

1) Примитивные, все узлы которых расположены только в вершинах элементарных ячеек.

2) Сложные узлы, в которых размещены не только в вершинах элементарных ячеек, но и на гранях, ребрах и в объеме.

1 - триклинная;

2 и 3 - моноклинные;

4,5,6 и 7 - ромбические;

8 - гексагональная;

9 - ромбоэдрическая;

10 и 11 - тетрагональные;

12,13 и 14 - кубические.

Рисунок 8. Четырнадцать пространственных решеток О. Браве

Кроме рассмотренных выше классификаций структуры кристаллов по типу пространственных решеток, существуют разделение структуры кристаллов по типам химических связей между атомами в кристалле.

Существуют следующие типы химических связей:

А) ионная

В) металлическая

В) ковалентная или молекулярная

Г) Ван - дер - ваальсовская или остаточная

Д) водородная

Ионная (гетерополярная) связь наблюдается в ионных кристаллических постройках и возникает между двумя равномерно заряженными ионами. Соединения с ионными связями хорошо растворяются в водных растворах. Такие соединения плохо проводят электричество.

Ковалентная (гомеополярная) связь осуществляется в атомных и частично ионных кристаллических постройках за счет появления у соседних атомов общих электронов. Эта связь очень прочна, чем и объясняется повышенная твердость минералов с ковалентной связью. Минералы с такой связью хорошие изоляторы, нерастворимы в воде.

Металлическая связь проявляется только в атомных постройках. Она характеризуется тем, что в узлах кристаллической решетки размещены ядра атомов, как бы погруженные в газ, состоящий из свободных электронов, которые движутся подобно частицам газа. Атом отдает свои электроны и становится положительно заряженным ионом. Отданные же электроны не закрепляются за каким-либо атомом, а находятся как бы в общем пользовании.

Эта связь обуславливает прочность структуры. Свободное перемещение электронов определяет следующие свойства: хорошую электропроводность и теплопроводность, металлический блеск, ковкость (например, самородные металлы)

Ван - дер -ваальсовская (остаточная) связь осуществляется между двумя молекулами. Хотя каждая молекула электростатически нейтральна и в ней уравновешены все заряды, многие молекулы представляют собой диполь, т.е. центр тяжести всех положительно заряженных частиц молекулы не совпадает с центром тяжести всех отрицательно заряженных частиц. Вследствие этого различные части одной молекулы приобретают определенный заряд. За счет этого между двумя молекулами возникают остаточные связи. Силы Ван - дер - ваальса очень невелики. Кристаллические структуры с этой связью являются хорошими диэлектриками, отличаются небольшой твердостью, хрупкостью. Такой тип связи характерен для органических соединений. Таким образом можно сказать, что характер связи определяет все основные свойства кристаллических веществ.

Надо отметить, что кристаллы могут обладать одним типом связи, такие кристаллы называются гомодесмическими и смешанными типами связей, такие кристаллы называются гетеродесмическими.

В ряде минералов (кристаллы льда) большую роль играют водородные связи. Они возникают в результате взаимодействия атома водорода одной молекулы с атомом азота, кислорода, хлора соседних молекул. Водородные связи прочнее Ван - дер - ваальсовских, но значительно слабее всех остальных типов связей.

3 .1 Атомные и ионные радиусы. Координ ационное число. Мотивы структур

Атомы и ионы, из которых состоят кристаллические структуры различных минералов, располагаются друг от друга на разных расстояниях. Эти величины зависят от заряда иона, термодинамических условий и т.д.

Данная величина называется - атомным (ионным радиусом). Атомным (и онным) радиусом называется минимальное расстояние на которое центр сферы данного атома может приблизится к поверхности соседних атомов.

Количество же ближайших атомов (ионов) окружающих данный атом (ион) называется координационным числом.

Существует три способа изображения кристаллических структур.

1 Способ изображения структур шарами.

2 Способ изображения структур путем нанесения центров тяжести шаров.

3 Способ изображения структур координационными полиэдрами - такой способ удобен для изображения сложных структур. Поскольку разные минералы состоят из различных по форме кристаллических структур (октаэдр, куб и т.д.).

Структура кристаллических веществ определяется, как формой самих координационных полиэдров так и характером их взаимодействия сочетания т.е. мотивом структур.

Различают следующие мотивы структур:

1 Координационный мотив структуры. В этом случае все координационные полиэдры соединены друг с другом общими гранями и ребрами.

2 Островн ой мотив структуры. Отдельные координационные полиэдры друг с другом не соприкасаются и соединены посредством общих катионов и анионов.

3 Цепочный и ленточный мотивы структуры. В этом случае координационные полиэдры соединены друг с другом в бесконечные, вытянутые в одном направлении цепочки.

4 Слоистый мотив структуры. Координационные полиэдры соединены друг с другом в бесконечные в двух измерения слои. В пределах слоя отдельные полиэдры сближены друг с другом. Отдельные слои располагаются на значительном расстоянии друг от друга.

5 Каркасный мотив структуры. В данном случае все координационные фигуры соединены друг с другом только одними вершинами в бесконечные в трех измерениях каркасы.

Мотив структур кристаллических настроек определяет многие физические свойства.

Таким образом физические свойства кристаллических веществ определяются в основном составом самих атомов и ионов, входящих в кристаллические постройки (удельный вес, цвет), типом связи (электропроводность, теплопроводность, твердость, ковкость, растворимость), и мотивом структуры (твердость).

4 . Дефекты в кристаллах

Кристаллы металлов обычно имеют небольшие размеры. Поэтому металлическое изделие состоит из очень большого числа кристаллов.

Подобное строение называется поликристаллическим. В поликристаллическом агрегате отдельные кристаллы не имеют возможности принять правильную форму. Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом агрегате называются зернами, или кристаллитами. Однако это состояние не является единственным. Пластическая деформация в холодном состоянии (прокатка, волочение и т.д.) приводит к преимущественной ориентировке зерен (текстура ). Степень преимущественной ориентации может быть различна и изменяется от случайного распределения до такого состояния, когда все кристаллы ориентированы одинаково.

При очень медленном отводе тепла при кристаллизации, а также с помощью других специальных способов может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, так называемый монокристалл. Монокристаллы больших размеров (массой в несколько сот граммов) изготавливают для научных исследований, а также для некоторых специальных отраслей техники (полупроводники).

Исследования показали, что внутренняя кристаллическая структура зерна не является правильной.

Отклонения от идеального расположения атомов в кристаллах называют дефектами. Они оказывают большое, иногда решающее влияние на свойства кристаллических веществ.

Неправильное расположение отдельных атомов в кристаллической решетке создает точечные дефекты. В кристалле, состоящем из одинаковых атомов, например в кристалле металла, в каком-то участке решетки может отсутствовать один из атомов. На его месте будет полость, вокруг нее - искаженная структура. Такой дефект называется вакансией. Если же атом данного вещества или атом примеси попадает между атомами в узлах решетки то возникает дефект внедрения (рисунок 9).

Картина усложняется при переходе от металлического кристалла к ионному. Здесь должна соблюдаться электронейтральность, поэтому образование дефектов связано с перераспределением зарядов. Так, появление вакансии катиона сопровождается возникновением вакансии аниона; такой тип дефекта в ионном кристалле называется дефектом Шоттки . Внедрение иона в междоузлие сопровждается появлением на его прежнем месте вакансии, которую можно рассматривать как центр заряда противополжного знака здесь мы имеем дефект Френкеля . Указанные названия даны в честь австрийского ученого Шоттки и советского физика Я.И. Френкеля.

Точечные дефекты возникают по разным причинам, в том числе и в результате теплового движения частиц. Вакансии могут перемещаться по кристаллу - в пустоту попадает соседний атом, его место освобождается и т.п. Этим объясняется диффузия в твердых телах и ионная проводимость кристаллов солей и оксидов, которые становятся заметными при высоких температурах.

Кроме рассмотренных точечных дефектов в кристаллах всегда имеются также дислокации - дефекты, связанные со смещением рядов атомов. Дислокации бывают краевыми и винтовыми. Первые обусловлены обрывом плоскостей, заполненных атомами; вторые - взаимным сдвигом перпендикулярной ей оси. Дислокации могут перемещаться по кристаллу; этот процесс происходит при пластической деформации кристаллических материалов.

Представим себе, что в кристаллической решетке по каким-либо причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость (рисунок 10). Край 3-3 такой плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называется краевой дислокацией. Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи параметров решетки, может быть прямой, но может и выгибаться в ту или другую сторону. В пределе она может закрутиться в спираль, образуя винтовую дислокацию. Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки. Расстояние от центра дефекта до места решётки без искажения принимают равным ширине дислокации, она невелика и равна нескольким атомным расстояниям.

а - вакансии; б - замещенный атом; в-внедренный атом

Рисунок 9. Схема точечных дефектов

Рисунок 10. Дислокация в кристаллической решетке

Рисунок 11. Перемещение дислокации

Вследствие искажения решетки в районе дислокаций (рисунок 11, а) последняя легко смещается от нейтрального положения, а соседняя плоскость, перейдя в промежуточное положение (рисунок 11, б), превратиться в экстраплоскость (рисунок 11, в), образуя дислокацию вдоль краевых атомов. Таким образом, дислокация может перемещаться (вернее, передаваться, как эстафета) вдоль некоторой плоскости (плоскости скольжения), расположенной перпендикулярно к экстраплоскости. Согласно современным представлениям в обычных чистых металлах плотность дислокаций, т.е. количество дислокаций в 1см 3 , превышает один миллион., Механические свойства металлов зависят от количества дислокаций и особенно от способности их к перемещению и размножению.

Таким образом, правильность кристаллического строения нарушается двумя видами дефектов - точечными (вакансии ) и линейными (дислокациями ). Вакансии непрерывно перемещаются в решетке, когда соседствующий с ней атом переходит в «дырку», оставляя пустым свое старое место. Повышение температуры, тепловой подвижности атомов увеличивает число таких актов и увеличивает число вакансий.

Линейные дефекты не двигаются самопроизвольно и хаотически, как вакансии. Однако достаточно небольшого напряжения, чтобы дислокация начала двигаться, образуя плоскость, а в разрезе - линию скольжения С (рисунок 12). Как указывалось, вокруг дислокаций создается поле искаженной кристаллической решетки. Энергия искажения кристаллической решетки характеризуется так называемым вектором Бюргерса.

Рисунок 12. Плоскость сдвига (С) какслед движения дислокации (А-А); В-экстраплоскость

Если вокруг дислокации + (рисунок 13) обвести контур АВСD, то участок контура ВС будет состоять из шести отрезков, а участок АВ из пяти. Разница ВС-АD=b, где b означает величину вектора Бюргерса. Если контуром обвести несколько дислокаций (зоны искажений кристаллической решетки, которые перекрываются или сливаются), то величина его соответствует сумме векторов Бюргерса каждой дислокации. Способность к перемещению дислокаций связана с величиной вектора Бюргерса.

Рисунок 13. Схема определения вектора Бюргерса для линейной дислокации

4.1 Поверхностные дефекты

К поверхностным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы зерен.

Дефект упаковки. При движении обычной полной дислокации атомы последовательно становятся из одного равновесного положения в другое, а при движении частичной дислокации атомы переходят в новые положения, нетипичные для данной кристаллической решетки. В результате в материале появляется дефект упаковки. Появление дефектов упаковки связано с движением частичных дислокаций.

В том случае, когда энергия дефекта упаковки велика, расщепление дислокации на частичные энергетически невыгодно, а в том случае, когда энергия дефекта упаковки мала, дислокации расщепляются на частичные, и между ними появляется дефект упаковки. Материалы с низкой энергией дефекта упаковки прочнее материалов с высокой энергией дефекта упаковки.

Границы зёрен представляют собой узкую переходную область между двумя кристаллами неправильной формы. Ширина границ зерен, как правило, составляет 1,5-2 межатомных расстояния. Поскольку на границах зерен атомы смещены из равновесного положения, то энергия границ зерен повышена. Энергия границ зерен существенно зависит от угла разориентации кристаллических решеток соседних зерен. При малых углах разориентации (до 5 град.) энергия границ зерен практически пропорциональна углу разориентировки. При углах разориентировки, превышающих 5 град., плотность дислокаций на границах зерен становится столь высокой, что ядра дислокаций сливаются.

Зависимость энергии границ зерен (Егр) от угла разориентации (q). qсп 1 и qсп 2 - углы разориентации специальных границ.

При определенных углах разориентации соседних зерен энергия границ зерен резко снижается. Такие границы зерен называются специальными. Соответственно углы разориентации границ, при которых энергия границ минимальна, называют специальными углами. Измельчение зерен ведет к росту удельного электрического сопротивления металлических материалов и падению удельного электрического сопротивления диэлектриков и полупроводников.

5 . Атомно-кристаллическое строение

Всякое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном.

Твердое вещество под воздействием сил тяжести сохраняет форму, а жидкое растекается и принимает форму сосуда. Однако это определение недостаточно для характеристики состояния вещества.

Например, твердое стекло при нагреве размягчается и постепенно переходит в жидкое состояние. Обратный переход будет также совершаться плавно - жидкое стекло по мере снижения температуры густеет и, наконец, загустеет до «твердого» состояния. У стекла нет определенной температуры перехода из жидкого в «твердое» состояние, нет и температуры (точки) резкого изменения свойств. Поэтому закономерно рассматривать «твердое» стекло как сильно загустевшую жидкость.

Следовательно, переход из твердого в жидкое и из жидкого в твердое состояние (так же как и из газообразного в жидкое) происходит при определенной температуре и сопровождается резким изменением свойств.

В газах нет закономерности расположения частиц (атомов, молекул); частицы хаотически двигаются, отталкиваются одна от другой и газ стремится занять возможно больший объем.

В твердых телах порядок расположения атомов определенный, закономерный, силы взаимного притяжения и отталкивания уравновешены, и твердое тело сохраняет свою форму.

Рисунок 14. Области твердого, жидкого и газообразного состояния в зависимости от температуры и давления

В жидкости частицы (атомы, молекулы) сохраняют лишь так называемый ближний порядок, т.е. в пространстве закономерно расположено небольшое количество атомов, а не атомы всего объема, как в твердом теле. Ближний порядок неустойчив: он то возникает, то исчезает под действием энергичных тепловых колебаний. Таким образом, жидкое состояние -как бы промежуточное между твердым и газообразным; при соответствующих условиях возможен непосредственный переход из твердого состояния в газообразное без промежуточного расплавления - сублимации (рисунок 14). Правильное, закономерное расположение частиц (атомов, молекул) в пространстве характеризует кристаллическое состояние.

Кристаллическое строение можно представить себе в виде пространственной решетки, в узлах которой расположены атомы (рисунок 15).

В металлах в узлах кристаллической решетки расположены не атомы, а положительно заряженные ноны, а между ними двигаются свободные электроны, но обычно говорят, что в узлах кристаллической решетки находятся атомы.

Рисунок 15. Элементарная кристаллическая ячейка (простая кубическая)

5. 2 Кристаллические решетки металлов

Кристаллическое состояние прежде всего характеризуется определенным, закономерным расположением атомов в пространстве. Это обусловливает то, что в кристалле каждый атом имеет одно и то же количество ближайших атомов - соседей, расположенных на одинаковом от него расстоянии. Стремление атомов (ионов) металла расположиться возможно ближе друг к другу, плотнее, приводит к тому, что число встречающихся комбинаций взаимного расположения атомов металла в кристаллах невелико.

Существует ряд схем и способов описания вариантов взаимного расположения атомов в кристалле. Взаимное расположение атомов в одной из плоскостей показано на схеме размещения атомов (рисунок 15). Воображаемые линии, проведенные через центры атомов, образуют решетку, в узлах которой располагаются атомы (положительно заряженные ноны); это так называемая кристаллографическая плоскость. Многократное повторение кристаллографических плоскостей, расположенных параллельно, воспроизводит пространственную кристаллическую решетку , узлы которой являются местом расположения атомов (ионов). Расстояния между центрами соседних атомов измеряются ангстремами (1 А 10 -8 см) или в килоиксах - kХ x (1 kХ=1,00202 А). Взаимное расположение атомов в пространстве и величину между атомных расстояний определяют рентгеноструктурным анализом. Расположение атомов в кристалле весьма удобно изображать в виде пространственных схем, в виде так называемых элементарных кристаллических ячеек . Под элементарной кристаллической ячейкой подразумевается наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решетку. Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решетка. В простой кубической решетке атомы расположены (упакованы) недостаточно плотно. Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию решеток других типов: кубической объемноцентрированной (рисунок 16, а ), кубической гранецентрированной (рисунок 16, б ) и гексагональной плотноупакованной (рисунок 16, е ). Поэтому металлы и обладают более высокой плотностью, чем неметаллы

Кружки, изображающие атомы, располагаются в центре куба и по его вершинам (куб объемноцентрированный), или в центрах граней и по вершинам куба (куб гранецентрированный), или в виде шестигранника, внутрь которого наполовину вставлен также шестигранник, три атома верхней плоскости которого находятся внутри шестигранной призмы (гексагональная решетка).

Метод изображения кристаллической решетки, приведенный на рисунке 16, является условным (как и любой другой). Может быть, более правильно изображение атомов в кристаллической решетке в виде соприкасающихся шаров (левые схемы на рисунок 16). Однако такое изображение кристаллической решетки не всегда удобно, чем принятое (правые схемы на рисунок 16).

а - кубическая объемноцентрированная;

б - кубическая гранецентрированная;

в-гексагональная плотноупакованная

Рисунок 16. Элементарные кристаллические ячейки

6 . Кристаллизация металлов

6 .1 Три состояния вещества

Любое вещество, как известно, может находиться в трех агрегатных состояниях : газообразном, жидком и твердом. В чистых металлах при определенных температурах происходит изменение агрегатного состояния: твердое состояние сменяется жидким при температуре плавления, жидкое состояние переходит в газообразное при температуре кипения. Температуры перехода зависят от давления (рисунок 17), но при постоянном давлении они вполне определенны.

Температура плавления - особенно важная константа свойств металла. Она колеблется для различных металлов в весьма широких пределах - от минус 38,9°С, для ртути - самого легкоплавкого металла, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3410°С для самого тугоплавкого металла - вольфрама.

Низкая прочность (твердость) при комнатной температуре легкоплавких металлов (олова, свинца и т.д.) является следствием главным образом того, что комнатная температура для этих металлов менее удалена от температуры плавления, чем у тугоплавких металлов

При переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называется кристаллизацией .

Энергетическое состояние системы, имеющей огромное число охваченных тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией F, называемой свободной энергией (свободная энергия F= (U - Т S ), где U - внутренняя энергия системы; Т - абсолютная температура; S-энтропия).

Рисунок 17. Изменение свободной энергии жидкого и кристаллического состояния в зависимости от температуры

При температуре, равной Т s , свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии. Эта температура Т s и есть равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Однако при Т s не может происходить процесс кристаллизации (плавление), так как при данной температуре

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Из кривых, приведенных на рисунок 17, видно, что это возможно только тогда, когда жидкость будет охлаждена ниже точки Т s . Температура, при которой практически начинается кристаллизация, может быть названа фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением. Указанные причины обусловливают и то, что обратное превращение из кристаллического состояния в жидкое может произойти только выше температуры Т s это явление называется перенагреванием.

Величиной или степенью переохлаждения называют разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации.

Если, например, теоретическая температура кристаллизации сурьмы равна 631°С, а до начала процесса кристаллизации жидкая сурьма была переохлаждена до 590°С и при этой температуре закристаллизовалась, то степень переохлаждения п определяется разностью 631-590=41°С. Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время - температура (рисунок 18).

Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры и может быть названо простым охлаждением, так как при этом нет качественного изменения состояния.

При достижении температуры кристаллизации на кривой температура - время появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации . По окончании кристаллизации, т.е. после полного перехода в твердое состояние, температура снова начинает снижаться, и твердое кристаллическое вещество охлаждается. Теоретически процесс кристаллизации изображается кривой 1. Кривая 2 показывает реальный процесс кристаллизации. Жидкость непрерывно охлаждается до температуры переохлаждения Т п , лежащей ниже теоретической температуры кристаллизации Т s . При охлаждении ниже температуры Т s создаются энергетические условия, необходимы для протекания процесса кристаллизации.

Рисунок 18. Кривые охлаждения при кристаллизации

6 .2 Механизм процесса кристаллизации

Еще в 1878 г. Д.К. Чернов, изучая структуру литой стали, указал, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в зарождении мельчайших частиц кристаллов, которые Чернов называл «зачатками», а теперь их называют зародышами, или центрами кристаллизации . Второй процесс состоит в росте кристаллов из этих центров.

Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером зародыша , а такой зародыш называется устойчивым.

Форма кристаллических образований

Реально протекающий интерес кристаллизации усложняется действием различных факторов, в столь сильной степени влияющих на процесс, что роль степени переохлаждения может стать в количественном отношении второстепенной.

При кристаллизации из жидкого состояния для скорости течения процесса и для формы образующихся кристаллов первостепенное значение приобретают такие факторы, как скорость и направление отвода тепла, наличие нерастворившихся частиц, наличие конвекционных токов жидкости и т.д.

В направлении отвода тепла кристалл растет быстрее, чем в другом направлении.

Если на боковой поверхности растущего кристалла возникает бугорок, то кристалл приобретает способность расти и в боковом направлении. В результате образуется древовидный кристалл, так называемый дендрит , схематическая структур а которого, впервые изображенная д. К. Черновым, показана на рисунок 19.

Рисунок 19. Схема дендрита

Строение слитка

Структура литого слитка состоит из трех основных зон (рисунок 20). Первая зона - наружная мелкозернистая корка 1 , состоящая из дезориентированньгх мелких кристаллов - дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.

Вторая зона слитка - зона столбчатых кристаллов 2. После образования самой корки условия теплоотвода меняются (из-за теплового сопротивления, из-за повышения температуры стенки изложницы и других причин), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки (т.е. в направлении отвода тепла) столбчатые кристаллы.

Третья зона слитка - зона равноосных кристаллов 3 . В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. «Температура застывающего металла успевает почти совершенно уравниваться в различных точках и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние, вследствие образования в различных ее точках зачатков кристаллов. Далее зачатки разрастаются осями - ветвями по различным направлениям, встречаясь друг с другом» (Чернов Д.К.). В результате этого процесса образуется равноосная структура. Зародышами кристалла здесь являются обычно различные мельчайшие включения, присутствующие в жидкой стали, или случайно в нее попавшие, или не растворившиеся в жидком металле (-тугоплавкие составляющие).

Относительное распределение в объеме слитка зоны столбчатых и равноосных кристаллов имеет большое значение.

В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырей. Однако места стыка столбчатых кристаллов обладают малой прочностью. Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название транскристаллизации .

Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами ; усадочные раковины могут быть либо сконцентрированы в одном месте, либо рассеяны по всему объему слитка или по его части. Они могут быть заполнены газами, растворимыми в жидком металле, но выделяющимися при кристаллизации. В хорошо раскисленной так называемой спокойной стали , отлитой в изложницу с утепленной надставкой, усадочная раковина образуется в верхней части слитка, и в объеме всего слитка содержится малое количество газовых пузырей и раковин (рисунок 21, а ). Недостаточно раскисленная, так называемая кипящая сталь , содержит раковины и пузыри во всем объеме (рисунок 21, б ).

Рисунок 20. Схема строения стального слитка

Рисунок 21. Распределение усадочной раковины и пустот в спокойной (а) и кипящей (б) сталях

7 . Деформация металлов

7.1 Упругая и пластическая деформация

Приложение к материалу напряжения вызывает деформацию. Деформация может быть упругой , исчезающей после снятия нагрузки, и пластической , остающейся после снятия нагрузки.

Упругая и пластическая деформации имеют глубокое физическое различие.

При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет, причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.

Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается (сдвигается) по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании, как это, например, показано на рисунок 22.

Подобные документы

Морфология минералов как кристаллических и аморфных тел, шкала Мооса. Свойства минералов, используемые в макроскопической диагностике. Выветривание горных пород. Источник энергии, факторы, виды выветривания, геологический результат: кора выветривания.

контрольная работа , добавлен 29.01.2011


Оптические и электрические свойства минералов, направления использования минералов в науке и технике. Характеристика минералов класса "фосфаты". Обломочные осадочные породы, месторождения графита, характеристика генетических типов месторождений.

контрольная работа , добавлен 20.12.2010


Исследование генезиса минералов как процесса происхождения каких-либо геологических образований. Основные типы генезиса: эндогенный, экзогенный и метаморфический. Методы выращивания кристаллов: из пара, гидротермального раствора, жидкой и твердой фазы.

реферат , добавлен 23.12.2010


Деформация тела как изменение формы и объема тела под действием внешних сил, ее разновидности: упругая, пластическая, остаточная, хрупкая. Структура складок, их компоненты и исследование, морфологическая классификация, геологические условия образования.

презентация , добавлен 23.02.2015


Принципы классификации кристаллов. Физические свойства, происхождения и применение минералов класса вольфраматов. Особенности аморфных тел. Свойства кристаллических веществ. Минералы черной металлургии осадочного происхождения, механизм их образования.

контрольная работа , добавлен 03.04.2012


Морфология минералов, их свойства, зависимость состава и структуры. Развитие минералогии, связь с другими науками о Земле. Формы минералов в природе. Габитус природных и искусственных минералов, их удельная плотность и хрупкость. Шкала твёрдости Мооса.

презентация , добавлен 25.01.2015


Понятие и место в природе минералов, их строение и значение в организме человека, определение необходимых для здоровья доз. История исследования минералов от древних времен до современности. Классификация минералов, их физические и химические свойства.

реферат , добавлен 22.04.2010


Физические свойства минералов и их использование в качестве диагностических признаков. Понятие о горных породах и основные принципы их классификации. Охрана природы при разработке месторождений полезных ископаемых. Составление геологических разрезов.

контрольная работа , добавлен 16.12.2015


Образование оксидов, связанное с различными геологическими процессами: эндогенными, экзогенными и метаморфическими. Физические свойства арсенолита - редкого минерала, оксида мышьяка. Химическая формула, морфология, разновидности и образование кварца.

презентация , добавлен 05.02.2016


Определение и понимание генезиса, парагенезиса, типоморфизма и других генетических признаков минералов. Значение генетической минералогии. Изменение минералов при различных геологических и физико-химических процессах и в разных областях земной коры.

В зависимости от внутреннего строения различают кристаллические и аморфные твердые тела.

Кристаллическими называют твердые вещества, образованные из геометрически правильно расположенных в пространстве материальных частиц - ионов, атомов или молекул. Упорядоченное, закономерное их расположение образует в пространстве кристаллическую решетку - бесконечное трехмерное периодическое образование. В ней выделяют узлы (отдельные точки, центры тяжести атомов и ионов), ряды (совокупность узлов, лежащих на одной прямой) и плоские сетки (плоскости, проходящие через любые три узла). Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена прежде всего их строго закономерным внутренним строением. Сетки кристаллической решетки соответствуют граням реального кристалла, места пересечения сеток - ряды - ребрам кристаллов, а места пересечения ребер - вершинам кристаллов. Большинство известных минералов и горных пород, в том числе и каменные строительные материалы, представляют собой кристаллические твердые тела.

Все кристаллы имеют ряд общих основных свойств.

Однородность строения - одинаковость узора взаимного расположения атомов во всех частях объема его кристаллической решетки.

Анизотропность - различие физических свойств кристаллов (теплопроводность, твердость, упругость и другие) по параллельным и непараллельным направлениям кристаллической решетки. Свойства кристаллов одинаковы по параллельным направлениям, но неодинаковы по непараллельным.

Способность самоограняться, т.е. принимать форму правильного многогранника при свободном росте кристаллов.

Симметричность - возможность совмещения кристалла или его частей определенными симметрическими преобразованиями, соответствующими симметрии их пространственных решеток.

Аморфными или минералоидами называют твердые тела, характеризующиеся беспорядоченным, хаотичным (как в жидкости) расположением слагающих его частиц (атомов, ионов, молекул), например, стекла, смолы, пластмассы и пр. Аморфное вещество отличается изотропностью свойств, отсутствием четко выраженной температуры плавления и естественной геометрической формы.

Изучение кристаллических форм минералов показало, что мир кристаллов отличается симметрией, хорошо наблюдаемой в геометрической форме их огранки.

Симметричным считается объект, который может быть совмещен сам с собой определенными преобразованиями: поворотами, отражениями в зеркальной плоскости, отражением в центре симметрии. Геометрические образы (вспомогательные плоскости, прямые линии, точки), с помощью которых достигается совмещение, называются элементами симметрии. К ним относятся оси симметрии, плоскости симметрии, центр симметрии (или центр инверсии).

Центром симметрии (обозначение С) называется особая точка внутри фигуры, при проведении через которую любая прямая встретит на равном от нее расстоянии одинаковые и обратно расположенные части фигуры. Плоскостью симметрии (обозначение Р) называется воображаемая плоскость, которая делит фигуру на две равные части так, что одна из частей является зеркальным отражением другой. Осью симметрии называется воображаемая прямая линия, при повороте вокруг которой на некоторый определенный угол повторяются одинаковые части фигуры.

Наименьший угол поворота вокруг оси, приводящий к такому совмещению, называется элементарным углом поворота оси симметрии «а». Его величина определяет порядок оси симметрии «п», который равен числу самосовмещений при полном повороте фигуры на 360° {п = 360/а). Оси симметрии обозначаются буквой L с цифровым индексом, указывающим на порядок оси - L n . Доказано, что в кристаллах возможны только оси второго (L 2), третьего (Ь ъ), четвертого (Ь 4) и шестого порядков (L 6). Оси третьего L 3 , четвертого L 4 и шестого L 6 порядка считают осями высшего порядка.

Инверсионно-поворотной (или инверсионной) (обозначение L in) называют воображаемую линию, при повороте вокруг которой на некоторый определенный угол с последующим отражением в центральной точке фигуры, как в центре симметрии, фигура совмещается сама с собой. Для кристаллов показано, что возможно лишь существование инверсионных осей следующих порядков L n , L a , L iV L i4 , L i6 . Полная совокупность элементов симметрии кристаллического многогранника называется видом симметрии. Существует всего 32 класса симметрии (табл. 1.1). Каждый из них характеризуется своей формулой симметрии. Она состоит из записанных в ряд элементов симметрии кристалла в следующем порядке: оси симметрии (от высших порядков к низшим), плоскости симметрии, центр симметрии. Например, формула симметрии куба имеет вид 3Z 4 4L 3 6Z 2 9PC (три оси четвертого порядка,четыре оси третьего порядка,шесть осей второго порядка, девять плоскостей симметрии, центр симметрии).

По симметрии и кристаллографическим направлениям 32 вида симметрии делятся на три категории: низшую, среднюю, высшую. Кристаллы низшей категории - наименее симметричные с ярко выраженной анизотропией свойств, не имеют осей симметрии выше второго порядка. Для кристаллов средней категории характерно наличие главной оси, совпадающей с осью симметрии порядка выше, чем 2, т.е. с осью 3, 4 или 6-го порядка, простой или инверсионной. Для кристаллов высшей категории обязательно присутствие четырех осей 3-го порядка. Три категории подразделяются на 7 сингоний. Сингония объединяет кристаллы с одинаковой симметрией и имеющие одинаковое расположение кристаллографических осей. В низшую категорию входят триклинная, моноклинная и ромбическая сингонии, в среднюю - тригональ- ная, тетрагональная и гексагональная, в высшую - кубическая.

Порядок внутренней структуры кристаллов, наличие в ней трехмерной периодичности расположения материальных частиц обуславливает правильную внешнюю форму кристаллов. Каждому минералу присуща своя определенная форма кристаллов, например, кристаллы горного хрусталя имеют вид шестигранных призм, ограниченных шестигранными же пирамидами. Кристаллы каменной соли, пирита и флюорита часто встречают в виде хорошо развитых кубических форм. Простая форма кристаллического многогранника - это совокупность равных (по форме и размеру) граней, связанных между собой его элементами симметрии. Комбинированная форма - это многогранник, ограненный двумя или несколькими простыми формами. Установлено всего 47 простых форм: в низшей категории - 7 простых форм, в средней - 25, в высшей - 15. Взаимное расположение граней в пространстве определяют по отношению к координатным осям и некоторой исходной грани, используя кристаллографические символы. Каждая простая форма или комбинация простых форм описывается совокупностью символов, например, для куба символы - шести его граней: (100), (010), (001), (100), (010)и 001).

Таблица 1.1

Минералы, характеризующиеся кристаллическим строением, имеют определенный тип кристаллической решетки, частицы в которых удерживаются химическими связями. Исходя из представлений о валентных электронах, выделяют четыре основных типа химической связи: 1) ионная или гетерополярная (минерал- галит), 2) ковалентная или гомеополярная (минерал-алмаз), 3) металлическая (минерал- золото), 4) молекулярная или ван- дер-ваальсовая. Характер связи влияет на свойства кристаллических веществ (хрупкость, твердость, ковкость, температуру плавления и пр.). В кристалле возможно присутствие одного типа связи (гомодесмическая структура), или несколько типов (гетеродесми- ческая структура).

Реальный состав и структура минералов имеют отличия от идеальных, выраженных в химических формулах и структурных схемах минералообразования. Их вариации рассматривают в рамках теоретических понятий о полиморфизме и изоморфизме. Полиморфизм - преобразование структуры химического соединения без изменения его химического состава под влиянием внешних условий (температуры, давления, кислотности среды и пр.). Различают переходы двух видов: обратимые - энантиотропные (различные модификации Si0 2: кварц - тридимит - кристобалит) и необратимые - монотропные (модификации С: графит - алмаз). Если такой переход происходит с сохранением формы кристаллов первичного минерала, то возникают псевдоморфозы. Другая разновидность полиморфизма - политипия - вызвана сдвигом или поворотом идентичных двумерных слоев, приводящих к образованию структурных разновидностей. Изоморфизм - изменение химического состава минерала (замена одного иона или ионной группировки на другой ион или группу ионов) при сохранении его кристаллической структуры. Необходимое условие таких замещений - близость химических свойств и размеров замещающих друг друга ионов. Существует изовалентный (замещающие друг друга ионы или атомы имеют одинаковую валентность) и гетеровален- тный (замещающие ионы имеют разную валентность, но электронейтральность структуры при этом сохраняется) изоморфизм. Химические соединения переменного состава, образующиеся в результате изоморфизма, называют твердыми растворами. В зависимости от механизма образования выделяют твердые растворы замещения (один сорт ионов частично замещается другим), внедрения (в пустоты структуры-интерстиции-внедряются дополнительные ионы) и вычитания (часть узлов кристаллической решетки свободны). Изоморфные замещения в твердых растворах разделяют на полные и ограниченные (вхождение примесей в кристаллическую структуру в определенных пределах). Степень замещения зависит от сходства химических свойств и размеров ионов, а также термодинамических условий формирования твердого раствора: чем ближе химические свойства и меньше относительная разница ионных радиусов, и выше температура синтеза, тем легче образование изоморфных твердых растворов.

Кристаллическое твердое тело характеризуется определенным расположением материальных частиц в пространстве или структурным типом (рис. 1.1). Кристаллы, принадлежащие к одному структурному типу, одинаковы с точностью до подобия; поэтому для описания указывают структурный тип и параметры (размеры) кристаллической решетки. Наиболее распространены следующие структурные типы: для простых веществ характерны структурные типы меди, магния, алмаза (рис. 1.1а) и графита (рис. 1.16); для бинарных соединений типа АВ- структурные типы Na Cl (рис. 1. 1в), CsCl, сфалерита ZnS, вюрцита ZnS, никелина NiAs, для бинарных соединений типа АВ 2 - структурные типы флюорита CaF 2 , рутила Ti0 2 , корунда А1 2 0 3 , перовскита СаТЮ 3 , шпинели MgAl 2 0 4 .

Рис. 1.1 Кристаллические решетки: а) алмаза, б) графита, в) каменной соли

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ

Кристаллография – наука, изучающая кристаллы, их свойства, внешнюю форму и причины их возникновения, связанная непосредственно с минералогией, математикой (декартова система координат), физикой и химией (вопрос возникновения и роста кристаллов).Первые работы были сделаны Платоном, Пифагором и т.д.

До начала XIX века кристаллография носила описательный характер. Но уже в начале XIX получили развитие математика, физика, поэтому свое развитие получила и кристаллография. Особенно в середине XX века с ростом новых технологий, кристаллография получила экспериментальный характер (выращивание и синтез кристаллов). На сегодняшний день можно выделить следующие разделы кристаллографии:

На сегодняшний день можно выделить следующие разделы кристаллографии:

1. Геометрическая кристаллография – изучает внешнюю форму кристаллов и закономерности их внутреннего строения.

2. Кристаллохимия – изучает связь между внутренним строением кристаллов и их химическим составом.

3. Физико-химическая кристаллография – изучает закономерности образования и роста кристаллов.

4. Физическая кристаллография – изучает физические свойства кристаллов (оптические, тепловые, электрические и т.д.), где некоторые направления выделились в отдельные науки (кристаллооптика).

Тела кристаллические и аморфные

Твердые тела делятся на:

1. Аморфные , где элементарные частицы расположены беспорядочно, незакономерно, что приводит к обладанию свойством изотропности (одинаковые свойства вещества в любых направлениях). Аморфные тела неустойчивые и со временем они переходят в кристаллические (раскристаллизация).

2. Кристаллические , характеризующиеся упорядоченным расположением элементарных частиц, которые создают кристаллическую структуру, представленную пространственной решеткой.

Кристаллическая (пространственная) решетка

Кристаллическая решетка – совокупность элементарных частиц, расположенных в соответствующих точках бесконечного множества параллелепипедов, которые нацело заполняют пространство, будучи равными, параллельно ориентированными и смежными по целым граням (рис. 1).

Элементы строения пространственной решетки:

1. Узлы – элементарные частицы, занимающее определенное положение в решетке.

2. Ряд – совокупность узлов, расположенных на одной прямой через определенный равный интервал, называющийся промежутком ряда.

3. Плоская сетка – совокупность узлов, расположенных в одной плоскости.

4. Элементарная ячейка – одиночный параллелепипед, повторяемость которого образует пространственную решетку.

Математик Огюст Бравэ доказал, что всего может быть только 14 принципиально разных решеток. Параметры элементарной ячейки обуславливают тип кристаллической решетки.

Кристалл – твердое тело, имеющее форму правильного многогранника, в котором элементарные частицы расположены закономерно в виде кристаллической решетки.

Элементы ограничения кристаллов:

· грани (гладкие плоскости);

· ребра (линии пересечения граней);

· вершина (точка пересечения ребер).

Связь внешней формы кристалла с внутренним строением

1. Плоские сетки соответствуют граням кристалла.

2. Ряды соответствуют ребрам.

3. Узлы соответствуют вершинам.

Но только те плоские сетки и ряды соответствуют граням и ребрам, которые имеют наибольшую ретикулярную плотность – количество узлов на единицу площади плоской сетки или единицу длины ряда.

Отсюда Эйлер вывел закон: «Сумма количества граней и вершин равна количеству ребер плюс 2».

Основные свойства кристаллов

Закономерное внутреннее строение кристаллов в виде пространственной решетки обусловливает их важнейшие свойства:

1. Однородность – одинаковые свойства кристалла в параллельных направлениях.

2. Анизотропность – различные свойства кристалла в непараллельных направлениях (например, если минерал дистен («стен» - сопротивление) царапать по удлинению, то его твердость равна 4,5, а если в поперечном направлении, то твердость равна 6-6,5).

3. Способность самоограняться – при благоприятных условиях роста кристалл приобретает форму правильного многогранника.

4. Симметрия .

Симметрия кристаллов

Симметрия – (от греч. «сим» – похожий, «метриос» – измерение, расстояние, величина) – закономерная повторяемость одинаковых граней, ребер, вершин кристалла относительно некоторых вспомогательных геометрических образов (прямой линии, плоскости, точки). Вспомогательные геометрические образы, с помощью которых обнаруживается симметрия кристалла, называются элементами симметрии.

К элементам симметрии кристалла относятся ось симметрии (L – от англ. line – линия), плоскость симметрии (P – от англ. play – плоскость), центр симметрии (С – от англ. centre – центр).

Ось симметрии – прямая линия, при повороте вокруг которой на 360° кристалл несколько раз совмещается со своим исходным положением.

Элементарный угол поворота a – может быть равен 60°, 90°, 120°, 180°.

Порядок оси симметрии – число совмещений кристалла со своим исходным положением при вращении на 360°.

В кристалле возможны оси симметрии второго, третьего, четвертого и шестого порядков. Осей симметрии пятого и больше, чем шестого не бывает. Порядок осей симметрии обозначается L 6 , L 4 , L 3 , L 2 .

Возможное количество осей симметрии одного и того же порядка следующее:

L 2 – 0, 1, 2, 3, 4, 6;

L 4 – 0, 1, 3;

Плоскость симметрии – плоскость, делящая кристалл на две зеркально-равные части.

Центр симметрии – точка внутри кристалла, в которой пересекаются и делятся пополам линии, соединяющие противоположные одинаковые грани, ребра или вершины кристалла. Из данного определения следует правило: если в кристалле центр симметрии имеется, то каждая грань его должна иметь себе противоположную, равную, параллельную и обратно направленную грань.

Совокупность всех имеющихся элементов симметрии принято записывать в строчку, без каких-либо знаков препинания между ними, при этом вначале указываются оси симметрии, начиная с высшего порядка, затем плоскость симметрии, и на последнем месте, если есть, записывается центр симметрии.

Классификация кристаллов

Кристаллы по совокупности в них элементов симметрии объединяются в классы. Еще в 1830 г. ученый Ф. Гессель путем математических вычислений пришел к выводу о том, что всего возможно 32 различные комбинации элементов симметрии в кристаллах. Именно набор элементов симметрии и определяет класс.

Классы объединяются в сингонии. В одну сингонию сгруппированы классы, характеризующиеся одним или несколькими одинаковыми элементами симметрии. Сингоний известно 7.

По степени симметричности сингонии объединяются в более крупные подразделения – категории: высшая, средняя, низшая (табл.).

Формы кристаллов

1. Простые – кристаллы, у которых все грани имеют одинаковую форму и одинаковый размер. Среди простых форм различают:

· закрытые – своими гранями полностью замыкают пространство (правильные многогранники);

· открытые – полностью пространство не замыкают и для того, чтобы их закрыть участвуют другие простые формы (призмы и т.д.)

2. Комбинация простых форм – кристалл, на котором развиты грани, отличающиеся друг от друга по форме и размеру. Сколько на кристалле различных сортов грани, столько же простых форм в этой комбинации участвуют.

Номенклатура простых форм

В основе названия отражается число граней, форма граней, сечение формы. В названиях простых форм используются греческие термины:

· моно – одно-, единственный;

· ди, би – дву-, дважды;

· три – три-, трех-, трижды;

· тетра – четыре-, четырех-, четырежды;

· пента – пяти-, пятью;

· гекса – шести-, шестью;

· окта – восьми, восемью;

· додека – двенадцать-, двенадцати;

· эдр – грань;

· гонио – угол;

· син – сходно;

· пинакос – таблица, доска;

· клинэ – наклон;

· поли – много;

· скаленос – косой, неровный.

Например: пентагондодекаэдр (пять, угол, двенадцать – 12 пятиугольников), тетрагональная дипирамида (в основании четырехугольник, а пирамид две).

Системы кристаллографических осей

Кристаллографические оси – направления в кристалле параллельные его ребрам, которые принимаются за координатные оси.Ось х – III, ось у – II, ось z – I.

Направления кристаллографических осей совпадают с рядами пространственной решетки или параллельны им. Поэтому иногда вместо обозначений I, II, III оси используются обозначения единичных отрезков a, b, c.

Типы кристаллографических осей:

1. Прямоугольная трехосная система (рис. 2) . Возникает, когда направления сориентированы перпендикулярно друг к другу. Используется в кубической (a=b=c), тетрагональной (a=b≠c) и ромбической (a≠b≠c) сингониях.

2. Четырехосная система (рис. 3) . Вертикально сориентирована четвертая ось, а в перпендикулярной к ней плоскости проводятся три оси через 120°. Используется для кристаллов гексагональной и тригональной сингонии, a=b≠c

3. Наклонная система (рис. 4). a=γ=90°, b≠90°, a≠b≠c. Используется для установки кристаллов моноклинной сингонии.

4.
Косоугольная система (рис. 5). a≠γ≠b≠90°, a≠b≠c. Используется для кристаллов триклинной сингонии.

Закон целых чисел

Это один из самых важных законов кристаллографии, называемый также законом Гаюи, законом рациональности двойных отношений, законом рациональности отношений параметров. Закон гласит: «Двойные отношения параметров, отсекаемых двумя любыми гранями кристалла на трех пересекающихся ребрах его, равны отношениям целых и сравнительно малых чисел».

1. Выбираем три непараллельных ребра, пересекающихся в точке О. Эти ребра принимаем за кристаллографические оси (рис. 6) .

2. Выбираем две грани A 1 B 1 C 1 и A 2 B 2 C 2 на кристалле, причем плоскость A 1 B 1 C 1 не параллельна плоскости A 2 B 2 C 2 , а точки лежат на кристаллографических осях.

3. Отрезки, отсекаемые гранями на кристаллографических осях называются параметрами грани. В нашем случае OA 1 , OA 2 , OB 1 , OB 2 , OC 1 , OC 2 .

Закон объясняется строением кристаллической решетки. Направления, выбранные в качестве осей, соответствуют рядам пространственной решетки.

Символы граней

Для получения символа грани необходимо установить кристалл в соответствующих кристаллографических осях, затем выбрать единичную грань – грань, параметры которой по каждой кристаллографической оси приняты за единицу измерения (иначе, за масштабный отрезок). В итоге, соотношение параметров будет характеризовать положение грани в кристаллографических осях.

Более удобно использовать не параметры, а индексы граней – величины, обратные параметрам: . Индексы записываются в фигурные (характеризуют простую форму в целом, например {hkl} или {hhl} ) или круглые скобки (относятся непосредственно к определенной грани, например (hhl ) или (hlh ) ), без знаков препинания. Если получается отрицательный индекс, то он может быть показан знаком вектора – {hkl}. Индексы также могут обозначаться числовыми значениями, например, {321}, {110} или {hk0}. «0» - означает, что грань параллельна оси.

Пути образования кристалло в

Кристаллы могут образовываться из всех агрегатных состояний вещества, как в природных, так и в лабораторных условиях.

Газообразное состояние – снежинки (кристаллы льда), иней, налет, самородная сера (при извержении вулканов на стенках кратеров оседают кристаллы серы); в промышленности – кристаллы йода, магний. Возгонка – процесс образования кристаллов из газообразного вещества.

Жидкое состояние – образование кристаллов из расплава и из раствора. Образование всех интрузивных пород происходит из расплавов (мантийные магматические расплавы), когда основным фактором является понижение температуры. Но наиболее распространенным является образование кристаллов из растворов. В природе эти процессы самые распространенные и интенсивные. Особенно образование кристаллов из растворов характерно для пересыхающих озер.

Твердое состояние – главным образом, процесс перехода аморфного вещества в кристаллическое (раскристаллизация), в природных условиях эти процессы активно идут при высоких температурах и давлениях.

Возникновение кристаллов

Растворы различаются по степени концентрации в них вещества:

· ненасыщенные (недосыщенные) – можно добавлять вещество, и оно продолжит растворяться;

· насыщенные – добавление вещества не приводит к его растворения, оно выпадает в осадок;

· перенасыщенные (пересыщенные) – образуется, если насыщенный раствор попадает в условия, где концентрация вещества существенно превышает предел растворимости; в первую очередь начинается испаряться растворитель.

Например, образование кристаллического зародыша NaCl:

1. Одномерный кристалл (из-за притяжения ионов образуется ряд), (рис. 7) ;

2. Двумерный кристалл (плоская сетка), (рис. 8) ;

3. Первичная кристаллическая решетка (кристаллический зародыш из около 8 элементарных ячеек), (рис. 9) .

У каждого кристалла своя цепочка образования (для кристалла соли – куб), но механизм будет всегда одинаков. В реальных условиях, как правило, центром кристаллизации служит или посторонняя примесь (песчинка), или мельчайшая частичка того вещества, из которого будет строится кристалл.

Рост кристаллов

На сегодняшний день существуют две основные теории, описывающие рост кристаллов. Первая из них именуется теорией Косселя-Странского(рис. 10) . Согласно этой теории, частицы присоединяются к кристаллу преимущественно так, чтобы выделялась наибольшая энергия. Это объяснимо тем, что любой процесс идет «легче», если энергия высвобождается.

А – высвобождается максимальное количество энергии (при попадании частицы в этот трехгранный угол).

Б – будет выделяться меньшая энергия (двугранный угол).

В – высвобождается минимум энергии, самый маловероятный случай.

Во время роста в первую очередь частицы будут попадать в положение А , затем в Б и, наконец, в В . На кристалле не начнется рост нового слоя, пока не завершено построение слоя до конца.

Эта теория вполне объясняет рост кристаллов с идеальными гладкими гранями с механизмом послойного нарастания граней.

Но в 30-х годах XX века было доказано, что грани кристалла всегда искажены или имеют какие-либо дефекты, поэтому в реальных условиях грани кристалла далеки от идеально гладких плоскостей.

Вторая теория предложена Г.Г. Леммлейном с учетом того, что грани кристаллов не идеальные развил теорию дисклокации (дислокационного роста) – смещения. За счет винтовой дисклокации на поверхности кристалла всегда имеется «ступенька», к которой легче всего присоединяются частицы растущего кристалла. Теория дислокации и, в частности, теория винтовой дислокации (рис. 11, 12) , всегда дает возможность для продолжения роста граней, ибо всегда есть место для благоприятного присоединения частицы к кристаллической решетке, дислоцированной. В результате подобного роста поверхность грани приобретает спиральной строение.

Обе теории, совершенного и несовершенного роста кристаллов, дополняют друг друга, каждая из них основана на одних и тех же законах и принципах и полностью позволяют характеризовать все вопросы роста кристаллов.

Скорость роста граней

Скорость нарастания грани – величина нормального к ее плоскости отрезка, на который данная грань передвигается в единицу времени (рис. 13) .

Скорость нарастания различных граней кристалла различна. Грани с большей скоростью нарастания постепенно уменьшаются в размерах, вытесняются разрастающимися гранями с малой скоростью нарастания и могут совсем исчезнуть с поверхности кристалла (рис. 14) . В первую очередь на кристалле развиваются грани, имеющую наибольшую ретикулярную плотность.

Скорость нарастания граней зависит от многих факторов:

внутренних и внешних. Из внутренних факторов наибольшее влияние на скорость нарастания граней оказывает их ретикулярная плотность, что выражается законом Бравэ: «Кристалл покрывается гранями с большей ретикулярной плотностью и наименьшей скоростью роста».

Факторы, влияющие на форму растущего кристалла

Факторы разделяются на внутренние (то, что непосредственно связано со свойствами ионов или атомов или кристаллической решетки) и внешние: давление, а также:

1. Концентрационные потоки. При росте кристалла в растворе около него присутствует область чуть более высокой температуры (частицы присоединяются так, чтобы высвобождалась как можно большая энергия) и с пониженной плотностью раствора (происходит питание растущего кристалла) (рис. 15). При растворении все происходит наоборот.

Потоки играют двоякую роль: постоянно движущиеся вверх потоки приносят новые порции вещества, но они же и искажают форму кристаллов. Подпитка происходит только снизу, меньше – с боков, и сверху ее почти нет. При выращивании кристаллов в лабораторных условиях воздействие концентрационных потоков пытаются исключить, для чего используют разные методики: метод динамического роста кристаллов, метод искусственного перемешивания раствора и др.

2. Концентрация и температура раствора . Всегда оказывают влияние на форму кристаллов.

Влияние концентрации раствора на форму кристаллов квасцов (концентрация повышается от 1 до 4):

1 – кристалл в форме октаэдра;

2,3 – комбинация нескольких простых форм;

4 – кристалл с преимущественным развитием грани октаэдра, форма приближается к шаровой.

Влияние температуры на эпсомит:

При повышении температуры кристаллы эпсомита приобретают более толсто-призматические очертания, при низкой температуре – тоненькая линзочка.

3. Примеси постороннего вещества . Например, октаэдр квасцов превращается в куб при росте в растворе с примесью буры.

4. Другие.

Закон постоянства гранных углов

Еще в середине XVII века, в 1669 г. датский ученый Стено изучил несколько кристаллов кварца и понял, что насколько бы сильно не был искажен кристалл, углы между гранями остаются неизменными. Сначала к закону отнеслись прохладно, но спустя 100 лет исследования Ломоносова и французского ученого Ромэ-Делиля, независимо друг от друга, подтвердили этот закон.

На сегодняшний день закон носит другое название – закон Стено-Ломоносова-Ромэ-Делиля). Закон постоянства гранных углов: «Во всех кристаллах одного и того же вещества углы между соответственными гранями и ребрами постоянны». Этот закон объясняется строением кристаллической решетки.

Для измерения углов между гранями используется прибор гониометр (похож на микс транспортира и линейки). Для более точных измерений используется оптический гониометр, изобретенный Е.С. Федоровым.

Зная углы между гранями кристалла вещества, можно определять состав вещества.

Сростки кристаллов

Среди сростков кристаллов выделяются две главные группы:

1. Незакономерные – сростки кристаллов, которые между собой в пространстве никак не взаимосвязаны и не сориентированы (друзы).

2. Закономерные:

· параллельные;

· двойники.

Параллельный сросток кристаллов представляет собой несколько кристаллов одного и того же вещества, которые могут быть различного размера, но сориентированными параллельно друг другу, кристаллическая решетка в этом сростке непосредственно связана в одно целое.

Скипетровидный сросток – более мелкие кристаллы кварца срастаются с более крупным кристаллом.

Двойники

Двойник – закономерный сросток двух кристаллов, в котором один кристалл является зеркальным отражением другого, либо одна половина двойника выводится из другой, путем разворота на 180°. С точки зрения минералогии в любом двойники всегда виден внутренний входящий угол (рис. 16).

Элементы двойника:

1. Двойниковая плоскость – плоскость, в которой отражаются две части двойника.

2. Двойниковая ось – ось, при развороте вокруг которой из одной половины двойника получается вторая.

3. Плоскость срастания – плоскость, по которой две части двойника примыкают друг к другу. В частных случаях двойниковая плоскость и плоскость срастания совпадают, но в большинстве случаев это не так.

Сочетание и характер всех трех элементов двойника определяют законы двойникования: «шпинелевый», «галльский» и т.д.

Двойники прорастания – один кристалл насквозь прорастает другой кристалл. Если участвуют несколько кристаллов соответственно выделяют тройники, четверники и т.д. (в зависимости от количества кристаллов).

Полисинтетические двойники – серия сдвойникованных кристаллов, расположенных так, что каждые два соседних расположены друг к другу в двойниковой ориентировке, а кристаллы, идущие через один, сориентированы параллельно друг другу (рис. 17).

Полисинтетическое двойникование на природных кристаллах часто проявлено в виде тонкой параллельной штриховки (двойниковых швов).

Формы природных кристаллов

Среди кристаллов принято различать:

· идеальные – те кристаллы, у которых все грани одной и той же простой формы одинаковы по размерам, очертаниям, расстоянию от центра кристалла;

· реальные – встречаются с теми или иными отклонениями от идеальных форм.

В природных (реальных) кристаллах неравномерное развитие граней одной и той же формы создает впечатление более низкой симметрии (рис. 18).

В реальных кристаллах грани далеки от математически правильных плоскостей, т.к. на гранях реальных кристаллах имеются различные усложнения в виде штриховки, узоров, ямок, наростов, т.е. скульптуры . Выделяют: паркетовидный узор, штриховка на грани, вицинали (представляют собой небольшие участки грани кристалла, незначительно смещенные от направления грани). В реальных кристаллах очень часто встречаются усложненные формы кристаллов.

При отклонении от условий нормального роста могут образоваться скелетные кристаллы – кристаллы, на которых преимущественно развиты ребра и вершины, а грани в развитии отстают (например, снежинки). Антискелетные кристаллы – преимущественно развиваются грани, а ребра и вершины отстают в развитии (кристалл приобретает округлую форму, очень часто в таком виде встречается алмаз).

Также бывают скрученные кристаллы, расщепленные, деформированные.

Внутреннее строение кристаллов

Внутренне строение кристаллов очень часто зональное. Каждое изменение химического состава раствора, где растет кристалл, вызывает свой слой. Зональное строение обусловлено пульсациями и изменениями химического состава, питающих растворов, т.е. в зависимости от чего питался кристалл в юности, будет меняться, например цвет зон.

В поперечном изломе видно секториальное строение, тесно связанное с зональностью и обусловлено изменениями состава среды.

Включения в кристаллах

Все включения делятся на гомогенные и гетерогенные. Они также делятся по времени образования на:

1. Остаточное (реликтовое) – твердая фаза, представляющая вещество, существовавшее еще до роста кристалла.

2. Сингенетичные – включения, возникшие с ростом кристаллов.

3. Эпигеничные – возникшие, после образования кристаллов.

Наибольший интерес для кристаллографии вызывают остаточные и сингенетичные включения.

Методы исследования включений в кристаллах

И.П. Ермаков и Ю.А. Долгов внесли большой вклад в изучение включений, и на сегодняшний день существуют два главных метода изучения включений в кристаллах:

1. Метод гомогенизации – группа методов, основанная на принципе превращения включений в однородное состояние; как правило, это достигается нагреванием. Например, пузырьки в кристалле представлены жидкостью, а при нагревании до определенной температуры становятся однородными, т.е. жидкость становится газом. Главным образом, этот метод работает на прозрачных кристаллах.

2. Метод декрипитации – путем изменения температуры и давления кристалл и его включения выводят из состояния равновесия и доводят включения до взрыва.

В результате получают данные о температуре и давлении образования кристалла с заключенными в нем газами, жидкостями или твердой фазы в виде включения.

Лекция 1.11 Основы кристаллографии и кристаллохимии

Введение

Кристаллохимия – наука, изучающая зависимость внутренней структуры и физических свойств кристаллов от химического состава. Кристаллохимия – наука о кристаллических структурах, базирующаяся главным образом на данных рентгеноструктурного анализа, а также нейтронографии и электронографии. Рентгеноструктурные исследования позволяют судить о мотиве расположения частиц в кристаллической структуре, с большой точностью измерять расстояния между атомами, ионами и молекулами. С помощью этих методов можно идентифицировать вещества, различать кристаллические и аморфные тела, определять размеры малых кристаллов, соединенных в агрегаты, ориентировать монокристаллы, исследовать деформации и напряжения кристаллов, изучать фазовые превращения, а также строение частично упорядоченных образований.

Физические свойства зависят не только от геометрии кристаллической структуры, но и от сил химического взаимодействия. Исследование природы связей в кристаллах развивались параллельно с изучением характера сил, действующих в газах и жидкостях между частицами (межмолекулярные силы) и в пределах молекул (внутримолекулярные силы). Исходя из кристаллохимических данных, можно рассчитать некоторые физические величины кристаллов (например, показатель преломления света, термическое расширение, сопротивление разрыву). Далеко не всегда экспериментальные данные находятся в согласии с теоретическими расчетами. Это связано с наличием дефектов в кристаллических структурах. Знание размеров частиц, из которых состоит кристаллическое тело, даже в некоторых случаях и без проведения эксперимента, при известном химическом составе позволяет предположить тип структуры.

Кристаллохимия – одна из тех пограничных наук, которые возникли в начале нашего века на пересечениях больших областей классического естествознания. Она связала между собой кристаллографию, науку по существу физическую, и химию. Как и другие пограничные науки (биохимия , геохимия , биофизика и т. п.), она обязана своим рождением той научной революции, которая последовала за открытиями строения атома, дифракции рентгеновских лучей кристаллами и созданием квантовой механики.

Кристаллохимия завершает исторический ряд естественнонаучных дисциплин: минералогия– кристаллография– химическая кристаллография – кристаллохимия.

Группы симметрии и структурные классы

Представления о симметрии очень важны как в связи с теоретическим, так и экспериментальным изучением строения атомов и молекул. Основные принципы симметрии применяются в квантовой механике, спектроскопии и для определения структуры при помощи дифракции нейтронов, электронов и рентгеновских лучей. Природа дает множество примеров симметрии, и это особенно очевидно, когда молекулы исследуются в равновесных конфигурациях. Для равновесной конфигурации атомы считаются фиксированными в их средних положениях. Когда существует симметрия, некоторые расчеты упрощаются, если ее принимать во внимание. Симметрией определяется также, может ли молекула быть оптически активной или иметь дипольный момент. Отдельные молекулы в отличие от кристаллических твердых тел не ограничены симметрией, которой они могут обладать.

Существует много способов описания симметрии системы. Химики обычно имеют дело с молекулами и при выяснении их симметрии прежде всего выбирают отправную точку в молекуле, затем рассматривают симметрию линий и плоскостей относительно этой точки (точечная симметрия). Точечную симметрию можно использовать и для описания симметрии кристаллов, но для них большое значение имеют также элементы симметрии бесконечных фигур (трансляционная симметрия). Точечная симметрия не должна нарушать требований трансляционной симметрии. Признание симметрии, присущей какому-либо объекту, есть следствие нашего повседневного опыта. Для описания симметрии молекул используются пять типов элементов симметрии: центр симметрии, ось собственного вращения, зеркальная плоскость, ось несобственного вращения и тождественный элемент. Каждый из этих элементов имеет связанную с ним операцию симметрии. Элементы имеют свои обозначения. Наряду с международной символикой в литературе по строению вещества, квантовой химии, спектроскопии широко используется символика Шенфлиса. В течение долгого времени для обозначения симметрии кристаллов использовалась формула симметрии (табл.1). После применения операции симметрии к молекуле ее положение может измениться. Но если это не так, то принято говорить, что молекула обладает операцией симметрии и соответствующим элементом симметрии. Набор элементов симметрии не может быть произвольным. Он подчиняется ряду теорем, знание которых существенно облегчает анализ симметрии фигуры.

Таблица 1

Пример плоскостей симметричности

Пример осей симметричности

https://pandia.ru/text/80/247/images/image005_8.jpg" width="321" height="197 id=">

Пространственная кристаллическая решетка

Таблица 2

Сингонии и типы решеток

Обозначения: Р – примитивная; А, В, С – базоцентрированные; I – объёмноцентрированная, F – гранецентрированная решётки; R – ромбоэдрическая решётка в гексагональной системе координат (дважды центрированная гексагональная). Четыре типа решёток Бравэ существуют только в ромбической сингонии, так как центрирование в других системах не всегда приводит к появлению нового типа решёток. Например, центрирование верхней и нижней граней тетрагональной Р-ячейки приводит к появлению новой Р - решётки с другой величиной отношения ребер а/с. если же в этой решетке занять центры всех граней, то получим объёмноцентрированную тетрагональную I-ячейку. В моноклинных решётках типа F или I можно несколько иным способом выбрать элементарную ячейку, что позволяет рассматривать их как решётки типа С. Центрирование элементарной ячейки в триклинных решётках не изменяет существа дела, так как тогда можно выбрать меньшую примитивную элементарную ячейку. Для описания решётки один из её узлов выбирается за начало координат. Все узлы решётки нумеруются по порядку вдоль координатных осей. Каждый узел характеризуется, следовательно, набором трех целых чисел ·mnp·, называемых индексами узла. Если заменить шесть скалярных параметров решётки тремя векторами: → → → c b a, то любую трансляцию можно записать с помощью вектора, проведённого из начала координат в соответствующий узел ·mnp· .

shortcodes">

Самое интересное:

Машины с высоким клиренсом Полноприводные минивэны с высоким клиренсом

Полная переделка усилителя Радиотехника У101

Запчасти: где выгоднее покупать?