4 роки тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

КРИСТАЛЛОХИМИЯ

Большинство минералов представляют собой хи­мические соединения. Атомы различных элементов в них прочно удерживаются на определенном рас­стоянии друг от друга посредством химических свя­зей нескольких типов; наиболее важными являются ионная, ковалентная и металлическая связи.

Ионная [гетерополярная] связь обусловлена элек­тростатическим притяжением между ионами с равны­ми и противоположными по знаку зарядами (катио­нами и анионами). При ионной связи электрон (или электроны) с внешней орбиты одного атома перехо­дят на орбиту другого. Примером ионной связи яв­ляется галит, где атом натрия в структуре NaCl от­дает электрон своей внешней оболочки, становясь катионом (Na+), а атом хлора, получив этот элек­трон, становится анионом (С1).

При ковалентной [гомеополярной] связи, в отли­чие от ионной, обмена электронами между противо­положно заряженными ионами не происходит. Дан­ная связь выражается в том, что тесно сближенные атомы «выделяют» одну или несколько пар наруж­ных электронов, которые используются ими сов­местно. Тем самым каждый атом получает нужное количество электронов. [Ковалентная связь осущест­вляется только в определенных направлениях вокруг атома, отличаясь этим от ионной, где электростати­ческое притяжение распространяется на все соседние ионы противоположного знака.Известно, что во многих минералах имеются два или даже несколько ти­пов химических связей, в том числе ионно-ковалентная.]

При металлической связи ионы, находящиеся в плотной упаковке, окружены свободно движущи­мися внешними электронами. Металлическая связь обусловливает такие свойства металла, как тепло- и электропроводность. Ионы, находящиеся в плотной упаковке, способны быстро передавать тепло и так же быстро рассеивать его. Поэтому металлы на ощупь кажутся нам холодными. Металлам присущи также ковкость — свойство металла (например, золота), позволяющее раскатывать его на тонкие листы, и тя­гучесть (металл можно вытягивать в проволоку).

Во многих минералах есть атомы, которые соеди­няются в определенные группы, характеризующиеся ковалентными связями и получившие название ради­калов или комплексных ионов. Для очень важного класса минералов — силикатов — такие радикалы представлены структурными единицами SiO4, обладающими отрицательным зарядом (4—). В силика­тах каждый атом кремния находится в окружении четырех атомов кислорода, образуя кремнекислородный тетраэдр (рис. 13). Для достижения электриче­ского баланса (компенсации зарядов) этот радикал (SiO4)4- должен быть связан с катионом или с не­сколькими катионами, обладающими общей валент­ностью 4+ . В форстерите (Mg2)4+(Si04)4- два атома магния, каждый из которых имеет валентность 2+, связаны с комплексным анионом (SiO4)4-.

Тетраэдр SiO4 у которого в каждой вершине находится один атом кислорода

Тетраэдр SiO4 у которого в каждой вершине находится один атом кислорода

Кристаллические вещества характеризуются упо­рядоченным расположением структурных единиц — молекул, атомов, ионов, в отличие от аморфных ве­ществ, лишенных этого свойства. Благодаря законо­мерному расположению частиц в структуре вещества образуются хорошо сформированные, правильные кристаллы. На рис. 14, 15, 16 показаны структуры некоторых известных минералов, имеющих ионные связи.

Структура кристалла хлористого натрия

Структура кристалла хлористого натрия

Структура сфалерита

Структура сфалерита

Структура флюорита

Структура флюорита

 

ПОЛИМОРФИЗМ И ИЗОМОРФИЗМ

Под воздействием давления упаковка атомов ста­новится компактнее и образуется более плотное кри­сталлическое тело. Существует явление, когда веще­ство с одним и тем же химическим составом обра­зует несколько структурных разновидностей. Приме­ром может служить кремнезем (SiO2), который при обычной температуре представлен кварцем. С повы­шением температуры до 1470—1723°С это — кристобалит, минерал, образующийся в вулканических ла­вах. В диапазоне температур 840—1470°С кремнезем кристаллизуется уже в виде тридимита. Такие разно­видности называются полиморфными модификация­ми, а сам процесс преобразования кристаллической структуры вещества без изменения его химического состава — полиморфизмом. По-видимому, лучше из­вестны две полиморфные модификации (диморфы) углерода — алмаз и графит.

Явление, обратное полиморфизму, когда вещества разного химического состава обладают одинаковой кристаллической структурой, называется изоморфиз­мом. Сущность его заключается в способности взаим­ного замещения ионов, размеры которых практически идентичны. Б качествепримера можно привести за­мещение одним ионом хрома иона алюминия в ко­рунде или берилле. Присутствие хрома в кристалли­ческой структуре минерала дает в первом случае красную разновидность корунда рубин, во втором — зеленую разновидность берилла изумруд. [Различают несколько видов изоморфизма, среди которых наибо­лее распространенные — изовалентный (происходит замещение ионов с одинаковой валентностью) и гетеровалентный (замещаются ионы разной валентности). Автором описана наиболее простая разновидность изовалентного изоморфизма, когда по своим свойствам взаимно заменяющиеся ионы близки друг к другу.]

Существуют непрерывные ряды минералов, кото­рые могут быть охарактеризованы двумя конечными членами ряда, обладающими постоянным химическим составом, в то время как промежуточные его члены представляют собой изоморфные смеси конечных. Примером может служить ряд форстерита (Mg2Si04) — фаялита (Fe2SiO4), в котором оливин является одним из промежуточных членов. В месте с тем ряд минералов, включающий эти два конечных члена, объединяется в группу оливина. Если смесь форстерита и фаялита подвергнуть нагреванию, а за­тем охладить, мы получим оливин, в состав которого входят как магний, так и железо. Такие соединения называются твердыми растворами, поскольку здесь один минерал как бы растворен в другом.

Ряды, подобные рассмотренному, называют изо­морфными. В данном случае все промежуточные члены изоморфного ряда известны, хотя так бывает не всегда. Если мы хотим получить формулу какого-либо промежуточного члена оливинового ряда, то до­статочно в общую формулу ряда (Mg, Fe)2SiO4 под­ставить к символам Mg и Fe соответствующие ин­дексы, отразив тем самым фактическое соотношение магния и железа для данного конкретного минерала.

При повышении температуры (нагревании) мине­рала в его кристаллическую структуру стремятся проникнуть атомы с относительно большими ионными радиусами. Если это происходит, и решетка вслед­ствие этого расширяется, то при последующем охлаж­дении и соответственно сжатии решетки более круп­ные атомы как бы выталкиваются из нее. Осущест­вляется процесс, в результате которого первоначально однородный твердый раствор распадается на две кристаллические фазы. Эти фазы оказываются на­столько близкими друг другу по размерам слагающих частиц, что их бывает трудно различить. Этот про­цесс получил название экссолюции [распада твердого раствора].

В некоторых случаях минералы не отвечают за­кону компенсации электрических зарядов (электриче­ского баланса). В их кристаллических структурах от­сутствуют некоторые катионы; остающиеся в резуль­тате этого свободные места называются вакансиями. Иногда такие явления обусловливают цвет минерала.

 

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

Все мы хорошо знаем, как выглядят кристаллы. Они обладают отчетливо выраженной внешней фор­мой, имеют четкие плоские грани, острые вершины и т. д. Однако в природе далеко не все кристаллы предстают в столь идеальной форме. Некоторые из них вообще кажутся бесформенными итем не менее являются кристаллами. Если взять кусок искусствен­ного или природного стекла, то на первый взгляд он почти не отличается от такого же обломка горного хрусталя, но в действительности между ними суще­ствует принципиальная разница. В древние времена горный хрусталь считали «навеки застывшим льдом» (настолько твердым, что ему уже не оттаять!). Само греческое слово, означающее «чистый лед» (кристалл-лёс), трансформировалось в современное «кристалл» (кстати, лёд — кристаллическое вещество).

Как считает автор этих строк, кристаллом яв­ляется твердое тело, обладающее симметрией атомов, которая выражается в периодической их повторяемо­сти в пределах кристалла. Эта внутренняя закономер­ность проявляется в способности самоограняться, т. е. создавать правильные грани и другие элементы внеш­ней огранки кристалла. Иногда это свойство может внешне и не проявляться. Если изучаемое тело ли­шено внешних признаков регулярной структуры, необходимо провести соответствующие испытания, чтобы выяснить, имеет ли оно внутреннюю атомную симмет­рию и какойименно вид симметрии ему свойствен.

Состояние вещества, противоположное кристалли­ческому, называется аморфным (от греческого слова аморфоз — бесформенный). Согласно определению Американского бюро стандартов, аморфным можно назвать «вещество, аморфное по данным рентгеноструктурного анализа и проявляющее свойства, ха­рактерные для состояния, переходного к стеклоподобному». Стеклоподобное состояние может быть охарактеризовано как такое, при котором твердая аморфная фаза с изменением температуры претерпе­вает более или менее внезапные изменения теплоем­кости и соответственно коэффициента теплового рас­ширения. Диапазон этих вторичных термодинамиче­ских параметров весьма значителен, и мы получаем данные о свойствах тел, начиная от близких к кри­сталлическим и кончая жидкостями.

Из этого можно заключить, что аморфные веще­ства образуют более сложную группу, чем кристал­лические! Но фактически это означает только то, что у стекла («аморфное вещество по данным рентгеноструктурного анализа») отсутствует дальний порядок в расположении атомов. При одной температуре оно кажется кристаллоподобным, но при другой перехо­дит в жидкое состояние с присущими ему свойствами. Стекло подобно переохлажденной жидкости, однако это свойство распространяется не на все аморфные вещества. Общим для них является отсутствие даль­него порядка, что может быть установлено рентгеноструктурным анализом.

Хорошо сформированные кристаллы, представлен­ные в учебниках минералогии и демонстрируемые в музеях, росли в весьма благоприятных условиях. К сожалению, образование большинства кристаллов нарушается «конкуренцией» — тесным соседством с другими растущими кристаллами — либо слишком большой скоростью застывания кристаллизующейся массы.

Необходимым условием зарождения и роста крис­талла является наличие некоего ядра. Его роль мо­жет играть другой кристалл или даже частичка лю­бого твердого вещества. При отсутствии таких «заро­дышей» рост кристаллов не может начаться до тех пор, пока атомы, сконцентрировавшись в группы, не образуют так называемые центры кристаллизации (на это требуется довольно длительное время). Во многих случаях для начала процесса кристаллизации необходимо понижение температуры расплава до определенного уровня. Чаще всего это происходит при охлаждении расплава, а начало кристаллизации совпадает обычно с температурой плавления данного вещества.

Рост кристаллов происходит в результате отложе­ния новых слоев (вещества. Если к грани растущего кристалла будут поступать все новые порции питаю­щего материала, ее поверхность становится крайне восприимчивой к поглощению еще больших его коли­честв. Иногда нарастание на поверхности кристалла происходит «ступенчато», и поскольку вновь нарос­шая ступень имеет большую площадь, чем первона­чальная плоская грань кристалла, скорость роста здесь будет выше, чем на остальной части грани. Это приводит к дефектам кристалла, которые со време­нем распространяются на всю растущую поверхность.

Такой дефект роста, получивший название винто­вой дислокации, обусловливает отложение вещества по спирали, вследствие чего на грани кристалла обра­зуется «спираль роста». Это — одна из особенностей развития кристаллов, с которой приходится считаться минералогу, занимающемуся искусственным их вы­ращиванием. Хотя спираль роста может сойти на нет и проявиться на поверхности кристалла разве что в виде мелкого бугорка, воздействие дефекта роста необратимо распространится по всему телу крис­талла, и это сделает его непригодным для использо­вания в оптике или в лазерной технике, т. е. в тех об­ластях, где кристаллы совершенной формы поистине незаменимы.

Другое отклонение от идеального роста, менее значительное, поскольку оно не приводит к дислока­циям, возникает в том случае, когда новый тонкий слой вещества возникает на растущей грани, образуя ступень на ее крае. Новый материал, отлагаясь на поверхности этой ступени, будет стремиться распро­страниться по всей грани кристалла. Рост задержит­ся, пока не будет сформирован другой такой же слой.

До сих пор мы рассматривали растущие крис­таллы как твердые вещества, состоящие только из закономерно расположенных атомов и других струк­турных единиц. Однако в структуру кристалла могут внедриться «посторонние» атомы, если они обладают теми же размерами, что и находящиеся в данной структуре «по праву». В качестве примера можно привести замещение некоторых атомов алюминия в корунде (Аl2О3) атомами хрома, вследствие чего образуется минерал красного цвета — рубин. В дан­ном случае хром играет роль красителя, в то время как алюминий таковым не является (это пример изо­морфного замещения, сущность которого рассматри­валась выше).

Если представить себе, что питающее вещество быстро отлагается на той или иной грани кристалла, то очевидно, что наибольшая скорость роста на этой грани будет в направлении, перпендикулярном к ней. По мере отложения нового материала площадь грани все более сокращается, что часто приводит к ее исчез­новению, поскольку она трансформируется в ребро или вершину. В конечном итоге кристалл покрывается гранями, нараставшими с наименьшей скоростью.

ОТКЛОНЕНИЯ ОТ НОРМАЛЬНОГО РОСТА КРИСТАЛЛОВ

Существует много причин, препятствующих нор­мальному росту кристалла. Например, если приток питающего вещества ослабевает в прилегающих к кристаллу участках, этот дефицит пополняется за счет раствора, поступающего из более отдаленных частей среды. При этом в большинстве случаев мак­симальное количество питающего материала прихо­дится на долю вершин и ребер растущего кристалла, и поэтому они пользуются определенным преимуще­ством в процессе роста по сравнению с гранями. Та­ким путем могут возникнуть вогнутые кристаллы [например, кубические кристаллы соли, у которых грани куба растут быстрее у ребер, чем в централь­ной части] или минеральные агрегаты дендритовой формы.

Другая причина нарушения нормального роста кристаллов связана с наличием в питающем растворе загрязнений или примесей (хотя они могут быть по­истине ничтожными!). В условиях идеального роста кристалл должен обладать способностью отторгать чуждые примеси (если только им не удастся проник­нуть в кристаллическую структуру, как это мы на­блюдали на примере хрома в корунде). Если при­меси не внедрились в структуру, они аккумулируются на внешней стороне нарастающих граней кристалла, препятствуя равномерному притоку питающего рас­твора и тем самымзамедляя их рост. Это может по­влечь за собой неправильное развитие граней, в ре­зультате чего кристалл приобретет форму, далекую от идеальной.

Некоторые примеси в виде твердых частичек мо­гут быть захвачены с питающим материалом и за­ключены в кристалле. Они получили название инклю­зий (включений). Такие включения играют важную роль в познании развития кристаллов ряда драгоцен­ных камней.

Определенное представление о том, как форми­руется отдельный кристалл, можно получить, изучая особенности нарастания его граней. Очевидно, что чем кристалл крупнее, тем менее совершенным может быть его облик, ибо такой кристалл дольше подвер­гается внешним воздействиям, искажающим его форму, а также обусловливающим появление на гра­нях кристалла фигур травления, впадин роста и др. Эти скульптурные усложнения могут существенно по­мочь в расшифровке индивидуальных черт того или иного кристалла. Наблюдаются и такие явления, ко­гда один кристалл нарастает на другом и облекает его, образуя «головку», как, например, в случае скипетровидного кварца (первоначальные элементы огранки кристалла перекрываются более крупными гранями той же формы). Это может быть объяснено поступлением более обильных порций питающего ма­териала.

Иногда один минерал может нарастать на опре­деленных гранях другого (например, нарастание пластинок гематита на чередующихся гранях крис­талла кварца). Такое явление носит название селек­тивной инкрустации; оно зависит от степени кристал­лографического сходства между начальным и нарас­тающим индивидами.

В тех случаях, когда подтоки питающего вещества периодически прерываются, а затем вновь возобнов­ляются, в кристалле можно наблюдать «зоны роста», которые получили название фантомов или теней; наи­более характерны они для кристаллов кварца. [Та­кие кристаллы (кварца, кальцита, флюорита и др.) известны под названием теневых. Внутри них наблю­даются следы более ранних стадий кристаллизации, иногда выраженные полосчатым распределением мельчайших включений, пузырьков и т. д.]

Если нормальные условия роста кристалла изме­няются таким образом, что растворение начинает преобладать над наращиванием, на гранях кристалла развиваются фигуры травления — углубления (ямки) определенной формы с округлыми или многогран­ными контурами. Эти фигуры отражают симметрию кристалла. Так, на алмазе образуются треугольные фигуры травления, соответствующие оси третьего порядка, перпендикулярной к грани; для изумруда характерны шестиугольные фигуры и т. д.

 

ГАБИТУС КРИСТАЛЛОВ

Во внешней форме кристаллов отражена как вну­тренняя симметрия, так и особенности роста, во мно­гом обусловленные средой их формирования. Для характеристики внешних элементов, присущих тому или иному кристаллу, имеется специальный термин — габитус. [Габитус (по-латыни — внешность, наружный вид) — характерная форма или комбинация форм кристалла, включая характерные неправильности. В отечественной литературе эти особенности морфо­логии кристаллов обозначаются термином «облик кристалла».]

Габитус указывается целым рядом определений, например:

— игольчатый (кристаллы игловидной формы);

— волосовидный (волосо- или нитевидные крис­таллы) ;

— столбчатый (с субпараллельными столбо- или колонкообразными кристаллами);

— дендритовый (кристаллы древовидной формы);

— пластинчатый (удлиненные пластинообразные кристаллы);

— таблитчатый (кристаллы с широкими плос­кими формами);

— клиновидный (утоняющиеся к одному концу кристаллы).

Некоторые минералы не образуют отчетливо огра­ненных, самостоятельных кристаллов; их кристалли­ческие индивиды практически не распознаются и не могут диагностироваться даже под микроскопом при самых сильных увеличениях. Эти минералы состоят из агрегатов, сложенных мельчайшими кристалли­ками и напоминающих сплошные массы, поэтому их называют массивными агрегатами. Научное наиме­нование таких образований — «скрытокристалличе-ские», поскольку слагающие их кристаллы как бы «скрыты от наблюдения». Часто агрегаты принимают радиально-лучистую или веерообразную форму. Рас­пространены также и другие минеральные скопления, имеющие иные характерные признаки. Среди них встречаются:

— гроздевидные (напоминающие виноградные кисти);

— почковидные (схожие по внешнему виду с поч­ками);

— сосцевидные (состоящие из округлых масс);

— шаровидные (сложенные сферическими или близкими к ним по форме образованиями) [к ним от­носятся, например, такие важные виды агрегатов, как конкреции (стяжения, желваки) с радиально-лучистым или скорлуповатым строением; оолиты (буквально — яйцевидные камни) — сферические об­разования концентрически-скорлуповатого строения и др.];

— сетчатые, или петельчатые (состоящие как бы из множества ячеек либо петель сети);

— листоватые или чешуйчатые (образующие тон­кие слойки: лейсты, чешуйки, которые могут легко отщепляться);

— волокнистые (состоящие из длинных вытяну­тых волокон).

ДВОЙНИКИ

Многие кристаллы образуют различные сростки — так называемые двойники (несколько примеров при­ведено на рис. 17). Ряд минералов (например, неко­торые полевые шпаты) встречаются почти исключи­тельно в виде двойников. Одни разновидности двой­ников представляют собой зеркальное отражение кристаллов, другие — взаимные прорастания (приме­ром последних могут служить кристаллы флюорита). Кристаллы-двойники распознаются по наличию вход­ных углов. Пластинчатые двойники, наблюдаемые в некоторых рубинах и плагиоклазах (полевых шпа­тах), обусловлены многочисленными тесно сросши­мися тонкими кристаллами, расположенными по­добно листам книги.

Примеры двойниковых кристаллов

Примеры двойниковых кристаллов

Процессы, происходящие в кристаллах в течение длительного времени, могут привести к изменению их химического состава и структуры при сохранении первоначальной внешней формы. Это явление называется псевдоморфизмом [а конечные продукты этих изменений — псевдоморфозами («ложными форма­ми»)]. Такие образования свойственны, в частности, кварцу, однако наиболее эффектные псевдоморфозы дает опал, который может нацело замещать древе­сину (например, ветку дерева) или скелетный мате­риал раковин. Этот пример псевдоморфизма примечателен еще и тем, что опал не является кристалли­ческим веществом (он аморфен!).

 

СПАЙНОСТЬ

Если минерал легко раскалывается, причем на плоскостях раскола образуются гладкие поверхности, говорят, что он обладает спайностью. Раскалывание минерала происходит вдоль плоскостей спайности, обусловленных закономерным ослаблением сил свя­зей в кристаллах, поэтому эти плоскости ориентиро­ваны параллельно фактическим или возможным гра­ням кристалла (рис. 18). В некоторых минералах наблюдается несколько направлений спайности. Так, например, кристалл алмаза имеет четыре таких на­правления, причем каждое из них параллельно гра­ням октаэдра; в кристаллах сфалерита шесть плос­костей спайности ориентированы вдоль ромбического додекаэдра; единственная плоскость спайности у то­паза параллельна базальному пинакоиду.

Направления спайности в кристаллах флюорита

Направления спайности в кристаллах флюорита

При описании спайности обязательно следует ука­зать ее направление и степень проявления (характер раскола, «качество» образовавшейся поверхности и т. д.). По своей выраженности спайность может варьировать от совершенной до посредственной. [У нас приняты пять степеней спайности: 1) весьма совершенная, когда минерал очень легко раскалы­вается на тонкие зеркальные пластинки (слюды, тальк, хлорит); 2) совершенная — минерал при лег­ком ударе раскалывается на мелкие правильные выколки (галит, кальцит, галенит и др.); 3) средняя (пироксены, рутил и др.); 4) несовершенная (апатит, касситерит, сера и др.); 5) весьма несовершенная (корунд, магнетит и др.).]

Некоторые минералы, не обнаруживающие спай­ности, все же раскалываются по определенным ослабленным зонам — трещинам отдельности, возни­кающим обычно в результате двойникования крис­таллов либо под воздействием внешних динамиче­ских факторов (давления). Хорошим примером мо­жет служить корунд, у которого трещины отдельно­сти ориентированы вдоль плоскостей пластинчатых двойников; у магнетита отдельность параллельна граням октаэдра. При диагностике минерала следует четко разграничивать такие признаки, как спайность и отдельность.

Раскол минерала, не совпадающий по направле­нию со спайностью и отдельностью, называется из­ломом.

 

БЛЕСК

Эффект, вызываемый отражением света от по­верхности минерала, называется блеском. Кристаллы металлов обладают наиболее ярким блеском, полу­чившим соответственно название металлического; многие из них кажутся черными, настолько полно они отражают падающий на их поверхность свет. Ми­нералы с неметаллическим блеском объединяются в группу, для которой характерен стеклянный блеск. Такой же блеск свойствен и драгоценным камням. На плоскостях спайности обычно наблюдается пер­ламутровый блеск. Считают, что у серы смоляной блеск, а волокнистые минералы, такие как серпентин-асбест, обладают шелковистым блеском.

Особо обращает на себя внимание алмаз: высо­кая отражательная способность обусловливает свер­кающий блеск его граней, который называют алмаз­ным. Некоторые другие, в частности прозрачные свинецсодержащие минералы церуссит и англезит, имеют блеск, приближающийся к алмазному. [Со­гласно нашей диагностической шкале минералы по блеску подразделяются на три группы: с металличе­ским, полуметаллическим (металлоидным) и неме­таллическим блеском. В третьей группе выделяются следующие разновидности блеска: алмазный — ал­маз, киноварь, сера (на гранях); стеклянный — каль­цит, флюорит, кварц (на гранях); перламутровый — слюды, тальк; шелковистый — асбесты; жирный — нефелин, кварц, сера (на изломе); матовый — каоли­нит, мел; восковой — опал, кремень.]

 

ЦВЕТ ЧЕРТЫ

Этот диагностический признак связан со свой­ством минералов давать окрашенную черту на мато­вой (не глазированной!) поверхности фарфоровой пластинки (так называемого бисквита). Цвет черты не обязательно должен совпадать с цветом самого минерала. В табл. 3 приводится цвет черты минера­лов, объединенных в две группы (в зависимости от их блеска).

Часто при изменении цвета минерала цвет его черты остается постоянным. Надо учитывать, что твердость фарфоровой пластинки — около 7, поэтому данный диагностический признак следует использо­вать для тех минералов, твердость которых не выше этого значения. Цвет черты помогает различать, на­пример, окислы железа, имеющие общую для всех черную окраску: у гематита черта вишнево-красная, у магнетита — черная. Большинство же карбонатов и силикатов дает белую или бесцветную черту, по­этому диагностировать их по черте затруднительно.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ

Способность к электризации отличает кристаллы от стекла, однако не все кристаллы обладают элек­трическими свойствами. Пироэлектричество, возбуж­дающееся в кристалле при колебаниях температуры (повышение электрического потенциала в результате нагревания), особенно хорошо проявляется в крис­таллах турмалина. Так, пластинки турмалина, вмон­тированные в стекло витрины и поляризованные под воздействием нагрева от осветительных приборов, способны притягивать пылинки.

Пьезоэлектричество возбуждается вследствие ме­ханических деформаций кристалла — сжатия или растяжения. При сжатии на противоположных кон­цах кристалла возникают разноименные электриче­ские заряды, при растяжении происходит их обрат­ное перераспределение. На пьезоэлектрическом эф­фекте основано использование кристаллов кварца в часах и электронных приборах.

 

СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ

Одно из первых положений учения о кристаллах, которое должен усвоить начинающий минералог, гласит: углы между двумя любыми гранями (дву­гранные углы) в различных по форме кристаллах одного и того же минерала остаются постоянными. Этот закон постоянства двугранных углов был сфор­мулирован французским минералогом Ромэ-Делилем в 1772—1782 гг. [М. В. Ломоносов в 1749 г. впервые связал закон постоянства углов с внутренним строе­нием минерала (селитры).] До Ромэ-Делиля датский ученый Н. Стено установил, что если через кристалл кварца провести различные поперечные сечения и сравнить их с сечениями, полученными для других кристаллов кварца, то углы между двумя любыми соседними гранями, независимо oт формы сечений, сохраняют постоянное значение.

Угол между двумя смежными гранями кристалла может быть выражен углом между перпендикуля­рами, проведенными к каждой из граней; остается, таким образом, измерить угол, составленный двумя нормалями к соответствующим граням. Закон посто­янства углов можно легко проверить с помощью при­кладного гониометра (простейшего прибора, состоя­щего из линейки и транспортира). [Для более точных измерений используются так называемые отражатель­ные гониометры, состоящие из одного или двух гра­дуированных вращающихся лимбов.]

Французский аббат Р. Ж. Аюи (1743—1822) в конце XVIII века пришел к выводу, что кристаллы состоят из мельчайших, но идентично построенных блоков. Это было случайное открытие: Аюи уронил образец кальцита и обнаружил, что он раскололся на мелкие ромбоэдры (кристаллики с плоскопарал­лельными гранями). Теперь мы знаем, что основные единицы структуры кристалла — не твердые тела, способные бесконечно повторять его облик, а трех­мерные структурные элементы атомных масштабов (элементарные ячейки).

Это не было известно до 1912 г., когда Макс Фон-Лауэ пропустил пучок рентгеновских лучей сквозь кристалл и обнаружил, что он разделился на отдель­ные лучи. Этот эффект отнесли за счет дифракции. Такое явление можно смоделировать с помощью обычной лампы, если смотреть на свет через не­большое отверстие. Вокруг основного яркого пятна, создаваемого светом лампы, будет расположено не­сколько сопутствующих световых пятен, которые возникают в результате дифракции световых лучей. Размером отверстия определяется расстояние между основным и окружающими его световыми пятнами: чем уже отверстие, тем более широко рассеяны пят­на, и наоборот.

В кристаллах с близко расположенными атомами рентгеновские лучи дифрагируют под большими уг­лами, чем в тех кристаллах, где между атомами имеются более значительные промежутки. Если рас­положение световых пятен сфотографировать, то по расстояниям между ними можно рассчитать пози­цию атомов в кристаллической структуре вещества.

 

СИММЕТРИЯ В КРИСТАЛЛАХ

Все мы имеем некоторое представление о сим­метрии, основанное главным образом на житейских примерах. Взглянем, например, на ветряную мель­ницу: четыре ее крыла выглядят совершенно одина­ковыми независимо от того, свисает ли вниз либо оказывается поднятым первое или четвертое крыло. В данном случае можно считать, что эта система ха­рактеризуется четырехкратной симметрией. Если вращать куб вокруг оси, перпендикулярной к грани, на которую мы смотрим, то во время оборота на 360° идентичное положение его повторится четыре раза; это также пример четырехкратной симметрии. Если вращать прямоугольный брусок (смотря на него с одного конца), то одинаковые положения при полном обороте на 360° повторятся только два раза; это соответственно двукратная симметрия (рис. 19). Здесь ось вращения является осью симметрии.

Плоскости симметрии в прямоугольном бруске

Плоскости симметрии в прямоугольном бруске

Если же кристалл можно разделить на две части таким образом, что одна служит зеркальным отоб­ражением другой, то плоскость раздела будет плос­костью симметрии. Б кристаллах кроме осей и плос­костей симметрии может быть и центр симметрии, в диаметрально противоположныхнаправлениях от которого расположены одинаковые элементы огран­ки кристалла (грани, ребра, вершины). К этому мо­жно добавить, что центр симметрии делит пополам любую проведенную через него прямую линию (рис. 20).

Кристалл и его симметрия

Кристалл и его симметрия

СИНГОНИИ КРИСТАЛЛОВ

По совокупности элементов симметрии каждый кристалл может быть отнесен к одному из 32 клас­сов, объединяющихся в шесть групп, называемых сингониями. [В настоящее время принято рассматри­вать семь сингонии.] Каждая сингония характери­зуется определенными, присущими ей кристаллогра­фическими осями. В кубической сингонии, к которой относятся наиболее симметричные кристаллы, все кристаллографические оси имеют одинаковую длину и пересекаются между собой под прямыми углами. Эта сингония обладает высшей степенью симметрии и считается сингонией высшей категории. В триклинной сингонии, которая обладает низшей степенью симметрии, наоборот, все оси — разной длины и к тому же Ни один угол их пересечения не является прямым.

В качестве небольшого вступления к рассмотре­нию кристаллографических сингоний познакомимся с основными формами кристаллов, характерными для той или иной сингоний. Представим себе куб; если у него срезать углы, получится фигура, напо­минающая две пирамиды (типа египетских), соеди­ненные друг с другом основаниями. Каждая грань этой формы представляет собой правильный тре­угольник. В целом такая фигура получила название октаэдра (восьмигранника). В некоторых минералах простые формы образуют сочетания, иногда доволь­но сложные, называемые комбинациями. Каким пу­тем они возникают, понятно не всегда. Сложившаяся в конечном итоге форма, свойственная именно дан­ному кристаллу, определяет его габитус. Такие фи­гуры, как куб или октаэдр, соответствуют простым формам кристаллов (рис. 21). По-видимому, геомет­рическую форму кристалла обусловливает в основ­ном его генетический код, в то время как облик крис­талла определяется условиями его роста.

Формы кристаллов

Формы кристаллов

Некоторые кристаллографические формы являют­ся замкнутыми; например, куб или октаэдр не нуж­даются в каких-либо дополнительных фигурах или гранях, чтобы образовать замкнутое тело. Такие формы получили название закрытых. Но если мы представим себе продолговатую фигуру типа бруска, то очевидно, что в данном случае для того, чтобы получить замкнутое тело, нужны различные сочета­ния простых форм; такие формы называются откры­тыми. Наиболее типичной открытой формой является призма — простая фигура, состоящая из трех или более граней, пересекающихся по параллельным реб­рам. Пинакоид — форма, определяемая двумя парал­лельными гранями и могущая существовать при на­личии центра или одной плоскости симметрии.

Теперь мы можем перейти к более подробному рассмотрению сингоний и соответствующих им наи­более типичных кристаллографических форм.

В кубической сингоний (рис. 22) высший класс имеет 9 плоскостей и 13 осей симметрии; здесь мо­жет быть образовано 15 форм. Мы уже познакоми­лись с такими простейшими формами, как куб и ок­таэдр, но кроме них имеются и другие широко рас­пространенные формы, в том числе ромбододекаэдр, состоящий из 12 граней в виде ромба. К кубической сингоний относится и тетрагонтриоктаэдр с 24 гра­нями (на каждой грани октаэдра по три неправиль­ных четырехугольника).

Кристаллографические оси в кристаллах кубической сингонии

Кристаллографические оси в кристаллах кубической сингонии

Облик кристаллов пирита и галенита кубический (т. е. они образуют кубы); алмаз и шпинель пред­ставлены октаэдрами. Ромбододекаэдры характерны для некоторых гранатов, другие представители этой группы минералов кристаллизуются в виде тетрагонтриоктаэдров. Среди гранатов встречаются также комбинации двух последних форм. Тетраэдр — фор­ма, состоящая из четырех равносторонних треуголь­ных граней; она свойственна минералу из группы блеклых руд — тетраэдриту, получившему название по своему кристаллографическому облику.

Спайность часто может дать представление о форме кристаллов; например, у алмаза (и флюо­рита) спайность октаэдрическая (плоскость спайно­сти расположена по отношению к осям как грань октаэдра). У сфалерита плоскость спайности соответ­ствует додекаэдру — расположена относительно осей как грань додекаэдра.

При понижении симметрии после кубической сле­дует тетрагональная сингония (рис. 23), характери­зующаяся тремя взаимно перпендикулярными крис­таллографическими осями, две из которых имеют одинаковую длину, третья ось либо длиннее их, либо короче. Если хотите получить представление об обычной тетрагональной форме, вообразите себе куб, вытянутый в одном направлении вдоль диагонали. Аналогично из октаэдра получается форма, которую можно представить в виде двух пирамид, сложен­ных основаниями, причем высота не равна централь­ному диаметру. Такая форма называется дипирамидой (название «октаэдр» сохраняется для кубиче­ской дипирамиды, у которой все грани представлены равносторонними треугольниками).

Кристаллографические оси в кристаллах тетрагональной сингонии

Кристаллографические оси в кристаллах тетрагональной сингонии

Призма представляет собой распространенную открытую форму, а ее пространство обычно замы­кается посредством граней пирамид. Пирамида — простая форма, состоящая из граней, пересекающих­ся в одной точке. В тетрагональной сингонии крис­таллизуется циркон, он встречается (впрочем, не очень часто) в виде тетрагональных призм, увенчан­ных пирамидами.

К тетрагональной сингонии относится сравни­тельно небольшое количество важных минералов, но в следующей (по степени симметрии) ромбической сингонии кристаллизуется много хорошо известных представителей минерального царства (рис. 24). Обобщенную форму этой сингонии лучше всего пред­ставить себе в виде бруса; три кристаллографиче­ские оси, не равные между собой по длине, пересе­каются под прямым углом. Ромбическая дипирамида является возможной закрытой формой, но большин­ство минералов ромбической сингонии образуют со­четания из двух и более форм. К этой сингонии от­носятся такие минералы, как топаз, оливин, барит, антимонит и хризоберилл.

Кристаллографические оси в кристаллах ромбической сингонии

Кристаллографические оси в кристаллах ромбической сингонии

В моноклинной сингонии (рис. 25) кристалли­зуется больше минералов, чем в какой-либо другой. Все кристаллографические оси в этой сингонии не равны между собой, при этом одна из осей направ­лена под прямым углом к плоскости, где расположены две другие оси, угол между которыми не яв­ляется прямым. Обычные формы для данной сингонии — призма и пинакоид. В этой системе кристал­лизуются минералы двух важных групп — пироксенов и амфиболов. Пироксены характеризуются плос­костями спайности, пересекающимися под углом около 90°, в то время как в амфиболах этот угол со­ставляет 124°. Минералы группы слюд образуют плас­тинки, чешуйки, «слюдяные книжки». Для гипса ха­рактерны длиннопризматические или таблитчатые агрегаты.

Кристаллографические оси в кристаллах моноклинной сингонии

Кристаллографические оси в кристаллах моноклинной сингонии

Триклинная сингония (рис. 26) занимает послед­нее место среди систем низшей категории симметрии (ромбической, моноклинной и триклинной). Здесь все оси симметрии не равны между собой, прямые углы отсутствуют. Единственная форма — пинакоид [могут присутствовать также и моноэдры], кристаллы имеют пластинчатый или клиновидный облик. В этой сингонии кристаллизуются плагиоклазы, дистен, киа­нит и некоторые другие минералы.

Кристаллографические оси в кристаллах триклинной сингонии

Кристаллографические оси в кристаллах триклинной сингонии

В кристаллах гексагональной сингонии (рис. 27) имеются четыре кристаллографические оси; в удли­ненном правильном шестиграннике можно легко рас­познать вертикальную ось симметрии шестого порядка и три горизонтальные оси, одинаковые по дли­не и перпендикулярные к первой. Угол между гори­зонтальными осями составляет 120°. Важными пред­ставителями минералов гексагональной сингонии яв­ляются берилл, апатит, нефелин.

Кристаллографические оси в кристаллах гексагональной сингонии

Кристаллографические оси в кристаллах гексагональной сингонии

Тригональная подсингония (рис. 28) гексагональ­ной сингонии (которая некоторыми кристаллогра­фами выделяется в самостоятельную сингонию [в на­стоящее время тригональная сингония является об­щепризнанной]) характеризуется осью симметрии третьего, а не шестого порядка. Например, попереч­ное сечение кристалла турмалина, относящегося к данной сингонии, представляет собой треугольник с закругленными углами. В тригональной сингонии кристаллизуются также кварц, корунд, гематит, кальцит и другие минералы. Общими формами для гексагональной и тригональной сингонии являются призма, пирамида и пинакоид.

Кристаллографические оси в кристаллах тригональной сингонии

Кристаллографические оси в кристаллах тригональной сингонии