Свойства кристаллов, форма и сингония (кристаллографические системы)

Важным свойством кристалла является определенное соответствие между разными гранями - симметрия кристалла. Выделяются следующие элементы симметрии:

1. Плоскости симметрии: разделяют кристалл на две симметричные половины, такие плоскости также называют "зеркалами" симметрии.

2. Оси симметрии: прямые линии, проходящие через центр кристалла. Вращение кристалла вокруг этой оси повторяет форму исходного положения кристалла. Различают оси симметрии 3-го, 4-го и 6-го порядка, что соответствует числу таких позиций при вращении кристалла на 360 o .

3. Центр симметрии: грани кристалла, соответствующие параллельной грани, меняются местами при вращении на 180 o вокруг этого центра. Комбинация этих элементов симметрии и порядков дает 32 класса симметрии для всех кристаллов. Эти классы, в соответствии с их общими свойствами, можно объединить в семь сингонии (кристаллографических систем). По трехмерным осям координат можно определить и оценить позиции граней кристаллов.

Каждый минерал принадлежит к одному классу симметрии, поскольку имеет один тип кристаллической решетки, который его и характеризует. Напротив, минералы, имеющие одинаковый химический состав, могут образовывать кристаллы двух и более классов симметрии. Такое явление называется полиморфизмом. Есть не единичные примеры полиморфизма: алмаз и графит, кальцит и арагонит, пирит и марказит, кварц, тридимит и кристобалит; рутил, анатаз (он же октаэдрит) и брукит.

СИНГОНИИ (КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ) . Все формы кристаллов образуют 7 сингонии (кубическую, тетрагональную, гексагональную, тригональную, ромбическую, моноклинную, триклинную). Диагностическими признаками сингонии являются кристаллографические оси и углы, образуемые этими осями.

В триклинной сингонии присутствует минимальное число элементов симметрии. За ней в порядке усложнения следуют моноклинная, ромбическая, тетрагональная, тригональная, гексагональная и кубическая сингонии.

Кубическая сингония . Все три оси имеют равную длину и расположены перпендикулярно друг другу. Типичные формы кристаллов: куб, октаэдр, ромбододекаэдр, пентагондодекаэдр, тетрагон-триоктаэдр, гексаоктаэдр.

Тетрагональная сингония . Три оси расположены перпендикулярно друг другу, две оси имеют одинаковую длину, третья (главная ось) либо короче, либо длиннее. Типичные формы кристаллов - призмы, пирамиды, тетрагоны, трапецоэдры и бипирамиды.

Гексагональная сингония . Третья и четвертая оси расположены наклонно к плоскости, имеют равную длину и пересекаются под углом 120 o . Четвертая ось, отличающаяся от остальных по размеру, расположена перпендикулярно к другим. И оси и углы по расположению аналогичны предыдущей сингонии, но элементы симметрии весьма разнообразны. Типичные формы кристаллов - трехгранные призмы, пирамиды, ромбоэдры и скаленоэдры.

Ромбическая сингония . Характерны три оси, перпендикулярные друг другу. Типичные кристаллические формы - базальные пинакоиды, ромбические призмы, ромбические пирамиды и бипирамиды.

Моноклинная сингония . Три оси разной длины, вторая перпендикулярна другим, третья находится под острым углом к первой. Типичные формы кристаллов - пинакоиды, призмы с кососрезанными гранями.

Триклинная сингония . Все три оси имеют разную длину и пересекаются под острыми углами. Типичные формы - моноэдры и пинакоиды.

Форма и рост кристаллов . Кристаллы, принадлежащие к одному минеральному виду, имеют схожий внешний вид. Кристалл поэтому можно охарактеризовать как сочетание внешних параметров (граней, углов, осей). Но относительный размер этих параметров довольно разный. Следовательно, кристалл может менять свой облик (чтобы не сказать внешность) в зависимости от степени развития тех или иных форм. Например, пирамидальный облик, где все грани сходятся, столбчатый (в совершенной призме), таблитчатый, листоватый или глобулярный.

Два кристалла, имеющих то же сочетание внешних параметров, могут иметь разный вид. Сочетание это зависит от химического состава среды кристаллизации и других условий формирования, к которым относятся температура, давление, скорость кристаллизации вещества и т. д. В природе изредка встречаются правильные кристаллы, которые формировались в благоприятных условиях - это, например, гипс в глинистой среде или минералы на стенках жеоды. Грани таких кристаллов хорошо развиты. Наоборот, кристаллы, образовавшиеся в изменчивых или неблагоприятных условиях, часто бывают деформированы.

АГРЕГАТЫ . Часто встречаются кристаллы, которым не хватало пространства для роста. Эти кристаллы срастались с другими, образуя неправильные массы и агрегаты. В свободном пространстве среди горных пород кристаллы развивались совместно, образуя друзы, а в пустотах - жеоды. По своему строению такие агрегаты весьма разнообразны. В мелких трещинах известняков встречаются образования, напоминающие окаменевший папоротник. Их называют дендритами, сформировавшимися в результате образования оксидов и гидрооксидов марганца и железа под воздействием растворов, циркулировавших в этих трещинах. Следовательно, дендриты никогда не образуются одновременно с органическими остатками.

Двойники . При формировании кристаллов часто образуются двойники, когда два кристалла одного минерального вида срастаются друг с другом по определенным правилам. Двойники часто представляют собой индивидов, сросшихся под углом. Нередко проявляется псевдосимметрия - несколько кристаллов, относящихся к низшему классу симметрии, срастаются, образуя индивиды с псевдосимметрией более высокого порядка. Так, арагонит, относящийся к ромбической сингонии, часто образует двойниковые призмы с гексагональной псевдосимметрией. На поверхности таких срастаний наблюдается тонкая штриховка, образованная линиями двойникования.

ПОВЕРХНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ . Как уже сказано, плоские поверхности редко бывают гладкими. Довольно часто на них наблюдается штриховка, полосчатость или бороздчатость. Эти характерные признаки помогают при определении многих минералов - пирита, кварца, гипса, турмалина.

ПСЕВДОМОРФОЗЫ . Псевдоморфозы - это кристаллы, имеющие форму другого кристалла. Например, встречается лимонит в форме кристаллов пирита. Псевдоморфозы образуются при полном химическом замещении одного минерала другим с сохранением формы предыдущего.

Формы агрегатов кристаллов могут быть очень разнообразны. На фото - лучистый агрегат натролита.
Образец гипса со сдвойникованными кристаллами в виде креста.

Физические и химические свойства. Не только внешняя форма и симметрия кристалла определяются законами кристаллографии и расположением атомов - это относится и к физическим свойствам минерала, которые могут быть разными в различных направлениях. Например, слюда может разделяться на параллельные пластинки только в одном направлении, поэтому ее кристаллы анизотропны. Аморфные вещества одинаковы по всем направлениям, и поэтому изотропны. Такие качества также важны для диагностики этих минералов.

Плотность. Плотность (удельный вес) минералов представляет собой отношение их веса к весу такого же объема воды. Определение удельного веса является важным средством диагностики. Преобладают минералы с плотностью 2-4. Упрощенная оценка веса поможет при практической диагностике: легкие минералы имеют вес от 1 до 2, минералы средней плотности - от 2 до 4, тяжелые минералы от 4 до 6, очень тяжелые - более 6.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА . К ним относятся твердость, спайность, поверхность скола, вязкость. Эти свойства зависят от кристаллической структуры и используются с целью выбора методики диагностирования.

ТВЕРДОСТЬ . Довольно легко поцарапать кристалл кальцита кончиком ножа, но сделать это с кристаллом кварца вряд ли получится - лезвие скользнет по камню, не оставив царапины. Значит, твердость у этих двух минералов различная.

Твердостью по отношению к царапанью называют сопротивление кристалла попытке внешней деформации поверхности, другими словами, сопротивление механической деформации извне. Фридрих Моос (1773-1839) предложил относительную шкалу твердости из степеней, где каждый минерал имеет твердость к процарапыванию выше, чем предыдущий: 1. Тальк. 2. Гипс. 3. Кальцит. 4. Флюорит. 5. Апатит. 6. Полевой шпат. 7. Кварц. 8. Топаз. 9. Корунд. 10. Алмаз. Все эти значения применимы только к свежим, не подвергшимся выветриванию образцам.

Можно оценить твердость упрощенным способом. Минералы с твердостью 1 легко царапаются ногтем; при этом они жирные на ощупь. Поверхность минералов с твердостью 2 также царапается ногтем. Медная проволока или кусочек меди царапает минералы с твердостью 3. Кончик перочинного ножа царапает минералы до твердости 5; хороший новый напильник - кварц. Минералы с твердостью более 6 царапают стекло (твердость 5). От 6 до 8 не берет даже хороший напильник; при таких попытках летят искры. Чтобы определить твердость, испытывают образцы с возрастающей твердостью, пока они поддаются; затем берут образец, который, очевидно, еще тверже. Противоположным образом надо действовать, если необходимо определить твердость минерала, окруженного породой, твердость которой ниже, чем у минерала, нужного для образца.

Тальк и алмаз, два минерала, занимающие крайние позиции в шкале твердости Мооса.

Легко сделать вывод на основании того, скользит ли минерал по поверхности другого или царапает ее с легким скрипом. Могут наблюдаться следующие случаи:
1. Твердость одинакова, если образец и минерал взаимно не царапают друг друга.
2. Возможно, что оба минерала друг друга царапают, поскольку верхушки и выступы кристалла могут быть тверже, чем грани или плоскости спайности. Поэтому можно поцарапать грань кристалла гипса или плоскость его спайности вершиной другого кристалла гипса.
3. Минерал царапает первый образец, а на нем делает царапину образец более высокого класса твердости. Его твердость находится посредине между используемыми для сравнения образцами, и ее можно оценить в полкласса.

Несмотря на очевидную простоту такого определения твердости, многие факторы могут привести к ложному результату. Например, возьмем минерал, свойства которого сильно разнятся по разным направлениям, как у дистена (кианита): по вертикали твердость 4-4,5, и кончик ножа оставляет четкий след, но в перпендикулярном направлении твердость 6-7 и ножом минерал вообще не царапается. Происхождение названия этого минерала связано с этой особенностью и подчеркивает ее весьма выразительно. Поэтому необходимо проводить испытание твердости по разным направлениям.

Некоторые агрегаты имеют более высокую твердость, чем те компоненты (кристаллы или зерна), из которых они состоят; может оказаться, что плотный обломок гипса трудно поцарапать ногтем. Наоборот, некоторые пористые агрегаты менее твердые, что объясняется наличием пустот между гранулами. Поэтому мел царапается ногтем, хотя состоит из кристаллов кальцита с твердостью 3. Другой источник ошибок - минералы, испытавшие какие-то изменения. Оценить твердость порошкообразных, выветрелых образцов или агрегатов чешуйчатого и игольчатого строения простыми средствами невозможно. В таких случаях лучше использовать другие методы.

Спайность . Ударом молотка или нажатием ножа кристаллы по плоскостям спайности кристалл иногда можно разделить на пластинки. Спайность проявляется по плоскостям с минимальным сцеплением. Многие минералы обладают спайностью по нескольким направлениям: галит и галенит - параллельно граням куба; флюорит - по граням октаэдра, кальцит - ромбоэдра. Кристалл слюды-мусковита; хорошо видны плоскости спайности (на фото справа).

Такие минералы, как слюда и гипс, имеют совершенную спайность в одном направлении, а в других направлениях спайность несовершенная или вообще отсутствует. При тщательном наблюдении можно заметить внутри прозрачных кристаллов тончайшие плоскости спайности по хорошо выраженным кристаллографическим направлениям.

Поверхность излома . Многие минералы, например кварц и опал, не имеют спайности ни в одном направлении. Их основная масса раскалывается на неправильные куски. Поверхность скола можно описать как плоскую, неровную, раковистую, полураковистую, шероховатую. Металлы и крепкие минералы имеют шероховатую поверхность скола. Это свойство может служить диагностическим признаком.

Другие механические свойства . Некоторые минералы (пирит, кварц, опал) раскалываются на куски под ударом молотка - они являются хрупкими. Другие, наоборот, превращаются в порошок, не давая обломков.

Ковкие минералы можно расплющить, как, например, чистые самородные металлы. Они не образуют ни порошка, ни обломков. Тонкие пластинки слюды можно согнуть, как фанеру. После прекращения воздействия они вернутся в исходное состояние - это свойство эластичности. Другие, как гипс и пирит, можно согнуть, но они сохранят деформированное состояние - это свойство гибкости. Такие признаки позволяют распознавать сходные минералы - например, отличить эластичную слюду от гибкого хлорита.

Окраска . Некоторые минералы имеют настолько чистый и красивый цвет, что их используют как краски или лаки. Часто их названия применяют в обиходной речи: изумрудно-зеленый, рубиново-красный, бирюзовый, аметистовый и др. Окраска минералов, один из основных диагностических признаков, не является ни постоянной, ни вечной.

Есть ряд минералов, у которых окраска постоянная - малахит всегда зеленый, графит - черный, самородная сера - желтая. Такие распространенные минералы, как кварц (горный хрусталь), кальцит, галит (поваренная соль), бесцветны, когда в них нет примесей. Однако наличие последних вызывает окраску, и мы знаем голубую соль, желтый, розовый, фиолетовый и коричневый кварц. Флюорит обладает целой гаммой окрасок.

Присутствие элементов-примесей в химической формуле минерала приводит к весьма специфической окраске. На этой фотографии изображен зеленый кварц (празем), в чистом виде совершенно бесцветный и прозрачный.

Турмалин, апатит и берилл имеют различные цвета. Окраска не является несомненным диагностическим признаком минералов, обладающих различными оттенками. Цвет минерала зависит также от наличия элементов-примесей, входящих в кристаллическую решетку, а также различных пигментов, загрязнений, включений в кристалле-хозяине. Иногда он может быть связан с радиоактивным облучением. У некоторых минералов цвет меняется в зависимости от освещения. Так, александрит при дневном свете зеленый, а при искусственном освещении - фиолетовый.

У некоторых минералов изменяется интенсивность окраски при повороте граней кристалла относительно света. Цвет кристалла кордиерита при вращении меняется от голубого до желтого. Причина такого явления состоит в том, что подобные кристаллы, называемые плеохроичными, по-разному поглощают свет в зависимости от направления луча.

Цвет некоторых минералов может изменяться также при наличии пленки, имеющей другую окраску. Эти минералы в результате окисления покрываются налетом, который, возможно, как-то смягчает действие солнечного или искусственного света. Некоторые драгоценные камни теряют свою окраску, если в течение какого-то периода подвергаются солнечному освещению: изумруд теряет свой глубокий зеленый цвет, аметист и розовый кварц бледнеют.

Многие минералы, содержащие серебро (например, пираргирит и прустит), также чувствительны к солнечным лучам (инсоляции). Апатит под воздействием инсоляции покрывается черной вуалью. Коллекционерам следует предохранять такие минералы от воздействия света. Красный цвет реальгара на солнце переходит в золотисто-желтый. Подобные изменения окраски совершаются в природе очень медленно, но можно искусственно очень быстро изменить цвет минерала, ускорив процессы, происходящие в природе. Например, можно при нагревании получить желтый цитрин из фиолетового аметиста; алмазы, рубины и сапфиры искусственно "улучшают" с помощью радиоактивного облучения и ультрафиолетовых лучей. Горный хрусталь благодаря сильному облучению превращается в дымчатый кварц. Агат, если его серый цвет выглядит не слишком привлекательно, можно перекрасить, опустив в кипящий раствор обыкновенного анилинового красителя для тканей.

ЦВЕТ ПОРОШКА (ЧЕРТА) . Цвет черты определяется при трении о шероховатую поверхность неглазированного фарфора. При этом нужно не забывать, что фарфор имеет твердость 6-6,5 по шкале Мооса, и минералы с большей твердостью оставят только белый порошок растертого фарфора. Всегда можно получить порошок в ступке. Окрашенные минералы всегда дают более светлую черту, неокрашенные и белые - белую. Обычно белая или серая черта наблюдается у минералов, окрашенных искусственно, или с загрязнениями и пигментом. Часто она как бы затуманена, так как в разбавленной окраске ее интенсивность обуславливается концентрацией красящего вещества. Цвет черты минералов с металлическим блеском отличается от их собственного цвета. Желтый пирит дает зеленовато-черную черту; черный гематит - вишнево-красную, черный вольфрамит - коричневую, а касситерит - почти неокрашенную черту. Цветная черта позволяет быстрее и легче определить по ней минерал, чем черта разбавленного цвета или бесцветная.

БЛЕСК . Как и цвет, это эффективный метод определения минерала. Блеск зависит оттого, как свет отражается и преломляется на поверхности кристалла. Различают минералы с металлическим и неметаллическим блеском. Если их различить не удается, можно говорить о полуметаллическом блеске. Непрозрачные минералы металлов (пирит, галенит) обладают большой отражательной способностью и имеют металлический блеск. Для другой важной группы минералов (цинковая обманка, касситерит, рутил и др.) определить блеск затруднительно. Для минералов с неметаллическим блеском различают следующие категории в соответствии с интенсивностью и свойствами блеска:

1. Алмазный блеск, как у алмаза.
2. Стеклянный блеск.
3. Жирный блеск.
4. Тусклый блеск (у минералов с плохой отражательной способностью).

Блеск может быть связан со строением агрегата и направлением господствующей спайности. Минералы, имеющие тонкослоистое сложение, имеют перламутровый блеск.

ПРОЗРАЧНОСТЬ . Прозрачность минерала - качество, которое отличается большой изменчивостью: непрозрачный минерал можно легко отнести к прозрачным. Основная часть бесцветных кристаллов (горный хрусталь, галит, топаз) относятся к этой группе. Прозрачность зависит от строения минерала - некоторые агрегаты и мелкие зерна гипса и слюды кажутся непрозрачными или просвечивающими, в то время как кристаллы этих минералов прозрачны. Но если рассматривать с лупой маленькие гранулы и агрегаты, можно видеть, что они прозрачны.

ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ . Показатель преломления представляет собой важную оптическую константу минерала. Она измеряется с помощью специальной аппаратуры. Когда луч света проникает внутрь анизотропного кристалла, происходит преломление луча. Такое двойное лучепреломление создает впечатление, что существует виртуальный второй объект параллельно изучаемому кристаллу. Подобное явление можно наблюдать через прозрачный кристалл кальцита.

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ . Некоторые минералы, такие как шеелит и виллемит, облучаемые ультрафиолетовыми лучами, светятся специфическим светом, что в ряде случаев может некоторое время продолжаться. Флюорит при нагревании в темном месте светится - это явление называется термолюминесценция. При трении некоторых минералов возникает другой тип свечения - триболюминесценция. Эти разные типы люминесценции являются характеристикой, позволяющей легко диагностировать ряд минералов.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ . Если взять в руку кусок янтаря и кусок меди, покажется, что один из них теплее другого. Это впечатление обусловлено различной теплопроводностью данных минералов. Так можно различить стеклянные имитации драгоценных камней; для этого нужно приложить камушек к щеке, где кожа более чувствительна к теплу.

Следующие свойства можно определить по тому, какие ощущения они вызывают у человека. На ощупь графит и тальк кажутся гладкими, а гипс и каолин - сухими и шероховатыми. Растворимые в воде минералы, такие как галит, сильвинит, эпсомит, имеют специфический вкус - соленый, горький, кислый. Некоторые минералы (сера, арсенопирит и флюорит) обладают легко распознаваемым запахом, который возникает сразу при ударе по образцу.

МАГНЕТИЗМ . Фрагменты или порошок некоторых минералов, в основном имеющих повышенное содержание железа, можно отличить от других сходных минералов с помощью магнита. Магнетит и пирротин сильно магнитны и притягивают железные опилки. Некоторые минералы, например гематит, приобретают магнитные свойства, если их раскалить докрасна.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА . Определение минералов на основе их химических свойств требует, помимо специального оборудования, обширных знаний в области аналитической химии.

Есть один простой метод для определения карбонатов, доступный непрофессионалам - действие слабого раствора соляной кислоты (вместо нее можно брать обыкновенный столовый уксус - разбавленную уксусную кислоту, которая есть на кухне). Таким способом можно легко отличить бесцветный образец кальцита от белого гипса - нужно капнуть на образец кислоты. Гипс на это не реагирует, а кальцит "вскипает" при выделении углекислого газа.

Кристаллы веществ обладают уникальными физическими свойствами:
1. Анизотропия – зависимость физических свойств от направления, в котором эти свойства определяются. Особенность только монокристаллов.

Это объясняется тем, что кристаллы имеют кристаллическую решетку, форма которой обуславливает различную степень взаимодействия в разных направлениях.

Благодаря этому свойству:

А. Слюда расслаивается на пластинки только в одном направлении.

Б. Графит легко разрывается на слои, но один единственный слой невероятно прочен.

В. Гипс неодинаково проводит тепло по разным направлениям.

Г. Луч света, попадающий под различными углами на кристалл турмалина, окрашивает его в разные цвета.

Строго говоря, именно анизотропия обуславливает образование кристаллом формы, специфичной для данного вещества. Дело в том, что из-за строения кристаллической решетки рост кристалла происходит неравномерно - в одном месте быстрее, в другом гораздо медленнее. В результате кристалл и принимает форму. Без этого свойства кристаллы росли бы шарообразными или вообще совершенно любой формы.

Также этим и объясняется неправильная форма поликристаллов - они анизотропией не обладают, так как являются сростком кристаллов.

2. Изотропия – свойство поликристаллов, обратное анизотропии. Ей обладают только поликристаллы.

Так как объем монокристалликов значительно меньше объема всего поликристалла, то все направления в нем равноправны.

Например, металлы одинаково проводят тепло и электрический ток во всех направлениях, так как являются поликристаллами.

Не будь этого свойства, мы не смогли бы ничего построить. Большинство строительных материалов являются поликристаллами, поэтому какой стороной их не поверни, они выдержат все. Монокристаллы же могут быть сверхтвердыми при одном положении, и очень хрупкими в другом.

3.Полиморфизм – свойство одинаковых атомов (ионов, молекул) образовывать различные кристаллические решетки. За счет разных кристаллических решеток, такие кристаллы могут обладать совершенно разными свойствами.

Это свойство обуславливает образование некоторых аллотропных модификаций простых веществ, например углерода – это алмаз и графит.

Свойства алмаза:

· Высокая твердость.

· Не проводит электричество.

· Сгорает в струе кислорода.

Свойства графита:

· Мягкий минерал.

· Проводит электричество.

· Из него делают огнеупорную глину.

Теория решётчатого строения кристаллов была создана в середине 19 века французским кристаллографом О. Бравэ, а затем русский кристаллограф академик Е. С. Фёдоров и немецкий учёный А. Шенфлис завершили математическую разработку этой теории. При создании и разработке теории решетчатого строения кристаллов Бравэ, Фёдоров и др. кристаллографы основывались исключительно на некоторых важных свойствах кристаллического вещества.

Основными свойствами кристаллов являются их однородность, анизотропность, способность самоограняться и симметричность.

Однородным обычно называют тело, которое обнаруживает одинаковые свойства во всех своих частях. Кристаллическое тело однородно, т. к. различные участки его имеют одинаковое строение, т. е. одинаковую ориентировку слагающих частиц, принадлежащих одной и той же пространственной решётке. Однородность кристалла следует отличать от однородности жидкости или газа, которая имеет статистический характер.

Анизотропным называется такое однородное тело, которое обладает неодинаковыми свойствами по непараллельным направлениям. Кристаллическое тело анизотропно, т. к. строение пространственной решётки, а значит и самого кристалла, в общем случае неодинаково по непараллельным направлениям. По параллельным же направлениям частицы слагающие кристалл, как и узлы его пространственной решётки, расположены строго одинаковым образом, поэтому и свойства кристалла по таким направлениям должны быть одними и теми же.

Характерный пример резко выраженной анизотропности представляет слюда, кристаллы которой легко расщепляются лишь по одному определённому направлению. В качестве другого яркого примера анизотропности можно привести минерал дистен (AlOAl), у кристаллов которого боковые грани имеют сильно различающиеся значения твердости в продольном и поперечном направлениях. Если из кристалла каменной соли, имеющего форму куба, вырезать стерженьки по разным направлениям, то для разрыва этих стерженьков потребуются разные усилия. Стерженёк, перпендикулярный граням куба, разорвётся при усилии около 570 Г/мм 2 ; для стерженька, параллельного гранным диагоналям, разрывающее усилие составит 1150 Г/мм 2 , а разрыв стерженька, параллельного телесной диагонали куба, произойдет при усилии 2150 Г/мм 2 .

Приведенные примеры, конечно, исключительны по своей характерности. Однако точными исследованиями установлено, что абсолютно все кристаллы в том или ином отношении обладают анизотропностью.

Однородностью и в некоторой степени анизотропностью могут обладать также и аморфные тела. Но ни при каких условиях аморфные вещества не могут сами по себе принимать форму многогранников. Образовываться в виде плоскостных многогранников могут лишь кристаллические тела. В способности самоограняться , т. е. принимать многогранную форму, проявляется наиболее характерный внешний признак кристаллического вещества.

Правильная геометрическая форма кристаллов с давних пор привлекала внимание человека, и её загадочность вызывала в прошлом у людей различные суеверия. Кристаллы таких веществ, как алмаз, изумруд, рубин, сапфир, аметист, топаз, бирюза, гранат и др., ещё в 18 в. считались носителями сверхъестественных сил и использовались не только как драгоценные украшения, но и как талисманы или средство от многих болезней и укусов ядовитых змей.

На самом же деле способность самоограняться, как и первые два свойства, является следствием правильного внутреннего строения кристаллического вещества. Внешние границы кристаллов как бы отражают эту правильность их внутреннего строения, ибо каждый кристалл можно рассматривать как часть его пространственной решётки, ограниченной плоскостями (гранями).

Необходимо вместе с тем отметить, что способность кристаллического вещества самоограняться проявляется не всегда, а только при особо-благоприятных условиях, когда внешняя окружающая среда не мешает образованию и свободному росту кристаллов. При отсутствии таких условий получаются или совершенно неправильные или частично деформированные кристаллы. Несмотря на это они сохраняют все свои внутренние свойства, в том числе и причины, заставляющие кристаллы принимать форму многогранника. Поэтому, если кристаллическое зерно неправильной формы поместить в определённые условия, в которых кристалл сможет свободно расти, то оно примет через некоторое время форму плоскостного многогранника, присущую данному веществу.

Симметрия кристаллов также является отражением их закономерного внутреннего строения. Все кристаллы в той или иной степени симметричны, т. е. состоят из закономерно повторяющихся равных частей, так как их строение выражается пространственной решёткой, которая по своей природе всегда симметрична.

Открытие мюнхенским физиком М. Лауэ в 1912 г. явления дифракции рентгеновских лучей при их прохождении через кристалл явилось первым экспериментальным подтверждением правильности теории решетчатого строения кристаллического вещества. С этого момента стало возможным, с одной стороны, посредством кристаллов исследовать рентгеновские лучи, а с другой - с помощью рентгеновских лучей исследовать внутреннее строение кристаллов. Таким путём было доказано, что абсолютно все кристаллы состоят из частиц, расположенных друг относительно друга закономерно, наподобие узлов пространственной решётки.

После опытов Лауэ теория решетчатого строения кристаллов перестала быть только лишь умозрительным построением и приобрела форму закона.

Тема Симметрия твердых тел

1 Кристаллические и аморфные тела.

2 Элементы симметрии и их взаимодействия

3 Симметрия кристаллических многогранников и кристаллических решеток.

4 Принципы построения кристаллографических классов

Лабораторная работа № 2

Изучение структуры моделей кристаллов

Приборы и принадлежности: карточки с указанием химических элементов, имеющих кристаллическую структуру;

Цель работы: изучить кристаллические и аморфные тела, элементы симметрии кристаллических решеток, принципы построения кристаллографических классов, вычислить период кристаллической решетки для предложенных химических элементов.

Основные понятия по теме

Кристаллы – твердые тела, обладающие трехмерной периодической атомной структурой. При равновесных условиях образования имеют естественную форму правильных симметричных многогранников. Кристаллы – равновесное состояние твердых тел.

Каждому химическому веществу, находящемуся при данных термодинамических условиях (температура, давление) в кристаллическом состоянии, соответствует определенная атомно-кристаллическая структура.

Кристалл, выросший в неравновесных условиях и не имеющий правильной огранки или потерявший ее в результате обработки, сохраняет основной признак кристаллического состояния – решетчатую атомную структуру (кристаллическую решетку) и все определяемые ею свойства.

Кристаллические и аморфные твердые тела

Твердые тела чрезвычайно разнообразны по структуре своего строения, характеру сил связи частиц (атомов, ионов, молекул), физическим свойствам. Практическая потребность в тщательном изучении физических свойств твердых тел привела к тому, что примерно половина всех физиков на Земле занимается исследование твердых тел, созданием новых материалов с наперед заданными свойствами и разработкой их практического применения. Известно, что при переходе веществ из жидкого состояния в твердое возможны два различных вида затвердевания.

Кристаллизация вещества

В жидкости, охлажденной до определенной температуры, появляются кристаллики (области упорядоченно расположенных частиц) – центры кристаллизации, которые при дальнейшем отводе тепла от вещества растут за счет присоединения к ним частиц из жидкой фазы и охватывают весь объем вещества.

Затвердение вследствие быстрого повышения вязкости жидкости с понижением температуры.

Твердые тела, образующиеся при таком процессе затвердения, относятся к аморфным телам. Среди них различают вещества, у которых кристаллизация совсем не наблюдается (сургуч, воск, смола), и вещества, способные кристаллизоваться, например, стекло. Однако, вследствие того, что вязкость у них быстро растет с понижением температуры, затрудняется перемещение молекул, необходимое для формирования и роста кристаллов, и вещество успевает затвердеть до наступления кристаллизации. Такие вещества называются стеклообразными. Процесс кристаллизации этих веществ, протекает очень медленно в твердом состоянии, причем более легко, при высокой температуре. Известное явление "расстекловывания" или "затухания" стекла обусловлено образованием внутри стекла мелких кристалликов, на границах которых происходит отражение и рассеяние света, вследствие чего стекло становится непрозрачным. Похожая картина имеет место при "засахаривании" прозрачного сахарного леденца.

Аморфные тела можно рассматривать как жидкости с очень большим коэффициентом вязкости. Известно, что у аморфных тел можно наблюдать слабо выраженное свойство текучести. Если наполнить воронку кусками воска или сургуча, то через некоторое время, разное для различных температур, куски аморфного тела будут постепенно расплываться, принимая форму воронки и вытекать из нее в виде стержня. Даже у стекла обнаружено свойство текучести. Измерения толщины оконных стекол в старых зданиях показали, что за несколько веков стекло успело стечь сверху вниз. Толщина нижней части стекла оказалась немного большей верхней.

Строго говоря, твердыми телами следует назвать только кристаллические тела. Аморфные тела по некоторым свойствам, а главное по строению, аналогичны жидкостям: их можно рассматривать как сильно переохлажденные жидкости, имеющие очень большую вязкость.

Известно, что в отличие от дальнего порядка в кристаллах (упорядоченное расположение частиц сохраняется по всему объёму каждого кристаллического зерна), в жидкостях и аморфных телах наблюдается ближний порядок в расположении частиц. Это значит, что по отношению к любой частице, расположение ближайших соседних частиц является упорядоченным, хотя и выражено не так чётко, как в кристалле, но при ударении от данной частицы, расположение по отношению к ней других частиц, становится все менее упорядоченным и на расстоянии 3-х – 4 - х эффективных диаметров молекулы, порядок в расположении частиц полностью исчезает.

Сравнительные характеристики различных состояний вещества приведены в таблице 2.1.

Кристаллическая решетка

Для удобства описания правильной внутренней структуры твердых тел обычно пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки. Она представляет собой пространственную сетку, в узлах которой располагаются частицы – ионы, атомы, молекулы, образующие кристалл.

На рисунке 2.1 изображена пространственная кристаллическая решетка. Жирными линиями выделен наименьший параллелепипед, параллельным перемещением которого вдоль трех координатных осей, совпадающих с направлением ребер параллелепипеда, может быть построен весь кристалл. Этот параллелепипед называется основной или элементарной ячейкой решётки. Атомы расположены в данном случае в вершинах параллелепипеда.

Для однозначной характеристики элементарной ячейки задается 6 величин: три ребра a, b, c и три угла между ребрами параллелепипеда a, b, g. Эти величины называются параметрами решетки. Параметры a, b, c – это межатомные расстояния в кристаллической решётке. Их численные значения порядка 10 -10 м.

Простейшим типом решёток являются кубические с параметрами a=b=c и a = b = g= 90 0 .

Индексы Миллера

Для символического обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле используются так называемые индексы Миллера.

Индексы узлов

Положение любого узла в решётке относительно выбранного начала координат определяется тремя координатами X, Y, Z (рисунок 2.2).

Через параметры решетки эти координаты можно выразить следующим образом X= ma, Y= nb, Z= pc, где a, b, c – параметры решётки, m, n, p – целые числа.

Таким образом, если за единицу длин вдоль оси решетки взять не метр, а параметры решётки a, b, c (осевые единицы длины), то координатами узла будут числа m, n, p. Эти числа называются индексами узла и обозначаются .

Для узлов, лежащих в области отрицательных направлений координат, ставиться над соответствующим индексом знак минус. Например .

Индексы направления

Для задания направления в кристалле выбирается прямая, (рисунок 2.2) проходящая через начало координат. Её ориентация однозначно определяется индексом m n p первого узла, через который она проходит. Следовательно, индексы направления определяются тремя наименьшими целыми числами, характеризующими положение ближайшего от начала координат узла, лежащего на данном направлении. Индексы направления записывают следующим образом .

Рисунок 2.3 Основные направления в кубической решетке.

Семейство эквивалентных направлений обозначается ломаными скобками .

Например, семейство эквивалентных направлений включает направления

На рисунке 2.3 представлены основные направления в кубической решетке.

Индексы плоскости

Положение любой в пространстве определяется заданием трех отрезков ОА, ОВ, ОС (рисунок 2.4), которые она отсекает на осях выбранной системы координат. В осевых единицах длины отрезков будут: ; ; .

Три числа m n p вполне определяют положение плоскости S. Для получения Миллеровских индексов с этими числами нужно сделать некоторые преобразования.

Составим отношение обратных величин осевых отрезков и выразим его через отношение трех наименьших чисел h, k, l так, чтобы выполнялось равенство .

Числа h, k, l являются индексами плоскости. Для нахождения индексов плоскости отношение приводят к общему наименьшему знаменателю и знаменатель отбрасывают. Числители дробей и дают индексы плоскости. Поясним это на примере: m = 1, n = 2, p = 3. Тогда . Таким образом, для рассматриваемого случая h = 6, k = 3, l = 2. Миллеровские индексы плоскостей заключаются в круглые скобки (6 3 2). Отрезки m n p могут быть и дробными, но индексы Миллера и в этом случае выражаются целыми числами.

Пусть m =1, n = , p = , то .

При параллельной ориентации плоскости относительно какой-нибудь оси координат, индекс, соответствующий этой оси, равен нулю.

Если отрезок, отсекаемый на оси, имеет отрицательное значение, то соответствующий индекс плоскости тоже будет иметь отрицательный знак. Пусть h = - 6 , k = 3, l = 2, то такая плоскость в Миллеровских индексах плоскостей запишется .

Необходимо отметить, что индексы плоскости (h, k, l) задают ориентацию не какой-то конкретной плоскости, а семейства параллельных плоскостей, то есть, по существу, определяют кристаллографическую ориентацию плоскости.

На рисунке 2.5 изображены основные плоскости в кубической решетке.

Некоторые плоскости, отличающиеся по индексам Миллера, являются

эквивалентными в физическом и кристаллографическом смысле. В кубической решетке одним из примеров эквивалентности являются грани куба . Физическая эквивалентность состоит в том, что все эти плоскости обладают одинаковой структурой в расположении узлов решетки, а следовательно, и одинаковыми физическими свойствами. Кристаллографическая эквивалентность их в том, что эти плоскости совмещаются друг с другом при повороте вокруг одной из осей координат на угол, кратный .Семейство эквивалентных плоскостей задается фигурными скобками. Например символом обозначается все семейство граней куба.

Трехкомпонентная символика Миллера применяется для всех систем решеток, кроме гексагональной. В гексагональной решетке (рисунок 2.7 №8) узлы расположены в вершинах правильных шестигранных призм и в центрах их шестиугольных оснований. Ориентация плоскостей в кристаллах гексагональной системы описывается с помощью четырех осей координат х 1 , х 2 , х 3 , z, так называемыми индексами Миллера – Браве . Оси х 1 , х 2 , х 3 расходятся из начала координат под углом 120 0 . Ось z перпендикулярна к ним. Обозначение направлений по четырёхкомпонентной символике затруднительно и применяется редко, поэтому направления в гексагональной решётке задаются по трехкомпонентной символике Миллера.

Основные свойства кристаллов

Одним из основных свойств кристаллов является анизотропия. Под этим термином понимается изменение физических свойств в зависимости от направления в кристалле. Так кристалл может иметь для разных направлений различную прочность, твердость, теплопроводность, удельное сопротивление, показатель преломления и т.д. Анизотропия проявляется и в поверхностных свойствах кристаллов. Коэффициент поверхностного натяжения для разнородных граней кристалла имеет различную величину. При росте кристалла из расплава или раствора это является причиной различия скоростей роста разных граней. Анизотропия скоростей роста обуславливает правильную форму растущего кристалла. Анизотропия поверхностных свойств также имеет место в различии адсорбционной способности скоростей растворения, химической активности разных граней одного и того же кристалла. Анизотропия физических свойств является следствием упорядоченной структуры кристаллической решетки. В такой структуре плотность упаковки атомами плоскостей различна. Рисунок 2.6 поясняет сказанное.

Расположив плоскости в порядке убывания плотности заселения их атомами, получим следующий ряд: (0 1 0) (1 0 0) (1 1 0) (1 2 0) (3 2 0) . В наиболее плотно заполненных плоскостях атомы прочнее связаны друг с другом, так как расстояние между ними наименьшее. С другой стороны, наиболее плотно заполненные плоскости, будучи удаленными друг от друга на относительно большие расстояния, чем малозаселённые плоскости, будут слабее связаны друг с другом.

На основании изложенного можно сказать, что наш условный кристалл легче всего расколоть по плоскости (0 1 0), чем по другим плоскостям. В этом и проявляется анизотропия механической прочности. Другие физические свойства кристалла (тепловые, электрические, магнитные, оптические) также могут быть различными по разным направлениям. Важнейшим свойством кристаллов, кристаллических решёток и их элементарных ячеек является симметрия по отношению к определённым направлениям (осям) и плоскостям.

Симметрия кристаллов

Таблица 2.1

Кристаллическая система	Соотношение ребер элементарной ячейки	Соотношение углов в элементарной ячейке
Триклинная
Моноклинная
Ромбическая
Тетрагональная
Кубическая
Тригональная (робоэдрическая)
Гексагональная

В силу периодичности расположения частиц в кристалле он обладает симметрией. Это свойство заключается в том, что в результате некоторых мысленных операций система частиц кристалла совмещается сама с собой, переходит в положение не отличаемое от исходного. Каждой операции можно поставить в соответствие элемент симметрии. Для кристаллов существует четыре элемента симметрии. Это – ось симметрии, плоскость симметрии, центр симметрии и зеркально-поворотная ось симметрии.

В 1867 году русский кристаллограф А.В. Гадолин показал, что может существовать 32 возможные комбинации элементов симметрии. Каждая из таких возможных комбинаций элементов симметрии называется классом симметрии. Опытом было подтверждено, что в природе существуют кристаллы, относящиеся к одному из 32 классов симметрии. В кристаллографии указанные 32 класса симметрии в зависимости от соотношения параметров а, в, с, a, b, g объединяют в 7 систем(сингоний), которые носят следующие названия: Триклинная, моноклинная, ромбическая, тригональная, гексагональная, тетрагональная и кубическая системы. В таблице 2.1 приведены соотношения параметров для указанных систем.

Как показал французский кристаллограф Браве всего существует 14 типов решеток, принадлежащих различным кристаллическим системам.

Если узлы кристаллической решетки расположены только в вершинах параллелепипеда, представляющего собой элементарную ячейку, то такая решетка называется примитивной или простой (рисунок2.7№№ 1, 2, 4, 9, 10, 12), если, кроме того, имеются узлы в центре оснований параллелепипеда, то такая решетка называется базоцентрированной (рисунок2.7№№ 3, 5), если есть узел в месте пересечения пространственных диагоналей, то решетка называется объемоцентрированной (рисунок2.7№№ 6, 11, 13), а если имеются узлы в центре всех боковых граней – гранецентрированной (рисунок2.7 №№ 7, 14). Решетки, элементарные ячейки которых содержат дополнительные узлы внутри объема параллелепипеда или на его гранях, называются сложными.

Решетка Браве представляет собой совокупность одинаковых и одинаково расположенных частиц (атомов, ионов), которые могут быть совмещены друг с другом путем параллельного переноса. Не следует полагать, что одна решетка Браве может исчерпать собой все атомы (ионы) данного кристалла. Сложную структуру кристаллов можно представить как совокупность нескольких реше ток Браве, вдвинутых одна в другую. Например, кристаллическая решетка повареной соли NaCl (рисунок 2.8) состоит из двух кубических гранецентрированных решеток Браве, образованных ионами Na – и Cl + , смещенных относительно друг друга на половину ребра куба.

Вычисление периода решетки.

Зная химический состав кристалла и его пространственную структуру, можно вычислить период решетки этого кристалла. Задача сводиться к тому, чтобы установить число молекул (атомов, ионов) в элементарной ячейке, выразить ее объем через период решетки и, зная плотность кристалла, произвести соответствующий расчет. Важно отметить, что для многих типов кристаллической решетки большинство атомов принадлежит не одной элементарной ячейке, а входит одновременно в состав нескольких соседних элементарных ячеек.

Для примера определим период решетки хлористого натрия, решетка которого показана на рисунке 2.8.

Период решетки равен расстоянию между ближайшими одноименными ионами. Это соответствует ребру куба. Найдем число ионов натрия и хлора в элементарном кубе, объем которого равен d 3 , d – период решетки. По вершинам куба расположено 8 ионов натрия, но каждый из них является одновременно вершиной восьми смежных элементарных кубов, следовательно, данному объему принадлежит лишь часть иона, расположенного в вершине куба. Всего таких ионов натрия весемь, которые в совокупности составляют ион натрия. Шесть ионов натрия расположены в центрах граней куба, но каждый из них принадлежит рассматриваемому кубу только наполовину. В совокупности они составляют иона натрия. Таким образом, рассматриваемому элементарному кубу принадлежит четыре иона натрия.

Один ион хлора расположен на пересечении пространственных диагоналей куба. Он целиком принадлежит нашему элементарному кубу. Двенадцать ионов хлора размещены по серединам ребер куба. Каждый из них принадлежит объему d 3 на одну четверть, так как ребро куба одновременно является общим для четырех смежных элементарных ячеек. Таких ионов хлора рассматриваемому кубу принадлежит 12, которые в совокупности составляют иона хлора. Всего в элементарном объеме d 3 содержится 4 иона натрия и 4 иона хлора, то есть 4 молекулы хлористого натрия (n = 4).

Если 4 молекулы хлористого натрия занимают объем d 3 , то на один моль кристалла придется объем , где А – число Авогадро, n – число молекул в элементарной ячейке.

С другой стороны , где - масса моля, - плотность кристалла. Тогда откуда

(2.1)

При определении числа атомов в одной параллелепипедной элементарной ячейке (подсчет содержания) нужно руководствоваться правилом:

q если центр атомной сферы совпадает с одной из вершин элементарной ячейки, то от такого атома данной ячейке принадлежит , так как в любой вершине параллелепипеда одновременно сходятся восемь смежных параллелепипедов, к которым в равной мере относится вершинный атом (рисунок 2.9);

q от атома, расположенного на ребре ячейки принадлежит данной ячейке , так как ребро является общим для четырех параллелепипедов (рисунок 2.9);

q от атома, лежащего на грани ячейки, принадлежит данной ячейке , так как грань ячейки общая для двух параллелепипедов (рисунок 2.9);

q атом, расположенный внутри ячейки, принадлежит ей целиком (рисунок 2.9).

При использовании указанного правила форма параллелепипедной ячейки безразлична. Сформулированной правилом может быть распространено на ячейки любых систем.

Ход работы

У полученных моделей реальных кристаллов

1 Выделить элементарную ячейку.

2 Определить тип решетки Браве.

3 Произвести "подсчет содержания" для данных элементарных ячеек.

4 Определить период решетки.

Основные свойства кристаллов

Кристаллы вырастают многогранными, поскольку скорости их роста по различным направлениям различны. Если бы они были одинаковыми, то получилась бы единственная форма – шар.

Не только скорость роста, но и практически все их свойства различны по разным направлениям, т.е. кристаллам присуща анизотропия («ан» - не, «низос» - одинаковый, «тропос» - свойство), неравносвойственность по направлениям.

Например, кальцит при нагревании в продольном направлении растягивается (a=24,9·10 -6 о С -1), а в поперечном - сжимается (a=-5,6·10 -6 о С -1). В нем же есть направление, в котором тепловое расширение и сжатие компенсируют друг друга (направление нулевого расширения). Если вырезать пластинку, перпендикулярную этому направлению, то при нагревании толщина ее не будет изменяться, и она может быть использована для изготовления деталей в точном машиностроении.

У графита расширение вдоль вертикальной оси в 14 раз больше, чем в направлениях, поперечных к этой оси.

Особенно наглядна анизотропия механических свойств кристаллов. Кристаллы со слоистой структурой – слюда, графит, тальк, гипс – в направлении слоев совсем легко расщепляются на тонкие листочки, расколоть их в других направлениях несравненно труднее. Соль разбивается на мелкие кубики, испанский шпат - на ромбоэдры (явление спайности).

В кристаллах имеет место также анизотропия оптических свойств, теплопроводности, электропроводности, упругости и др.

В поликристалле , состоящем из ориентированных случайно многих монокристальных зерен, анизотропия свойств отсутствует.

Еще раз необходимо подчеркнуть, что аморфные вещества также изотропны .

В некоторых кристаллических веществах может проявляться и изотропность. Например, распространение света в кристаллах кубической сингонии происходит с одинаковой скоростью в разных направлениях. Можно сказать, что такие кристаллы оптически изотропны, хотя в этих кристаллах может наблюдаться анизотропия механических свойств.

Однородность – свойство физического тела быть одинаковыми во всем объеме. Однородность кристаллического вещества выражается в том, что любые участки кристалла одинаковой формы и одинаково ориентированные, характеризуются одними и теми же свойствами.

Способность самоограняться – способность кристалла в благоприятных условиях принимать многогранную форму. Описывается законом постоянства углов Стенона.

Плоскогранность и прямобедренность . Поверхность кристалла ограничена плоскостями или гранями, которые, пересекаясь, образуют прямые линии – ребра. Точки пересечения ребер образуют вершины.

Грани, ребра, вершины, а также двухгранные углы (прямые, тупые, острые) являются элементами внешнего ограничения кристаллов. Двухгранные углы (это две пересекающиеся плоскости), как указывалось выше, для данного типа вещества являются константой.

Формула Эйлера устанавливает взаимосвязь между элементами ограничения (только простые закрытые формы):

Г + В = Р + 2,

Г – количество граней,

В – количество вершин,

Р – количество ребер.

Например, для куба 6+8=12+2

Ребра кристаллов соответствуют рядам решетки, грани – плоским сеткам.

Симметрия кристаллов .

«Кристаллы блещут своей симметрией», - писал великий русский кристаллограф Е.С. Федоров.

Симметрия – закономерная повторяемость равных фигур или равных частей одной и той же фигуры. «Симметрия» - с греч. «соразмерность» соответственных точек в пространстве.

Если геометрический объект в трехмерном пространстве повернут, смещен или отражен и, при этом, он в точности совместился сам с собой (преобразовался в себя), т.е. остался инвариантен к приложенному к нему преобразованию, то объект является симметричным, а преобразование симметрическим.

При этом могут быть случаи совмещения:

1. Совмещение равных треугольников (или других фигур) происходит путем поворота их по часовой стрелке на 180 о и наложении одного на другой. Такие фигуры называются совместимо-равные. Пример – одинаковые перчатки (левые или правые).