Задание 1. Изучение условий образования кристаллического вещества, элементов ограничения и симметрии кристаллов

Н.Н. Поликарпова

Лабораторный практикум

по курсу

«Геология и разведка месторождений полезных ископаемых»

Часть I. «Основы геологии»

Минск 2012

УДК 551.

Поликарпова Н.Н.

Раздел 1. МИНЕРАЛЫ

Вся земная кора, все горные породы и месторождения полезных ископаемых состоят из минералов. Минералы – природные химические соединения или самородные элементы, возникающие в результате разнообразных физико-химических и термодинамических процессов, происходящих в земной коре и на ее поверхности. Минералы встречаются в твердом (кварц, полевой шпат, магнетит), жидком (нефть, ртуть, вода) и газообразном (горючие газы, углекислый газ, сероводород) состояниях.

К минералам относят также природные химически и структурно однородные образования, являющиеся составными частями других космических тел – Луны, планет, метеоритов. Так, можно говорить о минеральном составе лунных горных пород, минеральном составе каменных метеоритов и т.д. При этом интересно отметить, что некоторые минералы, известные в метеоритах, не известны на Земле (например, сульфид кальция – ольдгамит CaS или фосфид железа, никеля и кобальта – шрейберзит (Fe, Ni, Co) 3 P).

Различные синтетические продукты, близкие по свойствам, составу и структуре к минералам, называются искусственными минералами. К ним относятся, например, полученные в лабораторных условиях искусственные кварц, корунд, слюда и др.

Размеры минеральных индивидов могут быть от больших, масса которых несколько тонн (полевой шпат, кварц), до мельчайших зёрнышек, видимых только в микроскоп. Большинство минералов встречаются именно в виде мелких и мельчайших зёрнышек, образуя зернистую структуру магматических, осадочных и метаморфических пород.

Твердые минералы в большинстве случаев являются кристалли­ческими веществами, имеющими форму более или менее выраженных многогранников, зерен или сплошных масс. Кристаллические структуры очень разнообразны и выражается это многообразие во внешнем облике кристаллов, их форме. Кроме явно кристаллических веществ в земной коре широко распространены скрытокристаллические, к числу которых относятся коллоиды. Примером их являются: лимонит, опал (в виде гелей); железистые воды (в виде золей). Реже встречаются аморф­ные минералы, образующие бесформенные массы. Аморфные (стеклообразные) вещества подобны жидкостям или расплавам.

Образование кристаллов происходит при переходе вещества из любого агрегатного состояния в твёрдое. При этом частицы могут оказаться относительно друг друга в беспорядочном положении или может возникнуть закономерность их расположения. В первом случае образуется аморфное вещество, а во втором кристаллическое.
Кристаллы могут образовываться при переходах вещества из газообразного состояния в твёрдое, из жидкого в твёрдое, из твёрдого в твёрдое. Образование кристаллов серы, нашатыря, борной кислоты и др. происходит при охлаждении газов в кратерах вулканов и фумаролах. Особенно широко распространено в природе и технике образование кристаллов при переходе вещества из жидкого состояния в твёрдое. Здесь различается два способа образования кристаллов: из расплава и из раствора. Примером первого является кристаллизация магмы. Магма – это огненно-жидкий силикатный расплав, содержащий различные химические соединения, в том числе и газы. При медленном остывании магмы образуется множество центров кристаллизации, кристаллы растут, мешая друг другу, и в результате образуется кристаллическая зернистая порода. Примером образования кристаллов из растворов служит выпадение различных солей в осадок. При переходе из одного твёрдого состояния в другое твёрдое следует отметить два случая. В первом кристаллы могут образовываться из аморфного вещества. Так, с течением времени закристаллизовываются стёкла и содержащие стёкла вулканические породы. Другой случай – перекристаллизация: структура одних веществ разрушается, и образуются новые кристаллы с иной структурой. Все метаморфические породы являются в той или иной степени перекристаллизованными. Например, под влиянием температуры, давления и других факторов известняк переходит в мрамор. Явление перекристаллизации широко распространено в природе.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1

ОСНОВЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ КРИСТАЛЛОГРАФИИ

Задание 1. Изучение условий образования кристаллического вещества, элементов ограничения и симметрии кристаллов.

Характерным свойством большинства кристаллических минералов является свойство самоогранения при их росте, т.е. способность образовывать кристаллы. Изучением кристаллической формы и структур минералов зани­мается кристаллография.

Опыт показывает, что если поместить обломок или пластинку из кристалла в раствор или расплав того же вещества и дать им возможность свободно расти, то опять вырастет кристалл в форме правильного, симметричного многогранника. Поскольку в структуре кристалла в разных направлениях различны расстояния и силы связи между частицами, большинство свойств кристалла анизотропно. Анизотропия кристаллов проявляется в различии физических свойств кристаллов в разных направлениях. Например, слюда легко расщепляется на параллельные листочки, но только вдоль плоскостей с одной определенной ориентацией, а вдоль других плоскостей расщепить ее не удается. Анизотропной является и скорость роста кристалла. Если бы скорость роста была изотропной, кристалл вырастал бы в форме шара. Именно вследствие того, что скорости роста кристалла различны в разных направлениях и эти различия симметричны в пространстве, кристалл вырастает в форме симметричных правильных многогранников. Внешняя форма кристалла отражает анизотропию и симметрию его скоростей роста. Когда кристалл растет, частицы выстраиваются в закономерные и симметричные ряды, сетки, решетки. Грани кристаллических многогранников соответствуют плоскостям, составленным из материальных частиц, ребра кристалла – линиям пересечения этих плоскостей, т. е. рядам материальных частиц. Центры масс частиц могут образовать плоские сетки и ряды решетки. Очевидно, любой ряд в структуре соответствует возможному ребру кристалла, а любая плоскость – возможной грани кристалла. Кристалл растет так, что частицы вещества из окружающей среды отлагаются на его гранях. Грани нарастают параллельно себе (рис.1).

Рис. 1. Схема параллельного нарастания граней кристалла

(стрелками изображены нормали к граням)

В кристаллическом многограннике симметричные структуры решеток являются естественными трехмерными дифракционными решетками для рентгеновских лучей. Структуру кристаллов исследуют по дифракции рентгеновских лучей, дифракции электронов, нейтронов, с помощью электронного микроскопа, ионного проектора и другими методами.