Раздел I. Основы кристаллографии и минералогии

1. Понятие о кристалле, его важнейшие свойства

Кристаллография — наука о кристаллах: форма, структура, физ-хим свойства, происхождение. Разделы: морфология (геом. кристаллография), кристаллохимия (структурная), кристаллофизика, кристаллогенезис (рост).

Кристаллические вещества — твёрдые тела из ионов/атомов/молекул, геометрически правильно расположенных. Описываются пространственной (кристаллической) решёткой — бесконечным трёхмерным периодическим образованием (лат. reticulum — сеточка; ретикулярное строение):

Соответствие: сетки ↔︎ грани кристалла, ряды ↔︎ рёбра, пересечения рёбер ↔︎ вершины.

Кристалл — твёрдое, однородное по составу, анизотропное по свойствам вещество, способное самоограняться, образующееся в природе как многогранник.

Аморфные тела — частицы расположены беспорядочно (минералоиды, напр. опал).

4 основных свойства кристаллов (отличают от аморфных):

Свойство Суть
Однородность строения одинаковость свойств во всех частях (одинаковая ориентировка частиц одной решётки)
Анизотропность различие физ. свойств (теплопроводность, твёрдость, упругость) по непараллельным направлениям; по параллельным — одинаковы; изотропные тела — одинаковы во всех направлениях
Способность самоограняться принимать многогранную форму при свободном росте; только у кристаллических веществ
Симметричность закономерная повторяемость расположения частей; симметрия кристалла = симметрия решётки; совмещение поворотами/отражениями

2. Понятие об элементах симметрии, видах симметрии и сингониях

Симметричный объект — совмещается сам с собой поворотами и/или отражениями в зеркальной плоскости.

Элементы симметрии — вспомогательные геометрические образы (плоскости, прямые, точки) для обнаружения симметрии:

Формула (класс) симметрии — перечень всех элементов симметрии кристалла в виде символов.

32 вида симметрии — все возможные комбинации элементов (строгий математ. анализ).

Сингония (греч. «син» — сходно, «гон» — угол) — группа классов симметрии со сходственными элементами. Определяется обязательными элементами и наличием единичного направления (Е) — единственного, не повторяющегося операциями симметрии.

7 сингоний → 3 категории:

Категория Сингонии Признак
Низшая триклинная, моноклинная, ромбическая нет осей выше 2-го порядка
Средняя тригональная, тетрагональная, гексагональная одна ось высшего порядка (L3/L4/L6), совпадает с единственным Е
Высшая кубическая обязательно 4L3; единичных направлений нет, все направления симметрично-равные

3. Простые формы кристаллов и их комбинации

Простая форма — совокупность одинаковых по форме и размеру граней, связанных операциями симметрии. Комбинация — сочетание нескольких простых форм.

Низшие сингонии — 7 простых форм:

Открытые:

Закрытые:

Средняя категория — 25 простых форм:

Кубическая сингония — 15 форм, изучаются 5:

Форма Грани
Кубический тетраэдр 4 равных правильных треугольника
Куб (гексаэдр) 6 квадратов
Октаэдр 8 равносторонних треугольников
Ромбододекаэдр 12 равных ромбов
Пентагондодекаэдр 12 неправильных пятиугольников

4. Внутреннее строение кристаллов. Кристаллическая решётка и координационное число

Кристаллохимия — наука о связи закономерного атомного строения с физ/хим свойствами (рентгеноструктурный анализ).

Пространственная решётка — геометрический образ, управляющий расположением атомов/ионов/молекул.

Термины:

Элементарная ячейка (ячейка Браве) — минимальный представитель решётки; параметры: векторы a, b, c и углы α, β, γ; закономерности внутри ячейки распространяются на всю структуру.

Характеристика кристаллической структуры: координационное число (число ближайших соседей атома), координационный многогранник (геометрия расположения ближайших атомов), z — число формульных единиц на ячейку. Геометрия зависит от типа химических связей.

5. Типы кристаллических структур по характеру сочетания структурных единиц

Связи преимущественно электростатические: каждый ион координирует ионы противоположного знака; КЧ зависит от отношения радиусов R(кат⁺)/R(ан⁻): если ≈1 — плотнейшая упаковка: гексагональная (2-слойная) или кубическая (3-слойная).

5 структурных мотивов:

Мотив Строение Тип связей Примеры
Координационный атомы равномерно по всему пространству, без группировок; гомодесмический связь и расстояния одинаковы NaCl, алмаз, металлы
Островной конечные группировки: внутри — сильные связи (малые расстояния), между — слабые; гетеродесмический внутри — ковалентная (анионная группировка), между группировкой и катионом — ионная; группировки бывают валентно-насыщенные (сера), катионные, анионные карбонаты, силикаты, сульфаты
Цепочечный бесконечные вытянутые цепи (полимеризация ковалентно-связанных группировок), нейтральные или валентно-ненасыщенные между цепями — ван-дер-ваальсова, водородная или через катионы многие силикаты
Слоистый (ленточный) бесконечные пакеты прочно связанных атомов в одной плоскости внутри пакета — прочная; между слоями — остаточная (Ван-дер-ваальсова) или водородная графит (1 сорт атомов), гидрослюды (разные сорта)
Каркасный 3D-связь группировок через вершины, большие пустоты неравномерное распределение атомов, даже при нейтральном каркасе кварц

Плотнейшая упаковка: каждый атом окружён 6 соседями (ненаправленная ненасыщаемая связь). Разные размеры атомов: крупные (обычно анионы) образуют упаковку, мелкие (катионы) — в её тетраэдрических и октаэдрических пустотах.

Структура определяет: спайность, твёрдость, плотность, показатель преломления и др.

6. Типы кристаллических структур по характеру химических связей

Связи в кристаллах — электрические силы; тип определяет физ-хим свойства.

Связь Механизм Свойства минералов
Металлическая «электронный газ» — внешние электроны свободно движутся между атомами (элементы первых групп ПС и интерметаллиды) пластичность, ковкость, высокая тепло- и электропроводность, малая твёрдость, низкие точки плавления/кипения; ненаправленная
Ковалентная (гомеополярная) обобществление электронов на внешних орбиталях 2 соседних атомов → стабильная конфигурация благородного газа строго направленная, насыщаемая, очень прочная; нерастворимость, устойчивость, высокая твёрдость, высокие T плавления/кипения, полупроводниковые свойства
Ионная (гетерополярная) электростатич. взаимодействие катионов и анионов; электроны переходят от металла к аниону; энергия растёт с разницей электроотрицательности (NaCl — 180 ккал/моль) ненаправленная, ненасыщаемая; растворимость в полярных растворах (вода), диэлектрики, хрупкость, низкие тепло- и электропроводность, средние плотность и твёрдость, весьма высокие T плавления/кипения
Ван-дер-ваальсова (остаточная) малые остаточные заряды на поверхности нейтральных молекул от мгновенных дипольных моментов «ядро–электрон» (дисперсионный эффект); также ориентационный и индукционный эффекты одна из самых слабых; как добавочная — зоны хорошей спайности и низкой твёрдости (графит)
Водородная (часто выделяют отдельно) коллективное использование протона двумя атомами (напр., O воды и O стенок каркаса) слабее ионной/ковалентной, сильнее ван-дер-ваальсовой

Классификация по типам связей:

7. Определение понятия «минерал», содержание и задачи минералогии

Минерал — однородное по строению неорганическое кристаллическое вещество, образовавшееся в результате природных физ-хим процессов.

Минералогия изучает: состав, структуру, свойства минералов, условия образования в природе, закономерности распространения.

Практическое значение: все полезные ископаемые, включая агрохимическое сырьё, состоят из минералов. Минералообразование важно для почв: их состав определяется алюминиевыми гидросиликатами (продукты гидролиза породообразующих силикатов в разных климатических обстановках).

Важнейшие характеристики минералов — состав, структура, физические свойства.