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 |
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 |
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 |
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.
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.
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:
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.