Понятие о минералах как о кристаллических веществах

Горные породы, которые находятся на поверхности или вблизи нее, дают геологам основные сведения, необходимые для изучения геологического прошлого. Горные породы состоят из минералов или обломков более древних пород, в свою очередь также слагающихся минералами. Общим для минералов является их кристаллическая сущность.

I. Основной закон кристаллографии.

Рождение кристаллографии как науки связывают с именем Николая Стенона, который в 1669 году сформулировал закон постоянства углов: ╚Кристаллы различной формы одного и того же вещества (минерала) имеют неизменные углы между соответствующими гранями╩.

Поскольку независимо друг от друга еще двое ученых М. В. Ломоносов (1740) и французский минералог Жан - Б. Роме де Лиль открыли этот закон, то следует называть его законом Стенона - Ломоносова - Роме де Лиля.

2. Свойства природных кристаллических веществ.

Одно из основных свойств кристалла - однородность. Однородным должно считаться тело, в котором на конечных расстояниях от любой его точки найдутся другие, эквивалентные ей не только в физическом отношении, но и геометрическом; т. е. находятся в таком же окружении, как и исходные, поскольку размещением материальных частиц в кристаллическом пространстве ╚управляет╩ пространственная решетка, можно считать, что грань кристалла - это материализованная плоская узловая решетка, а ребро - материализованный узловой ряд. Как правило, хорошо развитые грани кристалла определяются узловыми сетками с наибольшей густотой расположения узлов. Точка, в которой сходятся три и более граней, называется вершиной кристалла.

Анизотропность - это способность кристалла проявлять различные свойства в разных направлениях. Поскольку различные направления в кристаллической структуре вещества, построенного по закону трехмерной периодичности, могут и иметь неодинаковые расстояния между атомами (узлами), а следовательно, и разные по силе химические связи, то и свойства по таким направлениям могут отличаться, а сами кристаллы будут анизотропны относительно этих свойств. Если свойство не изменяется в зависимости от направления, то вещество изотропно.

Способность самоограняться, т. е. при определенных условиях принимать естественную многогранную форму. В этом также проявляется его правильное внутреннее строение. Именно это свойство отличает кристаллическое вещество от аморфного. Иллюстрацией этому служит пример. Два выточенных из кварца и стекла шарика опускают в раствор кремнезема. В результате шарик кварца покроется гранями, а стеклянный останется круглым.

Симметрия - наиболее общая закономерность, связанная со строением и свойствами кристаллического вещества. Она является одним из обобщающих фундаментальных понятий физики и естествознания в целом. Е. С. Федоров (1901 г.) дал определение симметрии. ╚Симметрия есть свойство геометрических фигур повторять свои части, или, выражаясь точнее, свойство их в различных положениях приходить в совмещение с первоначальным положением╩. Таким образом, симметричным является такой объект, который может быть совмещен сам с собой определенными преобразованиями: поворотами или (и) отражениями ( см рисунок ).

Такие преобразования называются симметрическими операциями. (Подробнее об этом на лабораторных занятиях).

3. Кристаллогенезис.

В природе кристаллы образуются при различных геологических процессах из растворов, расплавов, паров, газов или твердой фазы.

Из водных растворов значительная часть минеральных видов обязана своим происхождением кристаллизации:

выпадение кристаллов солей в замкнутых водоемах при нормальной температуре и атмосферном давлении;

рост кристаллов на стенках трещин и полостей при гидротермальных процессах на больших глубинах в условиях давлений и температур;

образование отдельных кристаллов вторичных минералов в зонах окисления рудных месторождений.

Кристаллы многих минералов образуются из многокомпонентной огненно - жидкой магмы. При этом, если магматический очаг располагается на большой глубине и остывание магмы идет медленно, то она успевает хорошо раскристаллизоваться и кристаллы вырастают достаточно крупными и хорошо ограненными. Если остывание происходит быстро ( например, при вулканических извержениях, излияниях лавы на поверхность Земли), наблюдается практически мгновенная кристаллизация с образованием мельчайших кристалликов минералов и даже стеклоподобного вещества.

Кристаллы одних и тех же минералов могут образовываться в природе как из водных растворов, так и из магматического расплава. Например: оливин, кварц, слюды и другие.

Из газов и паров образуется незначительное количество минералов. Они имеют, главным образом, минералы вулканического происхождения. Например: сера самородная, нашатырь и др. Всем известны снежинки - результат кристаллизации из водных паров.

Кристаллы могут образовываться при перекристаллизации твердых веществ. Путем длительного нагревания (отжига) из мелкокристаллических агрегатов можно получить крупнокристаллические и даже монокристаллы. Например: перекристаллизация известняков - образуется крупнокристаллический агрегат мрамор (под действием высоких температур и давления).

4. Причины и условия образования минералов.

Материальные частицы (атомы, молекулы, ионы), слагающие газообразные и жидкие (расплавленные) вещества находятся в непрерывном движении. Время от времени они сталкиваются, образуя зародыши - микроскопические фрагменты будущей структуры. Большей частью эти зародыши распадаются. Однако, если они достигают критической величины, т. е. содержат такое количество частиц, при котором присоединение следующей частицы сделало бы разрастание зародыша энергетически более выгодным, чем его распад, то происходит посткристаллизация. Такая возможность для большинства веществ появляется либо с понижением температуры, в результате чего уменьшаются тепловые колебания, либо с повышением концентрации вещества в растворе или газе, что приводит к увеличению вероятности встречи частиц друг с другом, т. е. к возникновению зародышей. При этом кристаллизация происходит не во всем объеме, а лишь там, где возникнут зародыши.

Появлению зародышей способствует присутствие посторонних обломков кристаллов или пылинок, на поверхности которых собираются частицы, облегчая этим начало кристаллизации.

Причина кристаллизации газообразного и жидкого вещества заключается в том, что энергетически более выгодно такое состояние, при котором силы, действующие на частицы, окажутся уравновешенными, а это достигается лишь в случае упорядоченного расположения материальных частиц. И, казалось бы, растущий кристалл, стремясь к равновесному состоянию, должен был бы приобретать определенную, единственную для каждого вещества. Физически возможную идеальную равновесную форму, обусловленную лишь составом и структурой. На самом же деле кристаллы одного и того же минерала или соединения встречаются в самых разнообразных формах. Это объясняется тем, что на форму кристалла накладывают отпечаток различные изменяющиеся условия кристаллизации: температура, давление, химизм и динамика кристаллообразующей среды и т. д.