минералогия (1006435), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

Минералы, являясь кристаллическими телами по определению, относятся к веществу, находящемуся в конденсированном состоянии, более точно — к твердым телам. Лишь малая частьобъектов минералогии принадлежит к числу аморфных тел.Пределы устойчивости каждого агрегатного состояния находятсяв самых различных температурных интервалах в зависимости от природы вещества. При атмосферном давлении в условиях комнатной температуры большинство минералов находится в твердом состоянии и плавится при высоких температурах, тогда как ртуть, подобно воде, в этихусловиях существует в жидком виде и минералом считаться не может.Однако нетрудно представить себе природные условия, которые позволяют ртути, а тем более воде находиться в кристаллическом состоянии ибыть минералами.Абсолютное большинство минералов представлено кристаллическимивеществами, т.

е. веществами, обладающими кристаллической структурой.Каждое кристаллическое вещество имеет определенную температуру плавления, при которой изменение агрегатного состояния вещества происходит с поглощением тепла, что ясно сказывается на поведении кривых нагревания (рис. 5а). На некотором интервале времени сообщаемое системетепло расходуется на процесс плавления (кривая выполаживается).Кристаллизация охлаждаемого гомогенного жидкого вещества должна происходить при той же температуре, что и плавление твердого телатого же состава, но обычно она наступает при некотором переохлаждениижидкости, что всегда необходимо иметь в виду.Твердые химически однородные вещества, характеризующиеся беспорядочной структурой, т.

е. отсутствием закономерного расположения атомов, носят название аморфных (стеклообразных) тел. Они принадлежатРис. 5. Кривые нагревания кристаллического (а) и аморфного (б) веществГлава 2. Конституция и свойства минералов43к числу изотропных веществ, т. е. обладающих по всем направлениям одинаковыми физическими свойствами. Характерной особенностью аморфных веществ, в отличие от кристаллических, является также постепенныйпереход одного агрегатного состояния в другое по плавной кривой (рис.5б) подобно сургучу, который при нагревании постепенно становится гибким, затем вязким и, наконец, капельножидким.

Аморфные вещества, такие как стекла, можно считать переохлажденными жидкостями.Аморфные вещества часто получаются при затвердевании расплавленных вязких масс, особенно когда охлаждение расплава происходиточень быстро. Примером может служить образование лешательерита —аморфного кварцевого стекла — при ударе молнии в кварцевые кристаллические породы. Переход аморфных веществ в кристаллические массыможет произойти лишь при продолжительном выдерживании их в размягченном состоянии при температуре, близкой к точке плавления.О кристаллическом строении вещества. Кристаллическое состояниеопределяется наличием в конденсированном теле ближнего и дальнегопорядка в расположении атомов, что можно кратко выразить термином«решетчатое строение». Необходимо помнить, что ни кристалл, ни кристаллическая структура сами по себе не тождественны решетке, котораяявляется скорее геометрическим образом, описывающим параллельнопереносную (трансляционную) симметрию трехмернорегулярной атомнойпостройки.

Вероятно, наиболее корректным использованием понятия кристаллической решетки в отношении кристалла является образное выражение акад. Н. В. Белова: «Кристалл находится в состоянии решетки».Полная симметрия любой кристаллической структуры описываетсяодной из 230 пространственных (федоровских) групп симметрии, которые предопределяют одну из 32 групп симметрии (точечные группы, иливиды симметрии) естественных многогранников, которые могут образовываться при кристаллизации вещества с данной структурой.Надежными признаками кристаллического состояния веществ, кроме характера кривых плавления, являются анизотропия физическихсвойств кристаллических индивидов и дифракция рентгеновских лучей,которая может наблюдаться даже в отношении поликристаллическихмасс, в том числе и порошка.Напомним, что строение кристаллического вещества определяется:1) относительным числом структурных единиц (атомов, ионов, молекул),удерживаемых в пространстве в упорядоченном состоянии электростатическими силами; 2) соотношением размеров структурных единиц, с чем связаны плотность упаковки и координационное число (т.

е. число ближайшиханионов, окружающих данный катион); 3) их химическими связями, что также играет существенную роль в пространственном расположении атомов илиионов с образованием различных типов структур; 4) термодинамическимипараметрами (температура и давление), при которых вещество существует.44Общая частьСилы связей, которыми структурные единицы в кристаллах удерживаются в равновесии, в различных типах химических соединений неодинаковы по своей природе.

Для подавляющего большинства неорганическихкристаллических веществ типична ионная связь, характеризующаяся тем,что силы связи обусловлены электростатическим притяжением противоположно заряженных ионов (например, Na1+ и Сl1– в кристаллическойструктуре NaCl). Для многих кристаллических веществ устанавливаетсянаправленная ковалентная (гомополярная) связь, выражающаяся в том,что тесно сближенные атомы для образования устойчивых наружных электронных оболочек одну или несколько пар электронов используют совместно (например, в структуре алмаза каждый атом, прочно связанный с четырьмя окружающими атомами, образует четыре ковалентные связи).В кристаллических структурах металлов распространена металлическаясвязь, обусловленная тем, что «избыточные» в наружной электронной оболочке атомов электроны не теряются, а образуют общий «электронный газ»вокруг положительно заряженного остова структурных единиц.

В молекулярных структурах структурные единицы, представленные электрическинейтральными молекулами, удерживаются слабыми вандерваальсовскими(остаточными) связями (таковы многие органические соединения, а также самородная сера, окись сурьмы и др.). Кроме того, существуют кристаллические вещества, в которых одновременно устанавливаются разные типысвязей с преобладанием одной из них. Особенностями связи структурныхединиц обусловлены многие свойства минералов (оптические, механические, электропроводность, теплопроводность и др.).В ионных соединениях анионы как относительно крупные структурные единицы занимают главное пространство, а в кристаллических структурах и при плотной упаковке, естественно, стремятся к правильному расположению в пространстве по закону кубической (трехслойной) илигексагональной (двухслойной) плотнейших упаковок.

Катионы же ввиду их меньших размеров размещаются в промежутках между анионами —в тетраэдрических и октаэдрических «пустотах» в зависимости от ихотносительных размеров. Как известно, число октаэдрических пустот всредах с плотнейшей упаковкой равно числу анионов, а число меньшихпо размерам тетраэдрических пустот в два раза больше.

Однако не всеэти пустоты обязательно заполняются катионами, причем заполнение может происходить разными способами: рядами, слоями, кольцами, зигзагообразно и т. п. Тетраэдрической и октаэдрической формой пустот в значительной мере обусловлен тот факт, что координационными числамикатионов являются по большей части 4 и 6.Теория плотнейших упаковок для неорганических соединений подробно разработана Н. В. Беловым и весьма плодотворно применена к расшифровке сложных кристаллических структур многих минералов с выявлением важнейших структурных деталей, обусловливающих те илиГлава 2.

Конституция и свойства минералов45иные свойства кристаллических веществ. Однако следует иметь в виду,что в зависимости от размеров катионов существуют и менее плотныеупаковки (с «раздвинутыми» анионами) и такие, которые не могут бытьпричислены к плотнейшим (например, полевые шпаты).Кристаллизация вещества, как известно, является экзотермическимпроцессом, т. е.

совершается с выделением тепла. Энергии кристаллических веществ ионных соединений, не содержащих сильно поляризующихили поляризуемых ионов, как показал А. Ф. Капустинский, увеличиваются с увеличением числа структурных единиц (ионов) и их степенейокисления, а также и с уменьшением их размеров (радиусов ионов). Энергией кристаллического вещества обусловлены такие свойства, как растворимость, летучесть, температура плавления, до некоторой степени твердость и другие свойства, характеризующие устойчивость соединения.Полиморфизм и политипия. Полиморфизмом (от греч.

поли — много,морфэ — форма) называют способность данного кристаллического вещества при изменении внешних факторов (главным образом температуры)претерпевать одно или несколько видоизменений кристаллическойструктуры, а в связи с этим и изменений физических свойств. Такие превращения называются полиморфными переходами; они являются фазовыми переходами в твердом состоянии.Наиболее ярким примером в этом отношении является диморфизмприродного углерода, кристаллизующегося в зависимости от условийлибо в виде алмаза (кубическая сингония), либо в виде графита (гексагональная сингония), очень сильно отличающихся друг от друга по физическим свойствам несмотря на тождество состава.

При нагревании бездоступа кислорода кристаллическая структура алмаза при атмосферномдавлении перестраивается в более устойчивую (стабильную) в этих условиях структуру графита. Обратный переход графита в алмаз при атмосферном давлении не устанавливается. Для получения алмаза из графита необходимы давления не менее 25 Кбар. Переход алмаза в графитв поверхностных условиях энергетически обусловлен тем, что алмаз приатмосферном давлении не является устойчивой (то есть стабильной, энергетически выгодной) модификацией ни при каких температурах, однакопри умеренных температурах является метастабильным — сохраняетсякак бы в закаленном состоянии. Переход его в графит энергетически выгоден, но не может начаться при низких температурах по причине большой энергии активации, требующейся для разрушения связей в алмазе.Разогревание обеспечивает эту энергию и переход осуществляется.Для многих полиморфных переходов, требующих существеннойструктурной перестройки (переходы первого рода), часто наблюдается подобная задержка превращения; особенно это характерно для переходов, протекающих на фоне падения температуры.

Характеристики

Список файлов книги