Модельные представления о строении жидкостей, газов и кристаллов

                                 

    А) Б)

                                       

    В) Г)

Рис. 1.2. Основные типы кристаллических  решеток металлов:

А) кубическая (1 атом на ячейку)

Б) объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (2 атома  на ячейку) 

В) гранецентрированная    кубическая (ГЦК) (4 атома на ячейку) 

Г) гексагональная плотноупакованная (ГП) (6 атомов на ячейку)

   Металлы имеют  относительно сложные  типы кубических  решеток - объемно  центрированная (ОЦК)  и гранецентрированная  (ГЦК) кубические  решетки.  Основу  ОЦК-решетки составляет  элементарная кубическая  ячейка (рис. 1.2,б), в  которой положительно  заряженные ионы  металла находятся  в вершинах куба, и еще один атом  в центре его  объема, т. е. на  пересечении его  диагоналей. Такой  тип решетки в  определенных диапазонах  температур имеют  железо, хром, ванадий,  вольфрам, молибден  и др. металлы.  У ГЦК-решетки  (рис. 1.2, в) элементарной  ячейкой служит  куб с центрированными  гранями. Подобную  решетку имеют  железо, алюминий, медь, никель, свинец и др. металлы.   Третьей распространенной разновидностью плотноупакованных решеток является гексагональная плотноупакованная (ГПУ, рис. 1.2, г). ГПУ-ячейка состоит из отстоящих друг от друга на параметр с параллельных центрированных гексагональных оснований. Три иона (атома) находятся на средней плоскости между основаниями.  У гексагональных решеток отношение параметра с/а всегда больше единицы. Такую решетку имеют магний, цинк, кадмий, бериллий, титан и др.

  Компактность кристаллической  решетки или степень  заполненности ее  объема атомами  является важной  характеристикой.  Она определяется  такими показателями  как параметр решетки,  число атомов в  каждой элементарной  ячейке, координационное  число и плотность  упаковки.

  Параметр решетки  - это расстояние  между атомами  по ребру элементарной  ячейки. Параметры  решетки измеряется  в нанометрах (1 нм = 10-9 м = 10 Å). Параметры кубических решеток характеризуются длиной ребра куба и обозначаются буквой а.

  Для характеристики  гексагональной решетки  принимают два  параметра - сторону  шестигранника а  и высоту призмы  с. Когда отношение  с/а = 1,633, то атомы  упакованы наиболее  плотно, и решетка  называется гексагональной  плотноупакованной  (рис. 1.2 г). Некоторые  металлы имеют  гексагональную решетку  с менее плотной  упаковкой атомов (с/а > 1,633). Например, для цинка с/а = 1,86, для кадмия с/а = 1,88. Параметры а кубических решеток металлов находятся в пределах от 0,286 до 0,607 нм. Для металлов с гексагональной решеткой а лежит в пределах 0,228-0,398 нм, а с в пределах 0,357- 0,652 нм.   Параметры кристаллических решеток металлов могут быть измерены с помощью рентгеноструктурного анализа.  При подсчете числа атомов в каждой элементарной ячейке следует иметь в виду, что каждый атом входит одновременно в несколько ячеек. Например, для ГЦК-решетки, каждый атом, находящийся в вершине куба, принадлежит 8 ячейкам, а атом, центрирующий грань, двум. И лишь атом, находящийся в центре куба, полностью принадлежит данной ячейке. Таким образом, ОЦК- и ГЦК-ячейки содержат соответственно 2 и 4 атома. Под координационным числом понимается количество ближайших соседей данного атома.

   В ОЦК решетке  (рис. 1.3, а) атом А (в центре) находится на наиболее близком равном расстоянии от восьми атомов, расположенных в вершинах куба, т. е. координационное число этой решетки равно 8 (К8).

  В ГЦК решетке  (рис. 1.3, б) атом А (на грани куба) находится на наиболее близком равном расстоянии от четырех атомов /, 2, 3, 4, расположенных в вершинах куба, от четырех атомов 5, 6, 7, 8, расположенных на гранях куба, и, кроме того, от четырех атомов 9, 10, 11, 12, принадлежащих расположенной рядом кристаллической ячейке. Атомы 9, 10, 11, 12 симметричны атомам 5, 6, 7, 8. Таким образом, ГЦК решетки координационное число равно 12 (К12).

Рис. 1.3. Координационное  число в различных  кристаллических  решетках для атома А:

а) - объёмно-центрированная  кубическая (К8); б) - гранецентрированная  кубическая (К12); в) - гексагональная плотноупакованная (Г12).

  В ГПУ решетке  при с/а = 1,633 (рис. 1.3, в) атом А в центре шестигранного основания призмы находится на наиболее близком равном расстоянии от шести атомов /, 2, 3, 4, 5, 6, размещенных в вершинах шестигранника, и от трех атомов 7, 8, 9, расположенных в средней плоскости призмы. Кроме того, атом А оказывается на таком же расстоянии еще от трех атомов 10, 11, 12, принадлежащих кристаллической ячейке, лежащей ниже основания. Атомы 10, 11, 12 симметричны атомам 7, 8, 9. Следовательно, для ГПУ решетки координационное число равно 12 (Г12).

   Плотность упаковки  представляет собой  отношение суммарного  объема, занимаемого  собственно атомами  в кристаллической  решетке, к ее  полному объему. Различные  типы кристаллических  решеток имеют  разную плотность  упаковки атомов. В ГЦК решетке  атомы занимают 74 % всего объема кристаллической  решетки, а межатомные  промежутки («поры») 26 %. В ОЦК решетке  атомы занимают 68 % всего объема, а  «поры» 32 %. Компактность  решетки зависит  от особенностей  электронной структуры  металлов и характера  связи между их  атомами. От типа  кристаллической  решетки сильно  зависят свойства  металла. 

3.3. Свойства кристаллов, форма и сингония

Важным  свойством кристалла  является определенное соответствие между  разными гранями - симметрия кристалла. Выделяются следующие  элементы симметрии:

   1. Плоскости симметрии:  разделяют кристалл  на две симметричные  половины, такие плоскости  также называют "зеркалами"  симметрии. 

     2. Оси симметрии:  прямые линии,  проходящие через  центр кристалла.  Вращение кристалла  вокруг этой оси  повторяет форму  исходного положения  кристалла. Различают  оси симметрии  3-го, 4-го и 6-го  порядка, что соответствует  числу таких позиций  при вращении кристалла  на 360o.

     3. Центр симметрии:  грани кристалла,  соответствующие  параллельной грани,  меняются местами  при вращении на 180o вокруг этого центра. Комбинация этих  элементов симметрии  и порядков дает 32 класса симметрии  для всех кристаллов. Эти классы, в соответствии  с их общими  свойствами, можно  объединить в семь  сингонии (кристаллографических  систем). По трехмерным  осям координат  можно определить  и оценить позиции  граней кристаллов.  Каждый минерал  принадлежит к  одному классу  симметрии, поскольку  имеет один тип  кристаллической  решетки, который  его и характеризует.  Напротив, минералы, имеющие одинаковый  химический состав, могут образовывать  кристаллы двух  и более классов  симметрии. Такое  явление называется  полиморфизмом. Есть  не единичные примеры  полиморфизма: алмаз  и графит, кальцит  и арагонит, пирит  и марказит, кварц,  тридимит и кристобалит;  рутил, анатаз (он  же октаэдрит)  и брукит.

  СИНГОНИИ (КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ  СИСТЕМЫ). Все формы  кристаллов образуют 7 сингонии (кубическую, тетрагональную, гексагональную, тригональную, ромбическую,  моноклинную, триклинную). Диагностическими  признаками сингонии  являются кристаллографические  оси и углы, образуемые  этими осями.

   В триклинной сингонии  присутствует минимальное  число элементов  симметрии. За  ней в порядке  усложнения следуют  моноклинная, ромбическая, тетрагональная, тригональная, гексагональная и кубическая сингонии.

    Кубическая сингония. Все три оси  имеют равную длину  и расположены  перпендикулярно  друг другу. Типичные  формы кристаллов: куб, октаэдр, ромбододекаэдр, пентагондодекаэдр,  тетрагон-триоктаэдр, гексаоктаэдр.

   Тетрагональная сингония. Три оси расположены  перпендикулярно  друг другу, две  оси имеют одинаковую  длину, третья (главная  ось) либо короче, либо длиннее.  Типичные формы  кристаллов - призмы, пирамиды, тетрагоны,  трапецоэдры и  бипирамиды.

   Гексагональная сингония. Третья и четвертая  оси расположены  наклонно к плоскости,  имеют равную длину  и пересекаются  под углом 120o. Четвертая  ось, отличающаяся  от остальных по  размеру, расположена  перпендикулярно  к другим. И оси  и углы по расположению  аналогичны предыдущей  сингонии, но элементы  симметрии весьма  разнообразны. 

Типичные  формы кристаллов - трехгранные призмы, пирамиды, ромбоэдры  и скаленоэдры.

   Ромбическая сингония. Характерны три  оси, перпендикулярные  друг другу. Типичные  кристаллические  формы - базальные  пинакоиды, ромбические  призмы, ромбические  пирамиды и бипирамиды.

   Моноклинная сингония. Три оси разной  длины, вторая  перпендикулярна  другим, третья находится  под острым углом  к первой. Типичные  формы кристаллов - пинакоиды, призмы  с кососрезанными  гранями. 

   Триклинная сингония. Все три оси  имеют разную длину  и пересекаются  под острыми углами. Типичные формы  - моноэдры и пинакоиды.

 

   Форма и рост  кристаллов. Кристаллы,  принадлежащие к  одному минеральному  виду, имеют схожий  внешний вид. Кристалл  поэтому можно  охарактеризовать  как сочетание  внешних параметров (граней, углов, осей). Но  относительный размер  этих параметров  довольно разный. Следовательно, кристалл  может менять свой  облик (чтобы не  сказать внешность)  в зависимости  от степени развития  тех или иных  форм. Например, пирамидальный  облик, где все  грани сходятся, столбчатый (в  совершенной призме), таблитчатый, листоватый  или глобулярный. 

   Два кристалла,  имеющих то же  сочетание внешних  параметров, могут  иметь разный вид.  Сочетание это  зависит от химического  состава среды  кристаллизации и  других условий  формирования, к которым  относятся температура,  давление, скорость  кристаллизации вещества  и т. д. В природе  изредка встречаются  правильные кристаллы,  которые формировались  в благоприятных  условиях - это, например, гипс в глинистой среде или минералы на стенках жеоды. Грани таких кристаллов хорошо развиты. Наоборот, кристаллы, образовавшиеся в изменчивых или неблагоприятных условиях, часто бывают деформированы.

   АГРЕГАТЫ. Часто встречаются  кристаллы, которым  не хватало пространства  для роста. Эти  кристаллы срастались  с другими, образуя  неправильные массы  и агрегаты. В свободном  пространстве среди  горных пород кристаллы  развивались совместно,  образуя друзы,  а в пустотах - жеоды. По своему  строению такие  агрегаты весьма  разнообразны. В мелких  трещинах известняков  встречаются образования,  напоминающие окаменевший  папоротник. Их называют  дендритами, сформировавшимися  в результате образования  оксидов и гидрооксидов  марганца и железа  под воздействием  растворов, циркулировавших  в этих трещинах. Следовательно, дендриты  никогда не образуются  одновременно с  органическими остатками. 

   Двойники. При формировании  кристаллов часто  образуются двойники, когда два кристалла  одного минерального  вида срастаются  друг с другом  по определенным  правилам. Двойники  часто представляют  собой индивидов,  сросшихся под  углом. Нередко  проявляется псевдосимметрия  - несколько кристаллов, относящихся к  низшему классу  симметрии, срастаются, образуя индивиды  с псевдосимметрией  более высокого  порядка. Так, арагонит, относящийся к  ромбической сингонии, часто образует  двойниковые призмы  с гексагональной псевдосимметрией. На поверхности таких срастаний наблюдается тонкая штриховка, образованная линиями двойникования.  

   ПОВЕРХНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ. Как уже сказано,  плоские поверхности  редко бывают гладкими. Довольно часто  на них наблюдается  штриховка, полосчатость  или бороздчатость.  Эти характерные  признаки помогают  при определении  многих минералов  - пирита, кварца, гипса,  турмалина.  

   ПСЕВДОМОРФОЗЫ. Псевдоморфозы  - это кристаллы,  имеющие форму  другого кристалла.  Например, встречается  лимонит в форме  кристаллов пирита. Псевдоморфозы образуются  при полном химическом  замещении одного  минерала другим  с сохранением  формы предыдущего. 

Формы агрегатов кристаллов могут быть очень  разнообразны. На фото - лучистый агрегат  натролита. Образец  гипса со сдвойникованными кристаллами в  виде креста.

     Физические и химические  свойства. Не только  внешняя форма  и симметрия кристалла  определяются законами  кристаллографии  и расположением  атомов - это относится  и к физическим  свойствам минерала, которые могут  быть разными в  различных направлениях. Например, слюда может  разделяться на  параллельные пластинки  только в одном  направлении, поэтому  ее кристаллы анизотропны.  Аморфные вещества одинаковы по всем направлениям, и поэтому изотропны. Такие качества также важны для диагностики этих минералов.

     Плотность. Плотность  (удельный вес)  минералов представляет  собой отношение  их веса к весу  такого же объема  воды. Определение  удельного веса  является важным  средством диагностики.  Преобладают минералы  с плотностью 2-4. Упрощенная  оценка веса поможет  при практической  диагностике: легкие  минералы имеют  вес от 1 до 2, минералы  средней плотности  - от 2 до 4, тяжелые  минералы от 4 до 6, очень тяжелые - более 6.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

В данной работе были хорошо изучены различные  состояния вещества. Подведем итоги:

•       Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой.
•     Движение молекул в газах имеет беспорядочный характер: скорости молекул не имеют какого-либо преимущественного направления, а распределены хаотически по всем направлениям. Вследствие столкновений молекул между собой скорости их все время меняются как по направлению, так и по модулю.
• Кристаллы - твердые тела, обладающие трехмерной периодичностью атомной (или молекулярной) структуры, при определенных условиях образования, имеющие естественную форму правильных симметричных многогранников (рис. 1). Каждому химическому  веществу, находящемуся при данных термодинамических  условиях  в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая структура.