Свойства кристаллических веществ.

Е.С. Федоров в конце XIX века заложил основы учения о строении кристаллов, выделил 230 видов сим­метрии, группирующихся в семь кристаллографических систем, или сингоний. Впоследствии гениальные выводы Е. С. Федорова были полностью подтверждены рентгеноструктурным анализом. Позднее А.В. Гадолин доказал, что у кристаллов возможны 32 различные комбинации элементов симметрии.

К числу характерных свойств большинства кристаллических минералов относится свойство самоогранения при их росте, т. е. способность образовывать кристаллы. Каждому минералу присуща своя кристаллическая форма, зависящая от типа химических связей решетки, химического состава и условий его формирования. В кристалле различают следующие элементы: грани, или плос­кости, ограничивающие кристаллы, ребра – линии пересечения гра­ней, вершины – точки пересечения ребер, гранные углы – углы между гранями. Вершины кристаллов соответствуют узлам, реб­ра – рядам, а грани – плоским сеткам пространственной решетки.

Для всех кристаллов одного и того же вещества углы между соответствующими гранями одинаковы и постоянны. Это закон постоянства гранных углов – один из важнейших законов кристал­лографии. Он дает возможность определять минералы даже в мелких обломках кристаллов, если они в какой-то мере сохраняют естественные грани. Закон постоянства гранных углов позволяет вывести для каждого естественного кристалла идеаль­ную форму, которая характеризует свойственный данному кристал­лу тип симметрии, т. е. сочетание кристаллографических элементов. Однако при одних и тех же гранных углах форма кристаллов может быть различна.

Симметрия – это закономерность расположения элементов ограни­чения кристалла, выражающаяся в повторяемости частей при вра­щении вокруг некоторой прямой линии. Выделяют следующие элементы симметрии: ось, плоскость и центр симметрии.

Ось симметрии – эта прямая линия, при повороте вокруг которой на один и тот же угол все части кристалла симметрично повторяются п раз (обоз­начается буквой L). Число п, показывающее, сколько раз при повороте на 360° вокруг оси симметрии части кристалла могут совмещаться с их исходным положением, называется порядком оси симметрии и обозначается цифрой (ставится внизу справа от L – рис. 2). Число п всегда целое, и в кристаллах могут существовать оси симметрии только второго, третьего, четвертого и шестого порядков. Так, при вращении вокруг оси кристалла, имеющего вид правильной шестигранной призмы, при каждом повороте на 60° будет наблюдаться совмещение его граней, ребер и вершин с их начальным положением. Следовательно, этот кристалл имеет ось симметрии шестого порядка.

Плоскость симметрии – мысленно проведенная плоскость, кото­рая делит кристаллы на две зеркально равные части (обозна­чается буквой Р – рис. 3). В кубе таких плоскостей девять. Кроме осей и плоскостей симметрии, многие кристал­лические многогранники имеют центр симметрии – точку внутри кристалла, на равных расстояниях от которой в диаметрально противоположных направлениях располагаются одинаковые эле­менты ограничения – параллельные грани, вершины (обозначается буквой С – рис. 3).

Рис. 2 Элементы симметрии:расположение осей симметрии в кубе: а – второго порядка (L₂), б – третьего (L₃) и четвёртого (L₄) порядков.

Рис. 3 Элементы симметрии:расположение центра симметрии (С) и плоскости симметрии (Р) в кристалле гипса.

У кристаллов возможны 32 различные комбинации элементов симметрии, называемые видами, или классами, симметрии. Все виды симметрии группируются по степени сложности в семь крупных групп, или систем – кристаллографических сингоний. Среди них выделяются низшие, средние и высшие.

К низшим относят триклинную, моноклинную и ромбическую сингонии. Наименее симметричные кристаллы – триклинной сингонии (рис. 4, 1-3). У них из всех возможных элементов симметрии обычно наблюдается только центр симметрии, но иногда и он отсутствует. Этот вид сингоний свойствен альбиту, микроклину и другим минералам.

К моноклинной сингоний (рис. 4, 4-5) относятся кристаллы, которые имеют либо одну плоскость симметрии, либо одну ось второго порядка, либо и ту и другую вместе в сочетании с центром симметрии. К этой категории принадлежат ортоклаз, гипс, муско­вит, некоторые амфиболы.

Рис. 4 Наиболее распространённые формы кристаллов различных сингоний:

1-3 – триклинной, 4-5 – моноклинной, 6-9 – ромбической, 10-13 – тригональной, 14-16 – гексагональной, 17-20 – тетрагональной, 21-25 – кубической.

Ромбической сингонией (рис. 4, 6-9) обладают кристаллы с одной или тремя осями второго порядка и двумя или тремя плоскостями симметрии (L₂2P или 3L₂3PC), а также кристаллы с тремя осями второго порядка без плоскости симметрии (3L₂). В поперечном сечении они имеют форму ромба.

К средним сингониям относится тригональная, гексагональная и тетрагональная. В тригональной сингоний (рис. 4, 6-9) высшее сочетание элементов симмет­рии – L₃3L₂3PC. Типичная форма кристаллов данной сингонии, например кристаллов кальцита, доломита, магнезита, гематита, – ромбоэдры. К этой же сингоний принадлежат корунд и кварц, хотя кристаллы последнего имеют вид гексагональных призм, увенчанных как бы гексагональными пирамидами. В действитель­ности вершины кристаллов кварца представляют собой комбинацию двух ромбоэдров.

Для кристаллов гексагональной сингонии (рис.4, 14-16) характерна форма шестигранных призм, грани которых параллельны оси шестого порядка L₆. Таковы кристаллы апатита и нефелина. Высшее сочетание элементов симметрии в ней – L₆6L₂7PC.

Тетрагональная, или квадратная, сингония (рис. 4, 17-20) отличается при­сутствием в кристаллах одной оси четвертого порядка. В сечении, перпендикулярном к этой оси, обычно наблюдается форма квадрата или восьмиугольника. Высшим сочетанием элементов симметрии в квадратной сингонии может быть L₄4L₂5РС. Эта сингония присуща, например, халькопириту и рутилу.

К высшей сингонии относится кубическая (рис. 4, 21-25), объединяющая наи­более симметричные кристаллы (каменная соль, пирит, алмаз, маг­нетит). Они имеют вид кубов, октаэдров и др. Высшее сочетание элементов в кубической сингонии – 3L₄4L₃6L₂9PC.

Изучением кристаллической формы и структур минералов зани­мается наука кристаллография.