Практическая работа по дисциплине Геология и основы горного дела на тему Изучение форм кристаллических веществ

Практическая работа №1

Тема: Изучение форм кристаллических веществ.

Цель: Ознакомиться с основными свойствами кристаллических веществ.

Ход работы:

1. Изучить и записать тему и цель практической работы.

2. Изучить теоретическую часть.

3. Ответить на контрольные вопросы, сформировать вывод.

Теоретическое ведение.

Формы природных выделений минералов.

В природе минералы встречаются либо в виде одиночных кристаллов и их сростков, либо, гораздо чаще, в виде скоплений минеральных зерен, называемых минеральными агрегатами. При этом один и тот же минерал в разных условиях может давать выделения различной формы.

Монокристаллы - единичные сравнительно хорошо ограненные кристаллы минералов, образуются в условиях свободного роста (в трещинах, пустотах) и в принципе могут быть продуктами почти всех минералообразующих процессов.

По соотношению трех основных измерений, определяющему общий облик кристаллов, они делятся на изометричные, вытянутые в одном направлении и вытянутые в двух направлениях.

Изометричную форму имеют кристаллы высшей категории (галит, галенит, пирит, гранат).

Вытянутые в одном направлении кристаллы характерны для средней категории. В зависимости от конкретной формы они могут быть призматическими, столбчатыми, игольчатыми (кварц, берилл, роговая обманка, антимонит и др.).

Для минералов, кристаллы которых принадлежат к низшей категории, типичны формы, вытянутые в одном направлении, - пластинчатые, таблитчатые, чешуйчатые (гипс, хлориты, слюды и др.)

Рис. 1. Три основные группы кристаллов, обладающие характерным обликом

(габитусом): / - изометрические (а - магнетит, б - пирит, в - гранат);

II - вытянутые в одном направлении (г - барит, д - антимонит, е - кварц);

III - вытянутые в двух направлениях (ж - барит, з - хлорит)

Кристаллы могут срастаться друг с другом. Сростки кристаллов принято делить на закономерные и незакономерные. Закономерные сростки возникают, если срастание или взаимопрорастание кристаллов происходит по каким-то определенным кристаллографическим направлениям. Они называются двойниками, тройниками при срастании двух и трех кристаллов и полисинтетическими двойниками при срастании большого числа кристаллов.

Незакономерные сростки кристаллов в основном представлены друзами.

Друзы - это сростки более или менее правильных кристаллов, нарастающих на единое основание. Для их образования также необходимы открытые полости, где может происходить свободный рост кристаллов.

Минеральные агрегаты в земной коре встречаются гораздо чаще, нежели кристаллы и их сростки. По морфологии среди них выделяются зернистые, землистые, плотные, округлые, натечные агрегаты и тонкие пленки.

Зернистые агрегаты наиболее распространены в природе, так как могут формироваться практически во всех минералообразующих процессах.

По размеру зерен различают крупнозернистые (более 5 мм), среднезернистые (от 5 до 1 мм) и мелкозернистые (менее 1 мм) агрегаты.

В зависимости от формы зерен агрегаты могут быть призматически-зернистыми, игольчатыми, шестоватыми, волокнистыми, пластинчатыми, чешуйчатыми и др.

Землистые и плотные (сплошные массы) агрегаты характеризуются тем, что в них отдельные минеральные зерна не различимы невооруженным глазом. При этом в землистых агрегатах сцепление между минеральными частицами невелико и они легко отделяются друг от друга.

Округлые агрегаты. К этой группе могут быть отнесены секреции, конкреции и оолиты.

Секреции образуются при заполнении минеральным веществом округлых пустот в горных породах. При этом минеральное вещество отлагается на стенках полости, постепенно заполняя ее от периферии к центру. Поэтому секреции часто имеют концентрически-зональное внутреннее строение.

Конкреции представляют собой стяжения шарообразной или неправильной округлой формы. Они формируются за счет отложения минерального вещества вокруг какого-либо центра кристаллизации и часто имеют радиально-лучистое внутреннее строение. В отличие от секреций рост конкреций происходит от центра к периферии.

Натечные агрегаты также характерны для экзогенных минералообразующих процессов. Они формируются в пустотах при медленной кристаллизации вещества из растворов (преимущественно коллоидных) или при их испарении. Имеют различную форму - почковидную, гроздевидную, столбчатую, неправильную. Натеки, свисающие в виде сосулек сверху, называют сталактитами, поднимающиеся им навстречу снизу - сталагмитами, срастаясь, они образуют сталагмиты.

Тонкие пленки, покрывающие поверхность горных пород и минералов, стенки трещин, называют налетами, примазками, выцветами. Образование их связано в основном с процессами выветривания.

Сравнительно редкими формами выделений минералов являются дендриты и псевдоморфозы.

Дендриты - это выделения, напоминающие по форме веточки дерева, что и определяет их название.

Они образуются при неравномерном отложении минерального вещества в различных направлениях или при его быстрой кристаллизации в тонких трещинах.

Псевдоморфозы образуются вследствие замещения минеральным веществом каких-то других образований, например органических остатков, при этом форма последних сохраняется.

Свойства кристаллических веществ.

Свойства кристаллических веществ обусловливаются как их составом, так и внутренним строением, т.е. кристаллической структурой. В кристаллических решетках расстояния между элементарными частицами и характер связей между ними в разных направлениях неодинаковы, что обусловливает и различие свойств. Такое явление называется анизотропией или неравносвойственностью кристаллического вещества. Анизотропия кристаллических веществ проявляется во многих их особенностях. Например, в способности кристаллического вещества самоограняться, т.е. образовывать многогранники - кристаллы, форма кристаллов разнообразна и зависит, прежде всего, от внутреннего строения данного соединения.

В аморфных веществах закономерность в расположении частиц отсутствует.

Рис. 2. Кристаллические решетки: а - алмаза (С), б - графита (С)

Свойства их зависят только от состава и во всех направлениях статистически одинаковы, т.е. аморфные вещества изотропны или равносвойственны. Прежде всего, это выражается в том, что аморфные вещества не образуют кристаллов и не обладают спайностью.

В различных физико-химических условиях вещества одинакового химического состава могут приобретать разное внутреннее строение, а следовательно, и разные физические свойства и создавать таким образом разные минералы. Внутренняя структура алмаза резко отличается от строения графита. В структуре алмаза сцепления между атомами углерода однотипны и прочны.

Важным свойством кристаллических веществ, обусловленным внутренним строением, является также его однородность, выражающаяся в том, что любые части кристаллического вещества в одинаковых направлениях обладают одинаковыми свойствами, т.е. если кристалл графита в одном направлении имеет весьма совершенную спайность, то и любой его обломок в том же направлении обладает этим свойством.

Формы нахождения минералов в природе разнообразны и зависят главным образом от условий образования. Это либо отдельные кристаллы или их закономерные сростки (двойники), либо четко обособленные минеральные скопления, либо, чаще, скопления минеральных зерен - минеральные агрегаты.

Отдельные изолированные кристаллы и кристаллические двойники, т.е. закономерные сростки кристаллов, возникают в благоприятных для роста условиях. Форма кристаллов разнообразна и отражает как состав и внутреннюю структуру минерала, так и условия образования.

Наиболее широко развиты минеральные агрегаты кристаллического, аморфного или скрытокристаллического строения, слагающие толщи пород. Они образуются при более или менее одновременном выпадении из растворов или расплавов множества минеральных частиц. В кристаллических агрегатах минералы находятся в кристаллическом состоянии, но зерна их имеют неправильную форму. Величина зерен зависит от условий кристаллизации и изменяется от крупных до землистых. В жилах кристаллические агрегаты часто имеют массивное (сливное) строение, при котором отдельные зерна на глаз не различимы. Аморфные агрегаты представляют собой однородные плотные или землистые массы, обладающие матовым, восковым или слабожирным блеском. Скрытокристаллические агрегаты внешне напоминают аморфные и отличаются от них только микроскопически.

Кристаллическое строения.

Совокупность узлов, лежащих на одной прямой, называется рядом пространственной решётки.

Расстояние между соседними узлами ряда называется промежутком ряда. Число узлов, приходящихся на единицу длины ряда, называется плотностью ряда.

Одно из основных свойств пространственной решётки состоит в том, что через любой узел решётки всегда можно провести ряд, параллельный данному ряду, причём все параллельные ряды имеют одинаковую плотность. Ряды же разных направлений в общем случае обладают различной плотностью. В частных случаях и у непараллельных рядов промежутки могут быть одинаковыми.

Совокупность параллельных друг другу плоских сеток пространственной решётки будем называть серией плоских сеток. Расстояние между двумя ближайшими параллельными плоскими сетками называется межплоскостным расстоянием.

Реальные кристаллы являются телами конечных размеров, поэтому, как уже отмечалось выше, их можно рассматривать как части пространственных решёток, ограниченные плоскостями - гранями. С точки зрения учения о пространственной решётке грани кристалла представляют собой плоские сетки, а рёбра - ряды его решётки.

Рис. 3.Кристаллические решетки меди (а), хлористого цезия (б), хлористого натрия(в) и кальцита(г)

Кристаллическая решётка хлористого цезия состоит из двух простых решёток, одна из которых имеет узлы, соответствующие ионам цезия, а другая - совпадающие с ионами хлора. Обе решётки совершенно тождественны и сдвинуты друг относительно друга на величину расстояния между ионами Cs+ и Cl- так, что вершины параллелепипедов одной решётки находятся в центрах параллелепипедов другой решётки.

Кристаллическую решётку хлористого цезия можно всегда заменить простой пространственной решёткой, примитивным параллелепипедом которой будет являться ромбоэдр.

Решётка кристаллов хлористого натрия (каменной соли) состоит из двух одинаковых решёток, подобных кристаллической решётке меди. При этом решётка, отвечающая ионам натрия, так вставлена в решётку, соответствующую ионам хлора, что узлы натриевой решётки занимают середину ребра параллелепипедов повторяемости хлорной решётки и наоборот.

Всякий атом или ион представляет собой весьма сложную систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронных оболочек. Поэтому между атомами и ионами действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания.

Симметрия - широко распространенное в природе явление. Особенно многообразно симметрия проявляется в мире животных и растений. Кристаллы - наиболее яркие представители симметричных тел неживой природы.

Операция совмещения частей симметричной фигуры и фигуры в целом называется симметрическим преобразованием. Каждому элементу отвечает своё симметрическое преобразование, посредством которого фигура совмещается сама с собой.

Вопросы к практической работе:

1. Монокристаллы определение, виды.

2. Морфология минералов (зернистые, землистые, секреции, конкреции, натечные агрегаты).

3. Анизатропия кристаллов.

4. Однородность кристаллов.

5. Чем обуславливаются свойства кристаллов.

6. Элементы кристаллического строения.

7. Кристаллическое строение хлористого цезия.