Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя (стр. 3 )

Раздел 1 Введение. Основные понятия о кристаллах и кристаллографии

Тема 1 Кристаллография как наука ( 1час)

План лекции

1.  Цели и задачи кристаллографии и минералогии. (Краткий исторический очерк и вклад выдающихся ученых в развитии минералогии и кристаллографии).

2.  Кристалл, элементы ограничения кристаллов, кристаллическое вещество, аморфное вещество.

3.  Пространственная решетка как геометрический образ структуры кристаллов.

Знакомство человека с минералами и горными породами отно­сится к глубокой древности. В каменном веке люди умели отличать полезные для себя камни и рыхлые породы (глины), которые были им необходимы для изготовления орудий защиты, охоты и быта, а также для решений. Позже человек научился добывать нужные для строительства горные породы, распознавать руды меди, золота, зебра, ртути, олова, искать драгоценные камни.

Первые упоминания о минералах относятся к XX—XIX вв. н. э., когда в Китае было начато создание коллективного сомнения «Сан-Хей-Дин» (сказания о горах и морях). Дополняясь и обновляясь в течение веков, это сочинение к середине тысячелетия до н. э. уже содержало описание многих металлов, минералов и горных пород. В древнем Китае до начала шей эры существовали и другие труды о минералах и горных родах.

Индийские источники «Веды», «Рамаяна» и другие также свидетельствуют о существовании задолго до нашей эры знаний по определению минералов и руд, их добыче и применению.

Древнегреческие ученые Фалес, Гераклит, Эмпедокл и другие высказывали некоторые, большей частью умозрительные, представления о происхождении Земли, вулканических явлениях, преобразовании земной поверхности.

Интересная попытка классифицировать «камни» была сделана греческим натуралистом и философом Аристотелем (384— 322 гг. до н. э.). Он же объяснил строение Вселенной, смену суши и моря, образование металлов и руд как результат их возгонки в газообразном состоянии из недр Земли. Ученик Аристо­теля Теофраст (372—287 гг. до н. э.) написал специальный трактат «О камнях», где были приведены самые разнообразные сведения о минералах и горных породах.

Римский естествоиспытатель Плиний Старший (23—79 гг.) написал 36 томов «Естественной истории», которая содержит весьма обширные геолого-минералогические сведения.

В начале нашей эры горное дело было значительно развито в странах Востока. В Средней Азии добывались драгоценные камни, олово, ртуть, медь, свинец и серебро, каменный уголь, минеральные краски и другие ископаемые, о чем свидетельствуют многочисленные следы древних выработок, кузниц, а также местные названия (Хайдаркан — великий рудник, Кургашин-кан — свинцовый рудник и др.). Много «чудских копей» — старинных рудников было и на территории России, на Урале и на Алтае.

Естественно, что в связи с практическим освоением недр по­явилась необходимость в обобщении накопленных материалов и описании минералов и пород. Одним из выдающихся ученых древности был уроженец Хорезма Бируни (972—1048). Наряду с сочинениями по астрономии и географии он написал «Собрание сведений о познании драгоценных минералов», где подробно были рассмотрены свойства (цвет, плотность, твердость и др.) некоторых металлов и минералов. Другим известным ученым того времени был Авиценна, или Ибн-Сина (980—1037), жив­ший в Хорезме и Иране. Авиценна — крупнейший философ и врач, его многочисленные труды переводились на европейские языки. Занимался он также и вопросами геологии, изучал свойства горных пород и руд. Все минералы были разделены им на четыре группы: 1) камни и земли, 2) металлы, 3) горючие (или серные) ископаемые и 4) соли. Это была одна из первых попыток классифицировать минералы.

С XV—XVI вв. в Европе зарождается промышленность, ра­стут города, значительно увеличивается спрос на различные по­лезные ископаемые, что способствует расширению их добычи. Более интенсивно развиваются и геологические науки, возникают новые представления о минералах и горных породах. Благодаря работам Леонардо да Винчи, Галилея, Коперника, Нью­тона, Лейбница, Ломоносова, Бгоффона и других ученых воз­никло подлинно научное мировоззрение.

Кристаллография — наука о кристаллах. Она изучает форму, внутреннее строение, происхождение и свойства кристалличе­ских веществ. По-гречески «кристаллос» означает «застывший на холоде». Так греки называли лед и горный хрусталь, полагая, что последний образовался так же, как и лед, при низкой температуре. Впоследствии кристаллами стали называться все твердые тела, образующиеся в природе и в лабораторных условиях и имеющие многогранную форму.

В природе хорошо ограненные кристаллы встречаются сравнительно редко; они образуются преимущественно в полых трещинах и пустотах горных пород, где они могут свободно расти. Размеры кристаллов могут быть различными. Мелкие кристаллы, имеющие ясную огранку, видны только под микроскопом, крупные могут достигать в длину 1 м и более.

Поверхность кристаллов ограничена плоскостями, которые носят название граней. Места соединения граней называются ребрами, точки пересечения которых называются верши­нами или углами (рис. 1). Грани, ребра и вершины кристаллов связаны зависимостью: число граней + число вершин = =число ребер + 2.

В большинстве случаев кристаллические вещества не имеют ясно ограненной формы, хотя и обладают закономерным внутренним кристаллическим строением.

Кристаллические вещества чрезвычайно широко распространены в природе. Разнообразные горные породы, слагающие земную кору (граниты, мраморы, пески, соли и др.), представлены агрегатом кристаллических зерен. Такое же строение имеют все металлы, их сплавы и большинство окружающих нас предметов.

Кристаллическим веществам присущи следующие важнейшие свойства.

1.  Анизотропность(т. е. неравносвойственность). Анизотропными называются такие тела, которые имеют одинаковые свойства в параллельных направлениях и неодинаковые в непараллельных. Различные физические свойства кристаллов, такие, как теплопроводность, твердость, упругость, распространение света и др., изменяются с изменением направления. В противоположность анизотропным, изотропные тела имеют одинаковые свойства во всех направлениях.

2. Способность самоограняться. Этой специфической особенностью обладают только кристаллические вещества. При свободном росте кристаллы ограничиваются плоскими гранями и прямыми ребрами, принимая многогранную форму.

3. Симметрия. Симметрией называется закономерная повторяемость в расположении предметов или их частей на плоскости или в пространстве. Все кристаллы являются телами симметричными; «кристаллы блещут симметрией»,— писал акад. .

Перечисленные свойства кристаллических веществ объясняются их внутренним закономерным строением. Материальные частицы (атомы, ионы, молекулы) в кристаллическом веществе размещаются не хаотично, а в определенном строгом порядке. Они расположены параллельными рядами, причем расстояния между материальными частицами в этих рядах одинаковы. Эта закономерность в строении кристаллов выражается геометрически в виде пространственной решетки, являющейся как бы скелетом вещества (рис. 1).

Представить пространственную решетку можно как бесконечно большое число одинаковых по форме и размеру параллелепипедов, сдвинутых один относительно другого и сложенных так, что они выполняют пространство без промежутков. Вершины параллелепипедов, в которых находятся атомы, ионы или молекулы, называются узлами пространственной решетки, а прямые линии, проведенные через них,— рядами. Любая плоскость, которая проходит через три узла пространственной решетки (не лежащих на одной прямой), называется плоской сеткой. Элементарный параллелепипед, в вершинах которого находятся узлы решетки, носит название ячейки данной пространственной решетки.

Рисунок 1 Пространственная решетка

Таким образом, кристаллическое вещество имеет строго закономерное (решетчатое, или ретикулярное) внутреннее строение (от латинского слова «ретикуля»— сетка).

Отсюда можно дать и более точное определение кристалла. Кристаллами называются твердые тела в виде многогранников, в которых слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены закономерно, или иначе кристаллы — это твердые тела ретикулярного строения.

Структура вещества, т. е. расположение атомов в данном веществе, при сходных термодинамических условиях всегда одинакова. Это означает, например, что все кристаллы кварца SiO2 имеют одинаковое расположение атомов кремния и кислорода.

Все отмеченные выше свойства характерны лишь для кристаллических веществ. В аморфных веществах («аморфный» по-гречески означает «бесформенный») нет общего закономерного внутреннего строения; составляющие их частицы расположены беспорядочно, поэтому они изотропны, не обладают симметрией и не могут самоограняться. Расположение частиц в них такое же, как в жидкости, поэтому их иногда сравнивают с переохлажденными жидкостями. Примерами аморфных веществ могут служить стекло, пластмасса, клей, смола, затвердевшие коллоиды (гели).

Тема 2 Основные сведения о геометрических законах кристаллографии (1 час)

План лекции

1.  Закон постоянства углов, закон целых чисел, закон зон.

2.  Симметрия кристаллов, Элементы симметрии. Понятие о видах симметрии и сингониях.

3.  Важнейшие простые формы и комбинации. Способы обозначения граней символами.

Каждый кристалл имеет определенную структуру, т. е. определенное расположение составляющих его материальных частиц. Все кристаллы одного и того же минерала имеют одинаковую структуру, а так как их внешняя форма есть следствие внутреннего строения, то они должны иметь одинаковые гранные углы.

В самом деле, если мы имеем различные кристаллы какого-либо минерала, например кварца, то независимо от величины кристалла, способов его образования, формы и размера граней, углы между соответственными гранями будут всегда постоянными (рис. 2).

Это положение, известное как закон постоянства гранных углов, формулируется следующим образом: углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и того же вещества при одинаковых условиях давления и температуры постоянны. Закон постоянства гранных углов был установлен Н. Стеноном на кристаллах гематита и горного хрусталя; впоследствии этот закон был подтвержден и Роме де Лилем.