1. Что такое кристаллография и понятие «кристаллическое вещество»? Приведите примеры кристаллических веществ.
• Кристаллография - наука о кристаллах, изучающая их внешнюю форму, внутреннее строение (структуру), физико-химические свойства и происхождение.
• Кристаллическими называются твердые вещества, построенные из материальных частиц - ионов, атомов или молекул, геометрически правильно расположенных в пространстве, образуя пространственную или кристаллическую решетку.
• Примерами могут служить простые вещества, такие как фосфор, имеющий простую кубическую форму кристаллической решётки; натрий, вольфрам, которые имеют объёмноцентрированную кристаллическую решётку; алюминий, золото, с гранецентрированной кристаллической решёткой.
2. Какими основными специфическими свойствами обладают кристаллы в отличие от аморфных тел? Поясните их на примерах.
Основные специфические свойства кристаллов, отличающие их от некристаллических аморфных тел:
• Однородность строения - одинаковость узора взаимного расположения атомов во всех частях объема его кристаллической решетки(например, алмаз).
• Анизотропность - различие физических свойств кристаллов (теплопроводность, твердость, упругость и другие) по параллельным и непараллельным направлениям кристаллической решетки. Свойства одинаковы по параллельным направлениям, но неодинаковы по непараллельным направлениям. В противоположность анизотропным, изотропные тела имеют одинаковые свойства во всех направлениях.
Примерами анизотропии могут служить монокристаллы – кристаллы, состоящие из одного цельного кристалла, находимые в природе в виде кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза, а также в виде самородных металлов, например самородного золота.
• Способность самоограняться, т.е. принимать многогранную форму в результате свободного роста в подходящей среде. Этим свойством обладают только кристаллические вещества. Например, два выточенных из кварца и стекла шарика опускают в раствор кремнезема. В результате шарик кварца покроется гранями, а стеклянный останется круглым.
• Симметричность - это закономерная повторяемость в расположении предметов или их частей на плоскости или в пространстве. Каждый кристалл может быть совмещен сам с собой определенными преобразованиями (поворотами или отражениями), которые называются симметрическими.
Пример на рис.1:
Рис. 1. а - кристалл кварца: 3 - ось симметрии 3-го, порядка, 2х, 2у, 2w - оси 2-го порядка; б - кристаллводного мета-силиката натрия: m - плоскость симметрии.
На рис. 1, а изображён кристалл кварца. Внеш. его форма такова, что поворотом на 120° вокруг оси 3 онможет быть совмещён сам с собой (совместимое равенство). Кристалл метасиликата натрия (рис. 1, 6)преобразуется в себя отражением в плоскости симметрии m (зеркальное равенство).
3. Какие оси симметрии называют осями высшего порядка, и как определяют порядок n оси? Изобразите примеры расположения осей симметрии для куба.
Осями высшего порядка принято считать оси третьего L3, четвертого L4 и шестого L6 порядка.
Порядок n оси симметрии определяют по числу самосовмещений при полном повороте фигуры на 360o (n = 360/a, где а – элементарный угол поворота вокруг оси, приводящий к такому совмещению).
Оси симметрии для куба:
а - ось четвертого порядка (n=4);
б - ось третьего порядка (n=3);
в - ось второго порядка (n=2).
4. Что такое формула симметрии? В какие сингонии объединяют формулы симметрии? Приведите примеры формул симметрии для каждой сингонии.
• Формулой симметрии называется перечень всех элементов симметрии кристалла, записанный в виде их символов.
• Формулы симметрии объединяют в сингонии по признакам самих формул, обладающих определенным сходством. Каждой сингонии соответствуют кристаллы с определенными пропорциями размеров элементарной ячейки (длина, ширина, высота в сингонии объединяют группы формул, и «перекошенность»).
Примеры формул симметрии для каждой сингонии:
Категории Сингонии Формула в символике Браве
Низшая Триклинная C
Моноклинная Р; L2; L2PC
Ромбическая L22P; 3L2; 3L23PC
Средняя Тригональная L3; L3C; L33P; L33L2; L33L23PC;
Тетрагональная L4; L4PC; L44P; L44L2; L44L25PC; Li4; Li42L22P
Гексагональная Li6=L3P; Li63L23P=L33L24P; L6; L6PC; L66P; L66L2; L66L27PC
Высшая Кубическая 4L33L2; 4L33L23PC; 4L33L2(3Li4)6P; 3L44L36L2; 3L44L36L29PC
5. Какие структурные мотивы называют координационным, островным и цепочечным? Изобразите примеры этих структурных мотивов. В каких минералах они могут быть?
• Координационный мотив - атомы распределены равномерно, не образуя никаких конечных или бесконечных группировок. Это структуры гомодесмические (NaCl, алмаз, металлы).
Структура сфалерита ZnS в шариковом (а) и полиэдрическом (6) изображении.
• Островной мотив - атомы собраны в отдельные конечные группировки, внутри которых связи более сильные (расстояния между атомами мало), а между этими группами связи слабые (расстояние между ними увеличивается). Это структуры гетеродесмические. Островные структурные группировки могут быть катионными и анионными (карбонаты). Связь внутри группировки - ковалентная, а связь между катионом и анионной группировкой - ионная.
• Цепочечный мотив – ковалентно-связанные группировки атомов могут образовывать бесконечные вытянутые в одном направлении анионные цепи, связь между которыми может быть ван-дер-ваальсовой или через катионы (в силикатах).
6. Какие типы химических связей существуют в кристаллах? Сформулируйте их определения и поясните на примерах минералов. Какие структуры кристаллов называют гомодесмическими и гетеродесмическими?
В кристаллах существует четыре типа химической связи:
- металлическая;
- ковалентная;
- ионная;
- Ван-дер-ваальсова связь.
• Металлическая связь : в кристаллической решетке металлов внешние электроны свободно перемещаются в пространстве между атомами, образуя "электронный газ" и обусловливая основные свойства металлов: высокую пластичность, ковкость, теплопроводность, электропроводность, малую твердость. Энергия металлической связи составляет десятки кДж/моль.
Данный вид связи характерен для металлов и металлидов.
• Ковалентная связь осуществляется за счет обобществления электронов на внешних валентных орбиталях двух соседних атомов. Ковалентная связь очень прочная. Энергия связи составляет до 500кДж/моль.
Например: алмаз, германий, кремний.
• Ионная связь реализуется между атомами различного типа за счет электростатического взаимодействия положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных анионов.
Например: каменная соль (NaCl).
• Ван-дер-ваальсова связь соединяет нейтральные молекулы , является одной из самых слабых химических связей (энергия связи 10 – 20кДж/моль).
Например: молекулы, в которых внешние оболочки всех атомов заполнены, скажем, молекулы азота (N2), хлора (Cl2), аммиака (NH3) и атомы инертных газов - He, Ne и т.д.
Гомодесмическими называются структуры кристаллов, в которых связь между всеми атомами одинакова.
Гетеродесмическими называются структуры кристаллов, в которых сосуществуют несколько типов химической связи.
7. Какие виды изоморфизма Вы знаете? Поясните механизмы их образования на примерах.
Виды изоморфизма:
1. Изовалентный изоморфизм - замещающие друг друга атомы имеют одинаковую валентность.
Пример: замещение Мg2+ на Fe2+ в оливине с образованием минералов фаялита (Mg2SiO4) и форстерита (Fe2SiO4).
2. Гетеровалентный изоморфизм. Важнейшее условие – это сохранение электронейтральности структуры за счет парного замещения: в одном соединении один из ионов (например, Ca2+) замещается на ион с меньшей валентностью (Na+), а другой ион (например, Al3+) замещается на ион с большей валентностью (Si4+). Суммарный заряд сохраняется:
Ca2+ + Al3+ = Na+ + Si4+
8. Какие химические соединения называют твердыми растворами? Какие виды твердых растворов и механизм их образования существуют? Поясните на примерах.
• Твёрдыми растворами называют химические соединения переменного состава, образующиеся в результате изоморфизма. В зависимости от механизма образования выделяют твердые растворы замещения, внедрения и вычитания.
Виды твёрдых растворов и механизм их образования
1. Твердые растворы замещения образуются, когда один сорт атомов или ионов замещается на другой незакономерно (беспорядочно) размещаясь в одной и той же атомной позиции в кристаллической структуре (замещение Fe2+ на Zn2+ в структуре железистого сфалерита - марматита (Zn,Fe)S).
2. Твердые растворы внедрения образуются в результате интерстициональных замещений, когда в структуре минерала имеются значительные пустоты (интерстиции). Например, берилл - (Be3Al2Si6O18): в каналы между кольцами анионных группировок Si6O18 в его структуре, внедряются K, Rb, Cs, H2O.
3. Твердые растворы вычитания известны для дефектных структур, в которых имеются вакансии в связи с присутствием ионов переменной валентности (Fe, Mn). Например, пирротин: состав меняется от Fe6S7 до Fe11S12 из-за наличия в кристаллической структуре части атомов железа в форме Fe3+, компенсирующих недостаток ионов Fe2+.
9. От чего зависит цвет минералов? Приведите примеры.
Цвет минералов зависит от их внутренней структуры, механических примесей и присутствия элементов-хромофоров (носителей окраски ) - Cr, V, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, U, Mo и др., являющихся либо основными элементами минерала (Cu в малахите; Mn в родоните), либо примесями (примесь Cr вызывает зеленую окраску в изумруде – разновидности берилла Be3Al2[Si6O18] и красную окраску в рубине – разновидности корунда Al2O3).
10. Как составляются структурные формулы изоморфных смесей? Поясните на примере.
Структурные формулы изоморфных смесей составляются путём отделения изоморфных элементов одной структурной позиции запятой и заключения их в круглые скобки.
Пример: формула роговой обманки (силикат Ca, Mg и Fe сложного химического состава образует черные короткостолбчатые с шестиугольным сечением кристаллы), одного из самых распространенных минералов магматических горных пород:
(Ca,Na)2(Mg,Fe2+)4(Fe3+,Al)[(Si,Al)4O11]2(OH)2
11. Какой изоморфизм характерен для ленточных силикатов (амфиболов)?
Для ленточных силикатов(амфиболов) характерен как изовалентный, так и гетеровалентный изоморфизм.
12. Какие Вы знаете минералы группы гранатов, и какие цвета для них характерны? Напишите их кристаллохимические формулы.
Основные минералы группы гранатов
Название Цвет Кристаллохимическая формула
Пироп Тёмно-красный Mg3Al2[SiO4]3
Альмандин Красный, коричневый, фиолетовый Fe2+3Al2[SiO4]3
Спессартин Розовый, красный, желтовато-бурый Mn3Al2[SiO4]3
Гроссуляр Светло-зелёный или зеленовато-бурый Ca3Al2[SiO4]3
Андрадит Жёлтый, бурый, красный Са3Fe3+2[SiO4]3
Уваровит Изумрудно-зелёный Ca3Cr2[SiO4]3
13. Какая кристаллохимическая формула и морфология характерны для каолинита?
Кристаллохимическая формула каолинита - Al4[Si4O10](OH)8.
Морфология
Сингония Вид симметрии Формула симметрии Минеральный индивид Минеральный агрегат
Моноклинная Призматическая CL2P Призматические и чешуйчатые кристаллы Скрыто-кристаллические, плотные, землистые, рыхлые
14. Назовите области применения энстатита.
Энстатит не имеет практического применения.
15. Какие физические, диагностические и химические свойства имеет гематит? Приведите уравнения химических реакций и качественных реакций на обнаружение соответствующих ионов.
Физические свойства гематита
Плотность Твёрдость Хрупкость/
пластичность Спайность Излом Прозрачность Блеск Цвет Черта Про-води-мость
5.0-5.3 5-6.5 Хрупкий Отсутствует; отдельность по (0001), (1010), (1011) Неровный, полураковистый, занозистый Непрозрачный. В тонких чешуйках просвечивает Металловидный до полуметаллического Вишнево-красный, темно-бурый, стально-серый до черного, красный, коричнево-красный, ржаво-красный Вишнево-красная, красновато-коричневая Антиферромагнетик беспримесные образцы - магнитные полупроводники
Диагностические свойства гематита
1. Вишнево-красная черта;
2. Высокая твердость;
3. Форма агрегатов и кристаллов;
4. Растворяется в концентрированной соляной кислоте.
Химические свойства гематита
Гематит, имея в своём составе основной компонент - оксид железа(III),имеет следующие химические свойства:
1. Взаимодействие с разбавленной соляной кислотой:
2. Взаимодействие с карбонатом натрия:
3. Взаимодействие с гидроксидом натрия при сплавлении:
4. Качественная реакция на присутствие иона Fe3+:
При добавлении к гематиту HCl 1:1 и радонита калия образуется красное соединение, что указывает на присутствие в растворе катионов Fe3+:
FeCl3 + 3 КCNS = Fe(CNS)3 + 3 KCl
16. Напишите кристаллохимическую формулу, морфологию и практическое значение сидерита.
Кристаллохимическая формула сидерита - Fe[CO3]
Морфология сидерита
Сингония Вид симметрии Формула симметрии Минеральный индивид Минеральный агрегат
Тригональная Дитригонально-скаленоэдрический CLi63L23P Ромбоэдри-ческие, часто искривленные, седлообразные кристаллы Зернистые, плотные, землистые; иногда образует сферолиты, пулеобразные выделения и конкреции
Практическое значение сидерита – высокосортное сырьё(руда) для изготовления железа.
17. Приведите пример минерала класса гидроксидов с указанием его кристаллохимической формулы, физических и диагностических свойств и возможных областей применения.
Гётит
Гётит – минерал класса гидроксидов с кристаллохимической формулой FeO(OH).
Физические свойства
Плотность Твёрдость Хрупкость/
пластичность Спайность Излом Прозрачность Блеск Цвет Черта Рас-твори-
мость
3.3-4.4 5-5.5 Хрупкий Совершенная по (010), средняя по (100) Неровный, шероховатый Непрозрачный до полупрозрачного, просвечивающий Алмазный, полуметаллический Желтовато-бурый, желтовато-коричневый, светло-желтый, красновато-коричневый, темно-коричневый, коричневый, черно-бурый, коричнево-черный, черный Светло-бурая, оранжево-желтая, желтовато-коричневая, бурая Медленно растворяется в соляной кислоте
Диагностические свойства
1. Концентрически-зональные агрегаты;
2. Бурая черта;
3. В стеклянной пробирке при нагревании выделяет воду, краснеет и переходит в красный гематит.
Возможные области применения
Гётит - основной компонент некоторых типов железных руд.
Железные шляпы некоторых колчеданных месторождений разрабатываются с целью извлечения золота. Обогащение гетита предусматривает использование комбинированного магнитно-гравитационно-флотационных схем, а также магнетизирующий обжиг.
