Форми мінералів

Мінерали зустрічаються у вигляді добре оформлених окремих великих і дрібних кристалів, обмежених закономірно розташованими гранями, що утворюють кристалічні багатогранники (алмаз, кварц, слюда, гіпс та ін.), зерен неправильної форми, що мають кристалічну будову (частки кристалічного піску), а також аморфних тіл , які не мають кристалічної будови (наприклад, опал).

На вигляд кристали бувають стовпчасті або призматичні, пірамідальні і дипірамідальні, рівномірно розвинені в усіх напрямках (ізометричні), пластинчасті, листясті, лускаті, голчасті, волокнисті, списоподібні. Поряд з окремими кристалами зустрічаються закономірні їх зростки - двійники, трійники або незакономерні зростки, що складаються з великої кількості кристалів, що зрослися або зерен мінералів - агрегати. В останньому випадку при розрізі (розломі) мінералу перпендикулярно орієнтуванні площин зрощення бувають видно розрізняються своїм блиском чергуються смужки.

Кубичний кристал кам'яної солі. © Ганс-Йоахім Енгелхардт Усічена дитригональна піраміда з погано вираженими гранями сапфіру. © Роб Лавінскі Кристал хроміту у формі октаедра. © Роб Лавінскі Кристал рожевого берила у формі гексагональної призми Гірський кришталь

У ряді випадків зовнішня форма кристалів вказує на природу складової їх мінеральної речовини, але іноді мінерал має формулу, яка не відповідає його структурі та складу. Найчастіше мінерали утворюють скупчення зерен, що неправильно зрослися, одного або декількох мінералів і їх відносять до групи зернистих агрегатів. Зустрічаються мінерали, які мають невластиву їм форму кристалів і агрегатів.Такі форми, що утворюються при заміщенні мінералу новими сполуками і набувають форми колишнього мінералу, називають псевдоморфозами. Такі, наприклад, псевдоморфози лимонита по піриту.

Мінерали можуть зустрічатися у випадкових зрощеннях у вигляді дендритів, друзів, секрецій, конкрецій, оолітів, бобовинів, сферолітів, натічних форм (сталактити, сталагміти, сталагнати, нальоти, примазки, вицвіти).

Дендрити - Розгалужені деревоподібні зрощення окремих зерен мінералу. Зростання кристалів у дендритах відбувається дуже швидко при проникненні концентрованих розчинів тонкими тріщинами породи. Такі форми утворюють самородні елементи – золото, мідь, оксиди марганцю.

Деревоподібний піролюзит на вапняку. Фото Джері Парент

Друзи (Щітки) - нарости добре сформованих кристалів, на якійсь поверхні (тріщини, порожнечі гірських порід). Щітки тісно зрощених і дуже дрібних кристалів називаються кристалічними кірками. Друзи формуються при циркуляції мінеральних розчинів у порожнинах та тріщинах. Зустрічаються друзі кварцу, піриту, топазу, кальциту та інших мінералів.

Секреції утворюються при заповненні будь-якої природної порожнини від периферії до центру мінеральною речовиною з водних розчинів або дифузією речовини, що часто супроводжується утворенням концентричних смуг заповнюючої речовини. Дрібні секреції називаються мигдаликами, великі – жеодами. Великі секреції часто мають порожнину, стінки якої покриті друзами кристалів чи натічними утвореннями. При зміні складу розчину утворюються шаруваті секреції – різновиди аметиста, халцедону, агату та ін.

Жеода з агату, заповнена кварцем

Конкреції - кулясті, сплюснуті або неправильної форми мінеральні агрегати, що утворюються в результаті кристалізації (стягнення) мінеральної речовини навколо будь-якого центру (органічний залишок, інший мінерал). Кристали наростають від центру до периферії. Конкреції дуже міцні, і в зламі їх іноді спостерігається радіально-промениста або концентрично-шкаралупувата будова речовини. Поперечні розміри конкрецій від 1 см до десятків сантиметрів та навіть метрів. Найбільш характерні залізо-марганцеві конкреції на дні Світового океану, сидеритові, фосфоритові, кальцитові конкреції в товщах осадових та метаморфічних порід.

Ооліти - Це сферичні утворення різних розмірів (від часток міліметра до одного сантиметра) концентрично-шкаралупуватий будови, в яких мінеральна речовина при випаданні з розчину кристалізується шарами навколо будь-якого центру (піщанки, уламка раковини та ін.). Ооліти зцементовані один з одним і утворюють гірську осадову породу. Ооліти бувають складені кальцитом, лимонітом, доломітом, піролюзитом, бокситом морського та озерного походження.

Натічні форми утворюються при випаданні мінералів з розчинів, що випаровуються, з будь-якої поверхні, що характеризуються колоїдним станом. Колоїди поділяються на гелі і золі. У золях дисперсне середовище сильно переважає кількість частинок дисперсної фази – це, наприклад, вапняне молоко. У гелях кількісно переважає дисперсна фаза, частинки якої заповнюють майже об'єм речовини, а дисперсне середовище заповнює лише проміжки між частинками дисперсної фази. Гелі – студнеподібні, клеєподібні, склоподібні маси.

Природні водні розчини кремнезему можуть переходити в його гідрогелі і поступово втрачаючи воду утворюють красивий мінерал опал з невеликою кількістю води. Тверді гелі, що виникають (зазвичай з аморфним станом речовини) можуть з часом набувати кристалічну будову. Так, опал може переходити у кремінь. У ниркоподібних натічних тілах можуть виникнути конусоподібні (бурульки) сталактити, що звисають зверху зі склепінь печер, або сталагміти, що ростуть знизу вгору. Сталактити і сталагміти часто зустрічаються серед вапнякових порід та солоносних відкладень. Такі нарости у вигляді шишок та бурульок мають радіально-променисту або часто концентрично зональну будову.

Тонкі сталактити та товстий сталагміт

Нальоти, примазки, вицвіти - Це тонкі плівки на поверхні мінералу, що утворюються з продуктів зміни даного мінералу або інших мінералів, що спільно з ним зустрічаються. Такими бувають дендрити гидроокислов марганцю, плівки гидроокислов заліза, кірочки і пухнасті вицвіти солей тощо.

Листові, лускаті, пластинчасті агрегати складені кристалами відповідного вигляду (слюда, хлорит, барит). Скритокристалічні агрегати складені кристалічною речовиною, зерна якої невиразні навіть через лупу (опал, халцедон, лимоніт та ін.). Землясті агрегати схожі на шматки пухкого ґрунту, легко розпадаються на дрібні грудочки, зазвичай бруднять руки (глини, боксити, охри).

Вам може бути цікаво:

Будова кристалів: особливості та фізичні властивості

При погляді на кристали та вироби із самоцвітів хочеться зрозуміти, як могла з'явитися ця загадкова краса, яким чином створюються такі дивовижні твори природи.З'являється бажання більше дізнатися про їхні властивості. Адже особлива будова кристалів, що ніде в природі не повторюється, дозволяє використовувати їх повсюдно: від ювелірних прикрас до новітніх наукових і технічних винаходів.

Вивчення кристалічних мінералів

Будова та властивості кристалів настільки багатогранні, що вивченням та дослідженням цих явищ займається окрема наука – мінералогія. Знаменитий російський академік Олександр Євгенович Ферсман настільки був поглинений і здивований різноманітністю та безмежністю світу кристалів, що прагнув захопити якнайбільше розумів цією темою. У своїй книзі «Цікава мінералогія» він з ентузіазмом і теплотою закликав познайомитися з таємницями мінералів і поринути у світ самоцвітів:

Я дуже хочу вас захопити. Хочу, щоб ви почали цікавитись горами та каменоломнями, копальні та копіями, щоб ви почали збирати колекції мінералів, щоб ви захотіли вирушити разом з нами з міста подалі, до течії річки, де високі кам'янисті береги, до вершин гір або до скелястого берега моря, туди, де ламають камінь, добувають пісок чи підривають руду. Там усюди ми з вами знайдемо, чим зайнятися: і в мертвих скелях, пісках та камінні ми з вами навчимося читати якісь великі закони природи, які керують усім світом і за якими збудовано весь світ.

Вивченням кристалів займається фізика, стверджуючи, що будь-яке справді тверде тіло є кристалом. Хімія досліджує молекулярну будову кристалів, приходячи до висновку, що будь-який метал має кристалічну будову.

Вивчення дивовижних властивостей кристалів має велике значення у розвиток сучасних науки, техніки, будівельної промисловості та багатьох інших галузей.

Основні закони кристалів

Перше, на що звертають увагу при погляді на кристал – це ідеальна багатогранна форма, але вона є головною особливістю мінералу або металу.

При розбиванні кристала на маленькі уламки від ідеальної форми нічого не залишиться, але при цьому будь-який уламок, як і раніше, залишатиметься кристалом. Відмінною рисою кристала є його зовнішній вигляд, а характерні риси його внутрішньої будови.

Симетричність

Перше, що варто згадати і відзначити щодо кристалів - це явище симетрії. Воно широко поширене у навколишньому повсякденному житті. Симетричні крила метелика, відбиток ляпки на аркуші паперу, зігнутому навпіл. Симетричний снігові кристали. Шестикутна сніжинка має шість площин симетрії. Згинаючи малюнок по будь-якій лінії, що зображує площину симетрії сніжинки, можна поєднати один з одним дві половини.

Вісь симетрії має таку властивість, що, повертаючи фігуру на певний відомий кут навколо неї, можна поєднати між собою відповідні частини фігури. Залежно від розміру відповідного кута, на який потрібно повернути фігуру, в кристалах визначають осі 2-го, 3-го, 4-го та 6-го порядку. Таким чином, у сніжинках спостерігається єдина вісь симетрії шостого порядку, яка перпендикулярна до креслярської площини.

Центром симетрії вважається така точка у площині фігури, на однаковій відстані від якої у протилежному напрямку знаходяться однакові елементи будови фігури.

А що всередині?

Внутрішня будова кристалів – це своєрідне поєднання молекул і атомів у властивому лише кристалам порядку. Як дізнаються внутрішню будову частинок, якщо вони не видно навіть у мікроскоп?

Для цього використовуються рентгенівські промені. Застосовуючи їх просвічування кристалів, німецький фізик М. Лауе, англійські фізики батько та син Брегг, російський професор Ю. Вульф встановили закони, згідно з якими вивчається структура та будова кристалів.

Все виявилося дивовижним і несподіваним. Саме уявлення про будову молекули виявилося непридатним до кристалічного стану речовини.

Наприклад, така відома всім речовина, як кухонна сіль, має хімічний склад молекули NaCl. Але в кристалі окремі атоми хлору і натрію не складаються в окремі молекули, а утворюють певну конфігурацію, яка називається просторовою або кристалічною решіткою. Найдрібніші частинки хлору та натрію мають електричний зв'язок. Кристалічні грати солі складається в такий спосіб. Один із валентних електронів зовнішньої оболонки атома натрію впроваджується у зовнішню оболонку атома хлору, яка не повністю заповнена через відсутність у третій оболонці хлору восьмого електрона. Таким чином, у кристалі кожен іон як натрію, так і хлору належать не одній молекулі, а всьому кристалу. Через те, що атом хлору одновалентний, він може приєднати до себе лише один електрон. Але особливості будови кристалів призводять до того, що атом хлору оточений шістьма атомами натрію, неможливо визначити, який із них поділиться з хлором електроном.

Виходить, що хімічна молекула кухонної солі та її кристал – зовсім не те саме. Весь монокристал – це одна гігантська молекула.

Ґрати – тільки модель

Слід уникати помилок, коли просторові грати приймають за дійсну модель кристалічної будови. Ґрати – своєрідне умовне зображення прикладу з'єднання елементарних частинок у будові кристалів. Місця з'єднання решітки у вигляді кульок наочно дозволяють зобразити атоми, а лінії, що їх з'єднують - це зразкове зображення сполучних сил між ними.

Насправді проміжки між атомами всередині кристала набагато менше. Він є щільною упаковкою складових його частинок. Кулька - умовне позначення атома, використання якого дозволяє вдало відобразити властивості щільної упаковки. Насправді має місце не простий дотик атомів, а взаємне їх часткове перекривання один одним. Іншими словами, зображення кулі в будові кристалічних ґрат – це для наочності зображена сфера такого радіусу, яка вміщує основну частину електронів атома.

Запорука міцності

Між двома протилежно зарядженими іонами виникає електрична сила тяжіння. Вона є сполучною у будові іонних кристалів, таких як кухонна сіль. Але якщо сильно наблизити іони, то їх електронні орбіти перекриватимуть один одного, з'являться відштовхувальні сили однойменно заряджених частинок. Усередині кристала розподіл іонів такий, що сили, що відштовхують і притягують, знаходяться в рівновазі, забезпечуючи кристалічну міцність. Така будова характерна для іонних кристалів.

А в кристалічних ґратах алмазу та графіту має місце з'єднання атомів за допомогою загальних (колективних) електронів. У близько розташованих атомів є загальні електрони, які обертаються навколо ядра як одного, і сусіднього атомів.

Детальне вивчення теорії сил за таких зв'язків досить складно лежить у сфері квантової механіки.

Відмінності металів

Будова кристалів металів складніша. У зв'язку з тим, що атоми металу легко віддають наявні зовнішні електрони, вони можуть вільно переміщатися по всьому об'єму кристала, утворюючи всередині так званий електронний газ. Завдяки таким «блукаючим» електронам створюються сили, що забезпечують міцність металевого зливка. Вивчення будови реальних кристалів металу показує, що в залежності від способу охолодження металевого зливка в ньому можуть бути недосконалості: поверхневі, точкові та лінійні. Розміри таких дефектів не перевищують діаметр кількох атомів, але вони спотворюють кристалічну решітку та впливають на дифузійні процеси в металах.

Зростання кристала

Для зручнішого розуміння зростання кристалічної речовини можна як зведення цегляної будови. Якщо одну цеглу незакінченої кладки уявити як складову частину кристала, можна визначити, куди зростатиме кристал. Властивості енергетики кристала такі, що покладена перша цегла відчуватиме тяжіння з одного боку - знизу. При укладанні на другий – із двох сторін, а на третій – із трьох. У процесі кристалізації – переході з рідкого стану до твердого – відбувається виділення енергії (теплоти плавлення). Для найбільшої міцності системи її можлива енергія має прагнути мінімальної. Тому зростання кристалів відбувається за шаром. Спочатку буде добудовано ряд площин, потім вся площина, і тільки тоді починає будуватися наступна.

Наука про кристали

Основний закон кристалографії - науки про кристали - говорить про те, що всі кути між різними площинами кристалічних граней завжди постійні і однакові.Як би не спотворювався кристал, що росте, кути між його гранями зберігають одне і те ж значення, властиве даному виду. Незалежно від розміру, форми та числа, грані однієї площини кристала завжди перетинаються під однаковим зумовленим кутом. Закон сталості кутів було відкрито М.В. Ломоносовим у 1669 році і відіграв велику роль у вивченні будови кристалів.

Анізотропія

Своєрідність процесу формування кристалів обумовлено явищем анізотропії – фізичними характеристиками, що відрізняються, в залежності від напрямку зростання. Монокристали в різних напрямках по-різному проводять електрику, тепло і світло і мають неоднакову міцність.

Таким чином, той самий хімічний елемент з однаковими атомами може утворювати різні кристалічні решітки. Наприклад, вуглець може кристалізуватися в алмаз і графіт. При цьому алмаз є прикладом максимальної міцності серед мінералів, а графіт легко залишає свої лусочки при листі олівцем на папері.

Вимірювання кутів між гранями мінералів має велике практичне значення визначення їх природи.

Основні властивості

Дізнавшись особливості будови кристалів, коротко можна описати їх основні властивості:

• Анізотропність – неоднаковість властивостей у різних напрямках.
• Однорідність – елементарні складові кристалів, однаково розташовані у просторі, мають однакові властивості.
• Здатність до самоограновування – будь-який уламок кристала в придатному для його зростання середовищі набуде багатогранної форми і покриється відповідними даним видом кристалів гранями. Саме ця властивість дозволяє кристалу зберігати свою симетричність.
• Постійна температура плавлення.Руйнування просторових ґрат мінералу, тобто перехід кристалічної речовини з твердого стану в рідке, завжди відбувається при одній і тій же температурі.

Кристали – тверді речовини, які прийняли природну форму симетричного багатогранника.