Кристаллография

 

        Содержание

                                                                                                          

 

1. Опешите, чём заключается закон постоянства углов  - -  - - 2 

 

2. Возникновение кристаллов. Почему часто 

     кристаллы  растут в форме дендрита?                         - - - - 4

 

3. Опишите методы изучения  минералов.                         - - - - 6

 

4. Класс    окислов    и    гидроокислов.  Опишите                  

    минералы  подкласса  цепочечной.                                 - - - - 8

 

5. Критическая точка (723°С), при которой 

аустенит   превращается в перлит, его состав.            - - - - 10

 

6. Список литературы.                                                        - - - - 11                                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Опишите,  в чем заключается закон постоянства  углов.

 

 

Когда кристалл растет, частицы  выстраиваются в закономерные и  симметричные ряды, сетки, решетки. Грани  кристаллических многогранников соответствуют  плоскостям, составленным из материальных частиц, ребра кристалла – линиям пересечения этих плоскостей, т. е. рядам материальных частиц.

Центры масс частиц могут  образовать плоские сетки и ряды решетки. Очевидно, любой ряд в  структуре соответствует возможному ребру кристалла, а любая плоскость – возможной грани кристалла.

Кристалл растет так, что частицы вещества из окружающей среды отлагаются на его гранях. Грани нарастают параллельно самим себе.

Меняются площади граней, их форма, какие-то грани могут вытесняться соседними и зарастать, но взаимный наклон граней остается неизменным. Поэтому углы между гранями тоже остаются постоянными.

В этом заключается количественный закон кристаллографии, открытый Николаем Стеноном (1669) – закон постоянства  углов: во всех кристаллах данного вещества при одинаковых условиях углы между соответствующими гранями кристаллов постоянны.

В законе под одинаковыми  условиями понимаются одинаковые температура  и давление. Тем самым подразумевается, что, если у вещества есть несколько  полиморфных модификаций, речь здесь идет об одной модификации.Кристаллы разных веществ отличаются друг от друга внешней формой. У кристаллов одного и того же вещества облик (габитус) может оказаться совсем различным, размеры, формы и даже число граней разные, но углы между соответствующими гранями кристаллов одного вещества всегда постоянны.Закон постоянства углов дает возможность свести все многообразие форм кристаллических многогранников к совокупности углов между гранями и изобразить их с помощью проекции.

Этот закон сыграл огромную роль в развитии кристаллографии. До открытия дифракции рентгеновских лучей и разработки рентгеноструктурного анализа кристаллические вещества характеризовали и отличали одно от другого только по углам между их гранями.

Закон постоянства гранных углов Стенона впоследствии дал начало учению о морфологической симметрии кристаллов — основе учения о симметрии любых фигур с особенной точкой. Напомним слова А.В Шубникова об особенных элементах фигуры: «Точка (прямая, плоскость) фигуры (или ее части) называется особенной, если она совмещается с собою всеми операциями фигуры (или ее части). Особенные геометрические элементы существуют в фигурах в единственном числе». Центр сферы, ось конуса, поперечная плоскость цилиндра—соответственно особенные точка, линия, плоскость; трехмерное пространство в классическом учении о пространственной симметрии кристаллов — также особенный геометрический элемент.

Существует несколько  наименований фигур с особенными точками. Чаще всего их называют конечными или строже точечными фигурами, реже — фигурами симметрии нулевого измерения. Последние могут быть разделены на две категории: фигуры без особенных плоскостей и фигуры с особенными плоскостями. Все платоновы тела и шар принадлежат к фигурам первой категории. К фигурам второй категории принадлежат так называемые розетки (одно- и двусторонние). Примеры односторонних розеток — фигуры пуговицы, цветка растения, насекомого, детской бумажной вертушки, фигуры травления на гранях кристалла; примеры двусторонних розеток - решетки ворот, колеса, кольца, платки с одинаковым рисунком с обеих сторон, буквы без лица и изнанки (П, Н, Ж ), снежинки, фигуры млекопитающих, если смотреть на них сбоку (при другой ориентации они предстанут уже в виде односторонних розеток). Таким образом, и у тех и у других розеток имеется одна особенная плоскость с особенной точкой в ней. При этом у односторонних розеток эта плоскость полярна, т. е. ее «лицо» отлично от «изнанки», а у двусторонних она не полярна и может являться поэтому плоскостью симметрии.

По-видимому, будет правильно  связать развитие учения о симметрии  нулевого измерения с построениями древними математиками таких типичных конечных фигур, как многоугольники и многогранники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  Возникновение кристаллов. Почему часто кристаллы растут в форме дендрита?

 

В природе кристаллы  образуются при различных геологических  процессах из растворов, расплавов, газовой или твердой фазы.

Значительная часть  минеральных видов произошла  путем кристаллизации из водных растворов. Примеры выпадения кристаллов из раствора – выпадение кристаллов солей в замкнутых водоемах; рост кристаллов на стенках трещин и полостей при гидротермальных процессах, на больших глубинах в условиях высоких давлений и температур; образование отдельных кристаллов вторичных минералов в зонах окисления рудных месторождений.

Образование кристаллов из расплавов. Если магматический очаг располагается на большой глубине  и его остывание идет медленно, то магма успевает хорошо раскристаллизоваться и кристаллы вырастают достаточно крупными и хорошо ограненными. Если магма застывает внезапно, могут образоваться некристаллические минералы и горные породы. Внезапное застывание магмы происходит при извержении вулканов. Потоки застывшей лавы дает начало не кристаллическим, а стекловидным породам.

Образование кристаллов в результате конденсации газов  или из паров. Кристаллизоваться  могут не только водяные пары, но и пары других веществ. Пример- на фумаролах  образуются кристаллы из газов.

Образование кристаллов при перекристаллизации твердых веществ. При переходе из твердого состояния в твердое выделяют 2 случая:

1. Кристаллическое вещество  образуется из аморфного–например, с течением времени закристаллизовываются  содержащие стекла кристаллические  породы.

2. Перекристаллизация – это процесс, при котором структура одних веществ разрушается, и образуются новые кристаллы с другой структурой. Например, известняк под действием высоких температур и давления становится мрамором. Перекристаллизация связана с таким явлением как метосамотоз – преобразование горной породы или минерала в другую горную породу или минерал под воздействием привноса или выноса вещества.

Материальные частицы (атомы, молекулы, ионы), слагающие газообразные или жидкие (расплавленные) вещества, обладая высокой кинетической энергией, находятся в непрерывном движении. Время от времени они сталкиваются, образуя зародыши – микроскопические фрагменты будущей структуры. Чаще всего такие зародыши распадаются, что связано либо с собственными колебаниями, либо с бомбардировкой их свободными частицами. Однако для начала кристаллизации необходимо, чтобы зародыш достиг критической величины, т.е. содержал такое количество частиц, при котором присоединение следующей частицы сделало бы разрастание зародыша энергетически более выгодным, чем его распад. Такая возможность для большинства веществ проявляется либо с понижением температуры, в результате чего уменьшаются температурные колебания, либо с повышением концентрации вещества в растворе или газе, что приводит к увеличению вероятности встречи частиц друг с другом, то есть к возникновению зародышей.

Таким образом, рост кристаллов можно рассматривать как процесс, посредством которого мельчайшие кристаллические  частицы – зародыши – достигают  макроскопических размеров. Причем кристаллизация протекает не во всем объеме, а лишь там, где возникнут зародыши. Факторами, влияющими на появление зародышей, являются не только переохлаждение и повышение концентрации раствора или вязкости расплава, но и присутствие посторонних обломков кристаллов или пылинок, на поверхности которых собираются частицы, упрощая этим начало кристаллизации.

Процесс кристаллизации является энергетически выгодным. Растущий кристалл не принимает равновесную  форму вследствие того, что на него влияют различные изменяющиеся условия кристаллизации: температура, давление, сила тяжести, химический состав и динамика среды и т.д.

Формы роста  кристаллов

При различных отклонениях  от идеальных условий кристаллизации (например, в вязких, загрязненных или  сильно пересыщенных средах) вырастают экзотические образования. Опыт показывает, что при малых пресыщениях и переохлаждениях на фронте роста возникают совершенные – гранные – формы кристаллов. С увеличением отклонения от равновесия кристаллы меняют свой облик, превращаясь в скелеты, дендриты (от греч. Дендрон – дерево), нитевидные образования или кристаллы сферической формы. Указанные формы различаются тем, что скелетные кристаллы – это монокристаллы, а дендриты – чаще всего поликристаллические агрегаты.

Кристаллизация идет одновременно с продуцированием самого ее вещества, а кристаллизатор - полость или система щелей в горной породе служит одновременно и реакционным котлом. Но если нас интересует энергетический расклад процесса, то следует условно разделить его на две фазы: реакцию продуцирования частиц меди и отдельно - сборку их этих частиц кристалла самородной меди.     

 …Питающий раствор  застаивается в трещине, где  растет медный самородок. Питание  он получает только за счет  диффузии реагентов. Пересыщение  достаточно велико, чтобы обеспечить высокую скорость роста, но вялый массоперенос к поверхности самородка обрекает его на голодный режим. Процесс идет быстрее там, где есть более свежий раствор. Будь у нас возможность наблюдать происходящее воочию, мы решили бы, что за дело взялся сам кристалл: он сам ищет себе пищу. Огибая препятствия, проникая в промежутки между зернами вмещающей породы, он разрастается отдельными ветвями, и каждая стремится развиваться в сторону более крепкого раствора, подальше от конкурирующих соседних ветвей. Вопреки требованию минимизации, поверхность кристалла развивается чрезвычайно; но благодаря этому «цель» достигается за кратчайшее время. Так образуется дендрит.

3.  Опишите  методы изучения минералов.

 

В студенческой практике, для того чтобы научиться простыми методами определять распространенные в земной коре минералы, приходится иметь дело с более или менее крупными кристаллами или же с однородными минеральными массами. Для этой цели обычно пользуются внешними диагностическими признаками изучаемых минералов, описанными в главе II. Многие из минералов, особенно те, которые могут содержать ценные для промышленности металлы, требуют дополнительных исследований с помощью паяльной трубки и элементарных качественно-химических реакций, излагаемых в специально составленных определителях.

Однако более редко  встречающиеся или трудно определимые  простыми методами минералы, обнаруживаемые при систематических минералогических исследованиях, могут быть достоверно определены лишь при условии применения более совершенных методик. Необходимость этих детальных исследований появляется во всех случаях, когда возникает задача более полного познания состава природных образований:

- при петрографическом изучении горных пород, необходимом для составления геологических карт;

- при освоении какого-либо нового месторождения, в связи с чем ставится задача всестороннего изучения вещественного состава руд с целью решения вопросов о комплексном использовании всех компонентов сырья;

- при специальных исследованиях в районах, особо интересных в минералогическом отношении;

- при решении вопросов геохимии, требующих углубленных исследований минерального вещества, и т. д.

При детальном изучении минералов в случае необходимости  применяют обычно следующие методы исследования: кристаллохимический, рентгенометрический , кристаллооптический, термический и химикоаналитический совместно с спектральным и иногда рентгеноспектральным анализом.

Кристаллохимический анализ, разработанный Е. С. Федоровым, может быть применен в тех случаях, когда мы имеем дело с кристаллами, и притом достаточно крупными, чтобы можно было измерить углы между гранями кристаллов на гониометре*. Этим путем удается не только установить сингонию и вид симметрии кристаллов, но и определить состав минерала. В последнее время его школой разрабатываются определители кристаллов с учетом углов между гранями, комбинаций простых форм и оптических констант.

Рентгенометрический анализ, применяемый для определения вещества путем сравнения рентгенограмм, может быть произведен различными методами, из которых наиболее употребительны: метод вращения кристалла(Поляни), метод рентгеновского гониометра (Вейссенберга) и метод порошка (Дебая).

Кристаллооптический анализ сводится к определению с помощью микроскопа ряда оптических констант, свойственных изучаемому минералу.

Прозрачные минералы горных пород и руд исследуются в тонких шлифах (толщиной около 0,02 мм) или в виде порошков.

 

Непрозрачные минералы, слагающие главным образом руды месторождений металлических полезных ископаемых, а также встречающиеся в виде включений в горных породах, изучаются в зеркально отполированных шлифах в отраженном свете под микроскопом с помощью специального осветителя, называемого опак-иллюминатором.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.  Класс    окислов    и    гидроокислов.    Опишите    минералы подкласса цепочечной

 

 

Окислы и  гидроокислы — минералы, являющиеся соединениями металлов и неметаллов с кислородом.

 

В зависимости  от химических свойств окислы разделяют

Кислотные или ангидриты (SiO₂ и другие).

Основные (СаО и другие).

Амфотерные (Al₂O₃ и другие)

Безразличные или индифферентные (редкие)

Солеобразные (FeFe₂O₄ и другие).

По составу среди окислов выделяют: простые, сложные и гидроокислы.

Простые окислы — это соединения одного элемента с кислородом. Широко распространены окислы двух-, трёх-, четырехвалентных элементов. Редки окислы с формулами А₂О₃, А₂О₄. Катион чаще всего представлен H, Si, Al, Fe, Ti, Mn, Sn, Pb, Mg, As, Sb, Bi, Cu, U и редко другими элементами.

Структура таких окислов  очень проста. Координационные числа катионов обычно 4 или 6. Физические и оптические свойства простых окислов варьируются в широких пределах. Ряд простых окислов характерен для зон окисления, осадочных месторождений, эндогенных месторождений. Такие окислы как корунд, гематит и др., чаще всего встречаются в метаморфогенных месторождениях.

Сложные окислы — представляют собой соединения с кислородом двух или более металлов различной валентности. Поскольку окислы некоторых металлов, входящих в сложные окислы, являются ангидритами, эти сложные окислы могут рассматриваться как соли соответствующих кислот: Алюминаты, антимонаты, антимониты, титанаты, ниобаты, танталаты и т.п. Среди сложных окислов различного состава распространены окислы с формулой АВ₂О₄, в которых А = Mg, Fe²⁺, Zn, Mn²⁺, Ni, Be, Cu; В = Al, Fe³⁺, Cr, Mg³⁺. К ним относятся минералы рядов шпинели, магнетита, хромита и других. Весьма важные сложные окислы содержат Nb, Ta, Ti, U, Th, TR.

Сложные окислы обычно имеют  твёрдость по шкале Мооса 4—8, повышенный удельный вес и высокий показатель преломления. Некоторые из них непрозрачны. Образуются они при различных процессах , однако, наиболее характерны для эндогенных, частично магматических, скарновых и высокотемпературных гидротермальных месторождений.

Гидроокислы - представляют собой соединения металлов с гидроксильной группой [OH]⁻, полностью или частично замещающую ионы кислорода в окислах.

Простые гидроокислы. В  них представлены катионы Fe³⁺, Al, Mg, Mn, Са, В, W и некоторых других металлов.

Большинство гидроокислов имеют слоистую структуру, характеризующуюся гексагональной или близкой к ней плотнейшей упаковкой ионов [OH]⁻. Большая часть гидроокислов образует пластинчатые кристаллы с совершенной спайностью, параллельной слоям структуры. Твердость по шкале Мооса 2-5, удельный вес малый. Образуются при низких температурах. Наиболее характерны для экзогенных месторождений и зон окисления.

Выделяют следующие группы минералов

Окислы меди (куприт)

Окислы и гидроокислы  алюминия (Корунд, диаспор, бёмит, гидраргиллит, боксит, шпинель)

Окислы и гидроокислы  железа, окислы титана и хрома (гематит, магнетит, гётит, лепидокрокит, лимонит, рутил, ильменит, хромит)

Окислы и гидроокислы марганца (пиролюзит, манганит, псиломелан, вад)

Окислы и гидроокислы  олова, урана, тантала и ниобия (касситерит, уранинит, колумбит, танталит, пирохлор, микролит)

Окислы мышьяка, сурьмы, висмута, молибдена и вольфрама (арсенолит, сенармонтит, валентинит, бисмит, ферримолибдит, тунгстит).

Многие окислы и гидроокислы  являются важными рудами на Fe, Al, Mn, Cr, Sn, U, Cu и другие.

5.3 Цепочечные и ленточные силикаты

К подклассам цепочечных и ленточных силикатов относятся  в первую очередь главные породообразующие минералы – пироксены (диопсид, геденбергит, эгирин и др.) и амфибиолы (актинолит, роговая обманка и др.), а также  ряд менее распространенных минералов. Имеется много черт подобия пироксенов и амфибиолов по структуре и составу, по морфологии их кристаллов и физическим свойствам, но есть и существенные различия, опять же вытекающие из особенностей структуры и состава.

Пироксены и амфибиолы  имеют сходный, довольно простой химический состав. Чаще всего силикаты магния либо двойные соли магния и кальция, во многих минералах кроме них обязательно присутствует натрий. Итак, в основном три элемента – магний, кальций и натрий – в разных сочетаниях. В качестве постоянной изоморфной примеси в позициях магния размещается железо, иногда полностью вытесняя магний. В некоторых случаях, обычно в ассоциации с натрием, в пироксены и амфибиолы входит алюминий, занимая или позиции магния, или внедряясь в радикал в позиции кремния. Наконец, есть редкие литиевые пироксены и амфибиолы.

Главным различием состава  пироксенов и амфибиолов является обязательное вхождение в последние конституционной  воды в форме дополнительных анионов (OH)^-.

Цепочечные структуры образованы бесконечными одномерными радикалами, которые состоят из линейно-связанных координационных полиэдров. Расстояние между атомами в пределах цепочек меньше, а прочность химических связей больше, чем между ним.

 

5.  Критическая  точка (723°С), при которой аустенит   превращается в перлит, его состав.

 

Аустенит представляет собою твердый раствор углерода и других элементов в гамма-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в ау-стените — это 2%. Аустенит образуется при затвердевании жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур.

В обычных сталях аустенит устойчив только лишь при температуре  выше критических точек. При охлаждении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры. При комнатной температуре аустенит полностью сохраняется в ряде марок нержавеющих сталей, в высокомарганцовистой стали и в незначительном количестве остается при закалке некоторых марок инструментальной и конструкционной сталей.

Аустенит мягок, пластичен, тягуч, мало упруг. Твердость его по Бринелю находится в пределах 170—220.

Аустенит немагнитен, обладает невысокой электропроводностью.  

Феррит представляет собой твердый раствор углерода и других элементов в альфа-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в феррите, это 0,04%. Феррит устойчив при температурах ниже критической точки A_C1. Он выделяется из аустенита при медленном охлаждении последнего ниже A_6i. Феррит мягок, сильно тягуч. Твердость HB= 60—100. Феррит магнитен до 768°. Свыше этой температуры он теряет магнитные свойства. 

Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом Fe₃C—карбид железа. Цементит содержит углерода 6,67%. Выделяется из жидкого и твердого раствора при медленном охлаждении. Цементит весьма тверд и хрупок. Твердость его НB= 800—820. Он магнитен до 210°. Выше этой температуры цементит теряет магнитные свойства. 

Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при медленном его охлаждении. Температура превращения аустенита в перлит 723°С. При весьма медленном переходе через эту температуру цементит образуется в виде зерен (глобулей), и тогда перлит называется зернистым. При более быстром охлаждении цементит приобретает форму пластинок, и такой перлит называется пластинчатым. При весьма быстром охлаждении в результате значительного переохлаждения аустенита вместо перлита получаются другие структуры, о которых речь будет ниже.

Перлит магнитен, прочен и пластичен. Твердость его находится  в пределах от 160 до 230 кг/мм² по Бринелю. При обработке резанием наиболее чистую поверхность дает структура зернистого перлита.

 

 

 

 

 

Список литература

 

К разделу «Кристаллография и минералогия»

 

1. Торопов Н.А., Булак Л.Н. Кристаллография и минералогия. Издание третье, переработанное и дополненное. – Ленинград, 1972. – 504 с.
2. Торопов Н.А., Булак Л.Н. Лабораторный практикум по минералогии. – Стройиздат, Ленинградское отделение, 1969. – 240 с.
3. Васильев Д.М. Физическая кристаллография: Учебное пособие для вузов. – М.: Металлургия, 1972. – 279 с.
4. Гумилевский С.А. и др. Кристаллография и минералогия: Учебное пособие для вузов /Гумилевский С.А., Луговский Г.П., Киршон В.М., Гинзбург А.И. – М.: Высш.шк., 1972. – 280 с.
5. Мейер К. Физико-химическая кристаллография /Пер. с нем.: Под ред. Щукина Е.Д. – М.: Металлургия, 1972. – 480 с.
6. Батти Х., Принг А. Минералогия для студентов: Пер. с англ. – М.: Мир, 2001– 429 с.
7. Кленов А.С. Занимательная минералогическая энциклопедия. – М.: Педагогика-Пресс, 2000. – 224 с.

К разделу «Металлография»

 

8. Смагулов Д.У.  Металлография – Алматы: КазНТУ, 2007-375с.
9. Лившиц Б.Г., Крапошин B.C., Липецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. - М, Металлургия,   1980_.
10. Бунин   Н.П., Баранов А.А. Металлография М.: Металлургия. 1990
11. Лившиц Б.Г. Металлография. М.: Металлургия. 1990. 334 с.
12. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. - М. : Металлургия, 1983.
13. Физическое металловедение Под реакцией Р.Кана и П. Хазена - М. : Металлургия, 1984.