Eigenschaften von Kristallen, Form und Syngonie (kristallographische Systeme)

Eine wichtige Eigenschaft eines Kristalls ist eine gewisse Übereinstimmung zwischen verschiedenen Flächen – die Symmetrie des Kristalls. Folgende Symmetrieelemente werden unterschieden:

1. Symmetrieebenen: Teilen Sie den Kristall in zwei symmetrische Hälften. Solche Ebenen werden auch „Symmetriespiegel“ genannt.

2. Symmetrieachsen: Gerade Linien, die durch die Mitte des Kristalls verlaufen. Die Drehung des Kristalls um diese Achse wiederholt die Form der Ausgangsposition des Kristalls. Es gibt Symmetrieachsen 3., 4. und 6. Ordnung, was der Anzahl solcher Positionen während der Drehung des Kristalls um 360 o entspricht.

3. Symmetriezentrum: Die Flächen des Kristalls, die der parallelen Fläche entsprechen, wechseln ihre Position, wenn sie um 180 ° um dieses Zentrum gedreht werden. Die Kombination dieser Symmetrieelemente und Ordnungen ergibt 32 Symmetrieklassen für alle Kristalle. Diese Klassen können entsprechend ihren gemeinsamen Eigenschaften in sieben Syngonien (kristallographische Systeme) eingeteilt werden. Mithilfe dreidimensionaler Koordinatenachsen können die Positionen von Kristallflächen bestimmt und ausgewertet werden.

Jedes Mineral gehört zu einer Symmetrieklasse, da es einen Typ von Kristallgitter aufweist, der es charakterisiert. Im Gegensatz dazu können Mineralien mit derselben chemischen Zusammensetzung Kristalle zweier oder mehrerer Symmetrieklassen bilden. Dieses Phänomen wird Polymorphismus genannt. Es gibt keine isolierten Beispiele für Polymorphismus: Diamant und Graphit, Calcit und Aragonit, Pyrit und Markasit, Quarz, Tridymit und Cristobalit; Rutil, Anatas (auch bekannt als Oktaedrit) und Brookit.

Syngonien (kristallographische Systeme). Alle Kristallformen bilden 7 Syngonien (kubisch, tetragonal, hexagonal, trigonal, rhombisch, monoklin, triklin). Die diagnostischen Anzeichen einer Syngonie sind die kristallographischen Achsen und die von diesen Achsen gebildeten Winkel.

In der triklinen Syngonie Es gibt eine Mindestanzahl an Symmetrieelementen. Darauf folgen in der Reihenfolge ihrer Komplexität die monoklinen, rhombischen, tetragonalen, trigonalen, hexagonalen und kubischen Syngonien.

Kubisches System. Alle drei Achsen sind gleich lang und stehen senkrecht zueinander. Typische Kristallformen: Würfel, Oktaeder, Rhombendodekaeder, Fünfeckdodekaeder, Tetragontrioktaeder, Hexaoktaeder.

Tetragonales System. Drei Achsen stehen senkrecht zueinander, zwei Achsen sind gleich lang, die dritte (Hauptachse) ist entweder kürzer oder länger. Typische Kristallformen sind Prismen, Pyramiden, Vierecke, Trapezoeder und Bipyramiden.

Sechseckige Syngonie. Die dritte und vierte Achse sind zur Ebene geneigt, gleich lang und schneiden sich in einem Winkel von 120°. Die vierte Achse, die sich in ihrer Größe von den anderen unterscheidet, steht senkrecht zu den anderen. Sowohl die Achsen als auch die Winkel ähneln in ihrer Lage der vorherigen Syngonie, die Symmetrieelemente sind jedoch sehr unterschiedlich. Typische Kristallformen sind dreiflächige Prismen, Pyramiden, Rhomboeder und Skalenoeder.

Rhombisches System. Charakteristisch sind drei Achsen, die senkrecht zueinander stehen. Typische Kristallformen sind basale Pinakoide, rhombische Prismen, rhombische Pyramiden und Bipyramiden.

Monokline Syngonie. Drei Achsen unterschiedlicher Länge, die zweite steht senkrecht zu den anderen, die dritte steht in einem spitzen Winkel zur ersten. Typische Kristallformen sind Pinakoide, Prismen mit schräg geschnittenen Kanten.

Triklinisches System. Alle drei Achsen sind unterschiedlich lang und schneiden sich in spitzen Winkeln. Typische Formen sind Monoeder und Pinakoide.

Form und Wachstum von Kristallen. Kristalle, die zur gleichen Mineralart gehören, sehen ähnlich aus. Ein Kristall kann daher als eine Kombination äußerer Parameter (Flächen, Winkel, Achsen) charakterisiert werden. Die relative Größe dieser Parameter ist jedoch recht unterschiedlich. Folglich kann ein Kristall je nach Entwicklungsgrad bestimmter Formen sein Aussehen (um nicht zu sagen Aussehen) verändern. Zum Beispiel eine Pyramidenform, bei der alle Flächen zusammenlaufen, säulenförmig (in einem perfekten Prisma), tafelförmig, blättrig oder kugelförmig.

Zwei Kristalle mit der gleichen Kombination äußerer Parameter können ein unterschiedliches Aussehen haben. Diese Kombination hängt von der chemischen Zusammensetzung des Kristallisationsmediums und anderen Bildungsbedingungen ab, zu denen Temperatur, Druck, Kristallisationsgeschwindigkeit eines Stoffes usw. gehören. In der Natur findet man gelegentlich regelmäßige Kristalle, die unter günstigen Bedingungen gebildet wurden – z , Gips in einem Tonmedium oder Mineralien an den Wänden der Geode. Die Flächen solcher Kristalle sind gut entwickelt. Umgekehrt werden Kristalle, die unter wechselnden oder ungünstigen Bedingungen entstehen, häufig deformiert.

EINHEITEN. Oft gibt es Kristalle, die nicht genügend Platz zum Wachsen haben. Diese Kristalle verschmolzen mit anderen und bildeten unregelmäßige Massen und Aggregate. Im freien Raum zwischen Gesteinen entwickelten sich Kristalle zu Drusen und in Hohlräumen zu Geoden. Von ihrer Struktur her sind solche Einheiten sehr vielfältig. In kleinen Kalksteinspalten finden sich Gebilde, die einem versteinerten Farn ähneln. Sie werden Dendriten genannt und entstehen durch die Bildung von Oxiden und Hydroxiden von Mangan und Eisen unter dem Einfluss von in diesen Rissen zirkulierenden Lösungen. Daher bilden sich Dendriten nie gleichzeitig mit organischen Rückständen.

Doppel. Bei der Kristallbildung entstehen oft Zwillinge, wenn zwei Kristalle derselben Mineralart nach bestimmten Regeln miteinander verwachsen. Doppelgänger sind oft schräg verschmolzene Individuen. Pseudosymmetrie manifestiert sich häufig – mehrere Kristalle der niedrigsten Symmetrieklasse wachsen zusammen und bilden Individuen mit einer Pseudosymmetrie höherer Ordnung. So bildet Aragonit, der zum Rautensystem gehört, häufig Zwillingsprismen mit hexagonaler Pseudosymmetrie. Auf der Oberfläche solcher Verwachsungen ist eine dünne Schraffur zu beobachten, die durch Zwillingslinien gebildet wird.

OBERFLÄCHE VON KRISTALLEN. Wie bereits erwähnt, sind ebene Flächen selten glatt. Nicht selten sind auf ihnen Schlüpfen, Streifenbildung oder Streifenbildung zu beobachten. Diese charakteristischen Merkmale helfen bei der Bestimmung vieler Mineralien – Pyrit, Quarz, Gips, Turmalin.

Pseudomorphäuser. Pseudomorphosen sind Kristalle, die die Form eines anderen Kristalls haben. Limonit kommt beispielsweise in Form von Pyritkristallen vor. Pseudomorphosen entstehen, wenn ein Mineral vollständig chemisch durch ein anderes ersetzt wird und dabei die Form des vorherigen behält.

Die Formen von Kristallaggregaten können sehr vielfältig sein. Das Foto zeigt ein strahlendes Natrolith-Aggregat.
Eine Gipsprobe mit Zwillingskristallen in Form eines Kreuzes.

Physikalische und chemische Eigenschaften. Nicht nur die äußere Form und Symmetrie eines Kristalls werden durch die Gesetze der Kristallographie und der Anordnung der Atome bestimmt – dies gilt auch für die physikalischen Eigenschaften des Minerals, die in verschiedene Richtungen unterschiedlich sein können. Glimmer kann sich beispielsweise nur in einer Richtung in parallele Platten trennen, sodass seine Kristalle anisotrop sind. Amorphe Stoffe sind in allen Richtungen gleich und daher isotrop. Solche Eigenschaften sind auch für die Diagnose dieser Mineralien wichtig.

Dichte. Die Dichte (spezifisches Gewicht) von Mineralien ist das Verhältnis ihres Gewichts zum Gewicht des gleichen Wasservolumens. Die Bestimmung des spezifischen Gewichts ist ein wichtiges Diagnoseinstrument. Es überwiegen Mineralien mit einer Dichte von 2-4. Eine vereinfachte Gewichtsschätzung hilft bei der praktischen Diagnostik: Leichte Mineralien haben ein Gewicht von 1 bis 2, Mineralien mittlerer Dichte – von 2 bis 4, schwere Mineralien von 4 bis 6, sehr schwere Mineralien – mehr als 6.

MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN. Dazu gehören Härte, Spaltbarkeit, Spanoberfläche, Zähigkeit. Diese Eigenschaften hängen von der Kristallstruktur ab und werden zur Auswahl einer Diagnosetechnik verwendet.

HÄRTE. Es ist recht einfach, einen Calcitkristall mit der Messerspitze zu zerkratzen, bei einem Quarzkristall ist dies jedoch unwahrscheinlich – die Klinge gleitet über den Stein, ohne einen Kratzer zu hinterlassen. Das bedeutet, dass die Härte dieser beiden Mineralien unterschiedlich ist.

Unter der Kratzhärte versteht man den Widerstand eines Kristalls gegen den Versuch einer äußeren Verformung der Oberfläche, also den Widerstand gegen mechanische Verformung von außen. Friedrich Moos (1773-1839) schlug eine relative Härteskala in Graden vor, wobei jedes Mineral eine höhere Ritzhärte aufweist als das vorherige: 1. Talk. 2. Gips. 3. Calcit. 4. Fluorit. 5. Apatit. 6. Feldspat. 7. Quarz. 8. Topas. 9. Korund. 10. Diamant. Alle diese Werte gelten nur für frische, unbewitterte Proben.

Sie können die Härte auf vereinfachte Weise beurteilen. Mineralien mit einer Härte von 1 lassen sich leicht mit dem Fingernagel zerkratzen; während sie sich fettig anfühlen. Die Oberfläche von Mineralien mit einer Härte von 2 wird ebenfalls mit dem Fingernagel zerkratzt. Kupferdraht oder ein Stück Kupfer zerkratzen Mineralien mit einer Härte von 3. Die Spitze eines Taschenmessers zerkratzt Mineralien bis zu einer Härte von 5; gute neue Feile - Quarz. Mineralien mit einer Härte von mehr als 6 zerkratzen das Glas (Härte 5). Von 6 auf 8 reicht nicht einmal eine gute Datei; Funken fliegen, wenn du es versuchst. Um die Härte zu bestimmen, testen Sie Proben mit zunehmender Härte, solange sie nachgeben; dann wird eine Probe entnommen, was offenbar noch schwieriger ist. Das Gegenteil sollte erfolgen, wenn die Härte eines Minerals bestimmt werden soll, das von einem Gestein umgeben ist, dessen Härte geringer ist als die des für die Probe benötigten Minerals.

Talk und Diamant, zwei Mineralien an den Enden der Mohsschen Härteskala.

Ob ein Mineral über die Oberfläche eines anderen gleitet oder diese mit einem leichten Quietschen zerkratzt, lässt sich leicht auf einen Rückschluss schließen. Folgende Fälle können auftreten:
1. Die Härte ist gleich, wenn Probe und Mineral sich nicht gegenseitig zerkratzen.
2. Es ist möglich, dass sich beide Mineralien gegenseitig zerkratzen, da die Spitzen und Leisten des Kristalls härter sein können als die Kanten oder Spaltungsebenen. Daher ist es möglich, die Oberfläche eines Gipskristalls oder seine Spaltungsebene mit der Oberseite eines anderen Gipskristalls zu zerkratzen.
3. Das Mineral zerkratzt die erste Probe und eine Probe einer höheren Härteklasse hinterlässt einen Kratzer darauf. Seine Härte liegt im Mittelfeld der Vergleichsproben und kann auf eine halbe Klasse geschätzt werden.

Trotz der scheinbaren Einfachheit einer solchen Härtebestimmung können viele Faktoren zu einem falschen Ergebnis führen. Nehmen wir zum Beispiel ein Mineral, dessen Eigenschaften in verschiedene Richtungen stark variieren, wie Disthen (Kyanit): Vertikal beträgt die Härte 4-4,5, und die Messerspitze hinterlässt eine deutliche Markierung, aber in senkrechter Richtung beträgt die Härte 6-4,5. 7 und das Mineral wird überhaupt nicht mit einem Messer zerkratzt. Der Ursprung des Namens dieses Minerals ist mit diesem Merkmal verbunden und betont es sehr ausdrucksstark. Daher ist es notwendig, Härteprüfungen in verschiedenen Richtungen durchzuführen.

Einige Aggregate haben eine höhere Härte als die Bestandteile (Kristalle oder Körner), aus denen sie bestehen; Es kann sich herausstellen, dass ein dichtes Stück Gips mit dem Fingernagel schwer zu zerkratzen ist. Im Gegensatz dazu sind einige poröse Aggregate weniger fest, was durch das Vorhandensein von Hohlräumen zwischen den Körnern erklärt wird. Daher wird Kreide mit dem Fingernagel zerkratzt, obwohl sie aus Calcitkristallen mit einer Härte von 3 besteht. Eine weitere Fehlerquelle sind Mineralien, die irgendeine Veränderung erfahren haben. Eine Beurteilung der Härte von pulverförmigen, verwitterten Proben oder Aggregaten mit schuppiger und nadelförmiger Struktur ist mit einfachen Mitteln nicht möglich. In solchen Fällen ist es besser, andere Methoden zu verwenden.

Dekollete. Durch Schlagen mit einem Hammer oder Drücken eines Messers können die Kristalle entlang der Spaltungsebenen manchmal in Platten geteilt werden. Die Spaltung erfolgt entlang von Ebenen mit minimaler Haftung. Viele Mineralien weisen eine Spaltung in mehrere Richtungen auf: Halit und Bleiglanz – parallel zu den Würfelflächen; Fluorit - entlang der Flächen des Oktaeders, Calcit - Rhomboeder. Moskauer Glimmerkristall; Spaltungsebenen sind deutlich sichtbar (im Foto rechts).

Mineralien wie Glimmer und Gips weisen eine perfekte Spaltung in eine Richtung, eine unvollständige oder keine Spaltung in andere Richtungen auf. Bei sorgfältiger Beobachtung kann man die dünnsten Spaltungsebenen innerhalb transparenter Kristalle entlang genau definierter kristallographischer Richtungen erkennen.

Bruchfläche. Viele Mineralien wie Quarz und Opal spalten sich nicht in beide Richtungen. Ihre Masse zerfällt in unregelmäßige Stücke. Die Spaltfläche kann als flach, uneben, muschelförmig, halbmuschelförmig und rau beschrieben werden. Metalle und harte Mineralien haben eine raue Spaltoberfläche. Diese Eigenschaft kann als Diagnosefunktion dienen.

Andere mechanische Eigenschaften. Einige Mineralien (Pyrit, Quarz, Opal) zerbrechen bei einem Hammerschlag in Stücke – sie sind spröde. Andere hingegen verwandeln sich in Pulver, ohne Rückstände zu hinterlassen.

Formbare Mineralien können abgeflacht werden, wie zum Beispiel reine native Metalle. Sie bilden weder Pulver noch Fragmente. Dünne Glimmerplatten können wie Sperrholz gebogen werden. Nach Beendigung der Einwirkung kehren sie in ihren ursprünglichen Zustand zurück – das ist die Eigenschaft der Elastizität. Andere, wie Gips und Pyrit, können gebogen werden, behalten aber ihren verformten Zustand bei – das ist die Eigenschaft, flexibel zu sein. Solche Merkmale ermöglichen es, ähnliche Mineralien zu erkennen – beispielsweise elastischen Glimmer von flexiblem Chlorit zu unterscheiden.

Färbung. Manche Mineralien haben eine so reine und schöne Farbe, dass sie als Farben oder Lacke verwendet werden. Oft werden ihre Namen in der Alltagssprache verwendet: Smaragdgrün, Rubinrot, Türkis, Amethyst usw. Die Farbe von Mineralien, eines der wichtigsten diagnostischen Merkmale, ist weder dauerhaft noch ewig.

Es gibt eine Reihe von Mineralien, bei denen die Farbe konstant ist – Malachit ist immer grün, Graphit ist schwarz, natürlicher Schwefel ist gelb. Gewöhnliche Mineralien wie Quarz (Bergkristall), Calcit, Halit (Kochsalz) sind farblos, wenn sie frei von Verunreinigungen sind. Allerdings verursacht die Anwesenheit des letzteren eine Färbung, und wir kennen blaues Salz, gelben, rosafarbenen, violetten und braunen Quarz. Fluorit hat eine ganze Reihe von Farben.

Das Vorhandensein von Verunreinigungselementen in der chemischen Formel des Minerals führt zu einer ganz bestimmten Farbe. Dieses Foto zeigt grünen Quarz (Prase), in seiner reinen Form ist er völlig farblos und transparent.

Turmalin, Apatit und Beryll haben unterschiedliche Farben. Die Färbung ist kein eindeutiges diagnostisches Zeichen für Mineralien mit unterschiedlichen Farbtönen. Die Farbe des Minerals hängt auch vom Vorhandensein von im Kristallgitter enthaltenen Verunreinigungselementen sowie von verschiedenen Pigmenten, Verunreinigungen und Einschlüssen im Wirtskristall ab. Manchmal kann es mit Strahlenbelastung verbunden sein. Manche Mineralien verändern je nach Lichteinfall ihre Farbe. Alexandrit ist also bei Tageslicht grün und bei künstlichem Licht lila.

Bei einigen Mineralien ändert sich die Farbintensität, wenn die Kristallflächen relativ zum Licht gedreht werden. Die Farbe des Cordieritkristalls ändert sich während der Rotation von blau nach gelb. Der Grund für dieses Phänomen liegt darin, dass solche Kristalle, sogenannte pleochroische Kristalle, Licht je nach Strahlrichtung unterschiedlich absorbieren.

Die Farbe einiger Mineralien kann sich auch ändern, wenn ein andersfarbiger Film vorhanden ist. Diese Mineralien werden durch Oxidation mit einer Schicht überzogen, die möglicherweise die Wirkung von Sonnenlicht oder künstlichem Licht irgendwie abschwächt. Manche Edelsteine ​​verlieren ihre Farbe, wenn sie längere Zeit dem Sonnenlicht ausgesetzt werden: Smaragde verlieren ihre tiefgrüne Farbe, Amethyst und Rosenquarz werden blass.

Viele silberhaltige Mineralien (z. B. Pyrargyrit und Proustit) reagieren auch empfindlich auf Sonnenlicht (Sonneneinstrahlung). Apatit wird unter dem Einfluss der Sonneneinstrahlung mit einem schwarzen Schleier bedeckt. Sammler sollten solche Mineralien vor Lichteinwirkung schützen. Die rote Farbe von Realgar verwandelt sich in der Sonne in Goldgelb. Solche Farbveränderungen erfolgen in der Natur sehr langsam, es ist jedoch möglich, die Farbe eines Minerals sehr schnell künstlich zu ändern und so die in der Natur ablaufenden Prozesse zu beschleunigen. Beispielsweise kann man aus violettem Amethyst durch Erhitzen gelben Citrin gewinnen; Diamanten, Rubine und Saphire werden mit Hilfe radioaktiver Bestrahlung und ultravioletter Strahlen künstlich „veredelt“. Bergkristall verwandelt sich durch starke Bestrahlung in Rauchquarz. Achat kann, wenn seine graue Farbe nicht sehr attraktiv aussieht, gefärbt werden, indem gewöhnlicher Anilin-Textilfarbstoff in eine kochende Lösung getaucht wird.

PULVERFARBE (DASH). Die Farbe der Linie wird durch Reiben an der rauen Oberfläche von unglasiertem Porzellan bestimmt. Dabei darf man nicht vergessen, dass Porzellan eine Härte von 6-6,5 auf der Mohs-Skala hat und Mineralien mit größerer Härte nur ein weißes Pulver aus zerstoßenem Porzellan hinterlassen. Pulver kann man immer im Mörser bekommen. Farbige Mineralien ergeben immer eine hellere Linie, ungefärbte und weiße - weiß. Normalerweise wird bei Mineralien, die künstlich gefärbt sind oder Verunreinigungen und Pigmente enthalten, eine weiße oder graue Linie beobachtet. Oft ist es sozusagen getrübt, da seine Intensität in einer verdünnten Farbe durch die Konzentration des Farbstoffs bestimmt wird. Die Farbe des Merkmals von Mineralien mit metallischem Glanz unterscheidet sich von ihrer Eigenfarbe. Gelber Pyrit ergibt einen grünlich-schwarzen Streifen; Schwarzer Hämatit ist kirschrot, schwarzer Wolframit ist braun und Kassiterit ist ein fast ungefärbter Streifen. Anhand einer farbigen Linie können Sie ein Mineral schneller und einfacher identifizieren als an einer verdünnten oder farblosen Linie.

SCHEINEN. Ebenso wie die Farbe ist dies eine wirksame Methode zur Identifizierung eines Minerals. Der Glanz hängt davon ab, wie Licht an der Oberfläche des Kristalls reflektiert und gebrochen wird. Es gibt Mineralien mit metallischem und nichtmetallischem Glanz. Sind sie nicht zu unterscheiden, kann man von einem halbmetallischen Glanz sprechen. Undurchsichtige Metallmineralien (Pyrit, Bleiglanz) sind stark reflektierend und haben einen metallischen Glanz. Für eine andere wichtige Gruppe von Mineralien (Zinkblende, Kassiterit, Rutil usw.) ist es schwierig, den Glanz zu bestimmen. Bei Mineralien mit nichtmetallischem Glanz werden nach Intensität und Eigenschaften des Glanzes folgende Kategorien unterschieden:

1. Diamant glänzt, wie ein Diamant.
2. Glasglanz.
3. Öliger Glanz.
4. Stumpfer Glanz (für Mineralien mit schlechtem Reflexionsvermögen).

Der Glanz kann mit der Struktur des Aggregats und der Richtung der dominanten Spaltung zusammenhängen. Mineralien haben eine dünnschichtige Struktur und einen perlmuttartigen Glanz.

TRANSPARENZ. Die Transparenz eines Minerals ist eine Eigenschaft, die sehr unterschiedlich ist: Ein undurchsichtiges Mineral kann leicht als transparent eingestuft werden. Der Großteil der farblosen Kristalle (Bergkristall, Halit, Topas) gehört zu dieser Gruppe. Die Transparenz hängt von der Struktur des Minerals ab – einige Aggregate und kleine Körner aus Gips und Glimmer erscheinen undurchsichtig oder durchscheinend, während die Kristalle dieser Mineralien transparent sind. Betrachtet man jedoch kleine Körnchen und Aggregate mit der Lupe, erkennt man, dass sie durchsichtig sind.

BRECHUNGSINDEX. Der Brechungsindex ist eine wichtige optische Konstante eines Minerals. Die Messung erfolgt mit speziellen Geräten. Wenn ein Lichtstrahl in einen anisotropen Kristall eindringt, wird der Strahl gebrochen. Eine solche Doppelbrechung erweckt den Eindruck, dass sich parallel zum untersuchten Kristall ein virtuelles zweites Objekt befindet. Ein ähnliches Phänomen kann durch einen transparenten Calcitkristall beobachtet werden.

LUMINESZENZ. Einige Mineralien wie Scheelit und Willemit leuchten bei Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen mit einem bestimmten Licht, das in manchen Fällen einige Zeit anhalten kann. Fluorit leuchtet, wenn er an einem dunklen Ort erhitzt wird – dieses Phänomen wird Thermolumineszenz genannt. Wenn einige Mineralien gerieben werden, entsteht eine andere Art von Leuchten – Tribolumineszenz. Diese unterschiedlichen Lumineszenzarten sind ein Merkmal, das die Diagnose einer Reihe von Mineralien erleichtert.

WÄRMELEITFÄHIGKEIT. Wenn Sie ein Stück Bernstein und ein Stück Kupfer in die Hand nehmen, scheint es, dass eines davon wärmer ist als das andere. Dieser Eindruck ist auf die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit dieser Mineralien zurückzuführen. So können Sie Glasimitationen von Edelsteinen unterscheiden; Dazu müssen Sie einen Kieselstein an der Wange anbringen, wo die Haut empfindlicher auf Hitze reagiert.

Die folgenden Eigenschaften kann dadurch bestimmt werden, welche Gefühle sie bei einer Person hervorrufen. Graphit und Talk fühlen sich glatt an, während Gips und Kaolin sich trocken und rau anfühlen. Wasserlösliche Mineralien wie Halit, Sylvinit, Epsomit haben einen spezifischen Geschmack – salzig, bitter, sauer. Einige Mineralien (Schwefel, Arsenopyrit und Fluorit) haben einen leicht erkennbaren Geruch, der sofort beim Auftreffen auf die Probe auftritt.

MAGNETISMUS. Fragmente oder Pulver bestimmter Mineralien, vor allem solcher mit hohem Eisengehalt, können mit einem Magneten von anderen ähnlichen Mineralien unterschieden werden. Magnetit und Pyrrhotin sind stark magnetisch und ziehen Eisenspäne an. Einige Mineralien wie Hämatit erhalten magnetische Eigenschaften, wenn sie glühend heiß erhitzt werden.

CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN. Die Bestimmung von Mineralien anhand ihrer chemischen Eigenschaften erfordert neben spezieller Ausrüstung auch umfassende Kenntnisse der analytischen Chemie.

Es gibt eine einfache Methode zur Bestimmung von Carbonaten, die Laien zur Verfügung steht – die Wirkung einer schwachen Salzsäurelösung (stattdessen können Sie gewöhnlichen Tafelessig nehmen – verdünnte Essigsäure, die es in der Küche gibt). Auf diese Weise können Sie eine farblose Calcitprobe leicht von weißem Gips unterscheiden – Sie müssen eine Säure auf die Probe tropfen. Gips reagiert darauf nicht und Calcit „kocht“, wenn Kohlendioxid freigesetzt wird.

Die Haupteigenschaften von Kristallen – Anisotropie, Homogenität, Fähigkeit zur Selbstverbrennung und das Vorhandensein einer konstanten Schmelztemperatur – werden durch ihre innere Struktur bestimmt.

Reis. 1. Ein Beispiel für Anisotropie ist ein Kristall des Minerals Disthen. In Längsrichtung beträgt seine Härte 4,5, in Querrichtung 6. © Parent Géry

Diese Eigenschaft wird auch Disparität genannt. Dies drückt sich darin aus, dass die physikalischen Eigenschaften von Kristallen (Härte, Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Lichtausbreitungsgeschwindigkeit) in verschiedenen Richtungen nicht gleich sind. Partikel, die entlang nichtparalleler Richtungen eine kristalline Struktur bilden, sind in unterschiedlichen Abständen voneinander getrennt, wodurch die Eigenschaften einer kristallinen Substanz entlang solcher Richtungen unterschiedlich sein sollten. Ein charakteristisches Beispiel für einen Stoff mit ausgeprägter Anisotropie ist Glimmer. Die kristallinen Platten dieses Minerals lassen sich nur entlang von Ebenen parallel zu seiner Lamellenstruktur leicht spalten. In Querrichtung ist es wesentlich schwieriger, Glimmerplatten zu spalten.

Anisotropie zeigt sich auch darin, dass die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen in verschiedenen Richtungen unterschiedlich ist, wenn ein Kristall einem Lösungsmittel ausgesetzt wird. Dadurch erhält jeder Kristall beim Auflösen seine eigenen charakteristischen Formen, die als Ätzfiguren bezeichnet werden.

Amorphe Stoffe zeichnen sich durch Isotropie (Äquivalenz) aus – physikalische Eigenschaften manifestieren sich in alle Richtungen auf die gleiche Weise.

Gleichmäßigkeit

Es drückt sich darin aus, dass alle im Raum gleich ausgerichteten Elementarvolumina einer kristallinen Substanz in allen ihren Eigenschaften absolut identisch sind: Sie haben die gleiche Farbe, Masse, Härte usw. Somit ist jeder Kristall ein homogener, aber gleichzeitig anisotroper Körper.

Homogenität ist nicht nur kristallinen Körpern eigen. Feste amorphe Formationen können auch homogen sein. Aber amorphe Körper können nicht von sich aus eine polyedrische Form annehmen.

Fähigkeit zur Selbstbeherrschung

Die Fähigkeit zum Selbstschneiden drückt sich darin aus, dass jedes Fragment oder jede Kugel, die aus einem Kristall in einem für sein Wachstum geeigneten Medium geschnitzt wird, im Laufe der Zeit mit für diesen Kristall charakteristischen Flächen bedeckt wird. Dieses Merkmal hängt mit der Kristallstruktur zusammen. Eine Glaskugel beispielsweise verfügt nicht über eine solche Funktion.

Kristalle derselben Substanz können sich in ihrer Größe, der Anzahl der Flächen, Kanten und der Form der Flächen voneinander unterscheiden. Es hängt von den Bedingungen der Kristallbildung ab. Bei ungleichmäßigem Wachstum werden die Kristalle abgeflacht, verlängert usw. Die Winkel zwischen den entsprechenden Flächen des wachsenden Kristalls bleiben unverändert. Dieses Merkmal von Kristallen ist bekannt als Gesetz der Konstanz der Facettenwinkel. In diesem Fall können Größe und Form der Flächen in verschiedenen Kristallen derselben Substanz, der Abstand zwischen ihnen und sogar ihre Anzahl variieren, aber die Winkel zwischen den entsprechenden Flächen in allen Kristallen derselben Substanz bleiben unter denselben Bedingungen konstant von Druck und Temperatur.

Das Gesetz der Konstanz der Facettenwinkel wurde Ende des 17. Jahrhunderts vom dänischen Wissenschaftler Steno (1699) an Eisenglanz- und Bergkristallkristallen aufgestellt; später wurde dieses Gesetz von M.V. bestätigt. Lomonosov (1749) und der französische Wissenschaftler Rome de Lille (1783). Das Gesetz der Konstanz der Facettenwinkel wird als erstes Gesetz der Kristallographie bezeichnet.

Das Gesetz der Konstanz der Facettenwinkel erklärt sich aus der Tatsache, dass alle Kristalle einer Substanz in ihrer inneren Struktur identisch sind, d.h. haben die gleiche Struktur.

Nach diesem Gesetz werden die Kristalle einer bestimmten Substanz durch ihre spezifischen Winkel charakterisiert. Daher ist es durch die Messung der Winkel möglich, nachzuweisen, dass der untersuchte Kristall zu der einen oder anderen Substanz gehört. Darauf basiert eine der Methoden zur Kristalldiagnose.

Um Diederwinkel in Kristallen zu messen, wurden spezielle Geräte erfunden – Goniometer.

konstanter Schmelzpunkt

Es drückt sich darin aus, dass beim Erhitzen eines kristallinen Körpers die Temperatur bis zu einer bestimmten Grenze ansteigt; Bei weiterer Erwärmung beginnt die Substanz zu schmelzen und die Temperatur bleibt einige Zeit konstant, da die gesamte Wärme zur Zerstörung des Kristallgitters führt. Die Temperatur, bei der das Schmelzen beginnt, wird Schmelzpunkt genannt.

Amorphe Stoffe haben im Gegensatz zu kristallinen keinen klar definierten Schmelzpunkt. An den Abkühlungs- (oder Erwärmungs-)Kurven kristalliner und amorpher Substanzen kann man erkennen, dass es im ersten Fall zwei scharfe Knicke gibt, die dem Beginn und dem Ende der Kristallisation entsprechen; Im Falle der Abkühlung einer amorphen Substanz liegt eine glatte Kurve vor. Auf dieser Grundlage lassen sich kristalline von amorphen Stoffen leicht unterscheiden.

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Sind üblichKristalleigenschaften

Einführung

Kristalle sind Festkörper, die aufgrund ihrer inneren Struktur, d. h. einer von mehreren definierten regelmäßigen Anordnungen der Partikel, aus denen die Substanz besteht, eine natürliche äußere Form regelmäßiger symmetrischer Polyeder haben.

Die Festkörperphysik basiert auf der Idee der Kristallinität der Materie. Alle Theorien über die physikalischen Eigenschaften kristalliner Feststoffe basieren auf dem Konzept der perfekten Periodizität von Kristallgittern. Ausgehend von dieser Idee und den daraus folgenden Aussagen über die Symmetrie und Anisotropie von Kristallen haben Physiker eine Theorie der elektronischen Struktur von Festkörpern entwickelt. Diese Theorie ermöglicht eine strenge Klassifizierung von Festkörpern und die Bestimmung ihres Typs und ihrer makroskopischen Eigenschaften. Es erlaubt jedoch nur die Klassifizierung bekannter, untersuchter Stoffe und erlaubt nicht die Vorbestimmung der Zusammensetzung und Struktur neuer komplexer Stoffe, die einen bestimmten Satz von Eigenschaften hätten. Diese letzte Aufgabe ist für die Praxis besonders wichtig, da ihre Lösung es ermöglichen würde, für jeden Einzelfall maßgeschneiderte Materialien zu erstellen. Unter geeigneten äußeren Bedingungen werden die Eigenschaften kristalliner Stoffe durch ihre chemische Zusammensetzung und die Art des Kristallgitters bestimmt. Das Studium der Abhängigkeit der Eigenschaften eines Stoffes von seiner chemischen Zusammensetzung und Kristallstruktur gliedert sich üblicherweise in die folgenden Einzelphasen: 1) allgemeine Untersuchung von Kristallen und dem kristallinen Zustand der Materie 2) Aufbau der Theorie chemischer Bindungen und ihrer Anwendung auf die Untersuchung verschiedener Klassen kristalliner Substanzen 3) Untersuchung der allgemeinen Änderungsmuster in der Struktur kristalliner Substanzen, wenn sich ihre chemische Zusammensetzung ändert 4) Festlegung von Regeln, die es ermöglichen, die chemische Zusammensetzung und Struktur von Substanzen vorherzubestimmen haben bestimmte physikalische Eigenschaften.

HauptsächlichKristalleigenschaften- Anisotropie, Homogenität, Fähigkeit zur Selbstverbrennung und Vorhandensein einer konstanten Schmelztemperatur.

1. Anisotropie

Kristallanisotropie selbstverbrennend

Anisotropie – sie drückt sich darin aus, dass die physikalischen Eigenschaften von Kristallen in verschiedenen Richtungen nicht gleich sind. Zu den physikalischen Größen gehören Parameter wie Festigkeit, Härte, Wärmeleitfähigkeit, Lichtausbreitungsgeschwindigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Ein charakteristisches Beispiel für einen Stoff mit ausgeprägter Anisotropie ist Glimmer. Kristalline Platten aus Glimmer – lassen sich nur entlang der Ebenen leicht spalten. In Querrichtung ist es viel schwieriger, die Platten dieses Minerals zu spalten.

Ein Beispiel für Anisotropie ist ein Kristall des Minerals Disthen. In Längsrichtung beträgt die Härte von Disthen 4,5, in Querrichtung 6. Das Mineral Disthen (Al 2 O), das sich durch stark unterschiedliche Härte in ungleichen Richtungen auszeichnet. Entlang der Dehnung können Disthenkristalle leicht mit einer Messerklinge zerkratzt werden, in der Richtung senkrecht zur Dehnung hinterlässt das Messer keine Spuren.

Reis. 1 Disthenkristall

Mineral Cordierit (Mg 2 Al 3). Mineral, Alumosilikat aus Magnesium und Eisen. Der Cordieritkristall erscheint in drei verschiedenen Richtungen unterschiedlich gefärbt. Schneidet man aus einem solchen Kristall einen Würfel mit Flächen heraus, so fällt folgendes auf. Senkrecht zu diesen Richtungen, dann entlang der Würfeldiagonale (von oben nach oben) ist eine graublaue Farbe zu beobachten, in vertikaler Richtung eine indigoblaue Farbe und in der Richtung quer zum Würfel gelb.

Reis. 2 Würfel aus Cordierit geschnitzt.

Ein Kristall aus Speisesalz, der die Form eines Würfels hat. Aus einem solchen Kristall können Stäbe in verschiedene Richtungen geschnitten werden. Drei davon stehen senkrecht zu den Flächen des Würfels, parallel zur Diagonale

Jedes der Beispiele ist in seiner Spezifität außergewöhnlich. Durch genaue Forschung sind Wissenschaftler jedoch zu dem Schluss gekommen, dass alle Kristalle auf die eine oder andere Weise anisotrop sind. Außerdem können feste amorphe Formationen homogen und sogar anisotrop sein (Anisotropie kann beispielsweise beobachtet werden, wenn Glas gedehnt oder gequetscht wird), aber amorphe Körper können unter keinen Umständen von selbst eine polyedrische Form annehmen.

Reis. 3 Nachweis der Wärmeleitfähigkeitsanisotropie auf Quarz (a) und deren Abwesenheit auf Glas (b)

Als Beispiel (Abb. 1) für die anisotropen Eigenschaften kristalliner Stoffe ist zunächst die mechanische Anisotropie zu nennen, die im Folgenden besteht. Nicht alle kristallinen Stoffe spalten sich in verschiedenen Richtungen gleich auf (Glimmer, Gips, Graphit usw.). Amorphe Stoffe hingegen spalten sich in alle Richtungen gleich, denn Amorphismus ist durch Isotropie (Äquivalenz) gekennzeichnet – physikalische Eigenschaften treten in alle Richtungen gleichermaßen auf.

Die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit kann im folgenden einfachen Experiment leicht beobachtet werden. Tragen Sie eine Schicht farbiges Wachs auf die Oberfläche eines Quarzkristalls auf und führen Sie eine in einer Spirituslampe erhitzte Nadel in die Mitte der Oberfläche. Der resultierende aufgetaute Wachskreis um die Nadel nimmt die Form einer Ellipse auf der Fläche des Prismas oder die Form eines unregelmäßigen Dreiecks auf einer der Facetten des Kristallkopfes an. Auf einer isotropen Substanz, zum Beispiel Glas, wird die Form des geschmolzenen Wachses immer ein regelmäßiger Kreis sein.

Anisotropie äußert sich auch darin, dass bei der Wechselwirkung eines Lösungsmittels mit einem Kristall die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen in verschiedene Richtungen unterschiedlich ist. Dadurch erhält jeder Kristall beim Auflösen schließlich seine charakteristische Form.

Der Grund für die Anisotropie von Kristallen liegt letztendlich darin, dass bei einer geordneten Anordnung von Ionen, Molekülen oder Atomen die Wechselwirkungskräfte zwischen ihnen und die interatomaren Abstände (sowie einige Größen, die nicht direkt mit ihnen zusammenhängen, zum Beispiel elektrische Leitfähigkeit oder Polarisierbarkeit). ) erweisen sich in verschiedenen Richtungen als ungleich. Der Grund für die Anisotropie eines Molekülkristalls kann auch die Asymmetrie seiner Moleküle sein. Ich möchte darauf hinweisen, dass alle Aminosäuren außer der einfachsten – Glycin – asymmetrisch sind.

Jedes Teilchen eines Kristalls hat eine genau definierte chemische Zusammensetzung. Diese Eigenschaft kristalliner Stoffe wird genutzt, um chemisch reine Stoffe zu erhalten. Wenn beispielsweise Meerwasser gefroren ist, wird es frisch und trinkbar. Ratet mal, ob Meereis frisch oder salzig ist?

2. Gleichmäßigkeit

Homogenität - drückt sich darin aus, dass alle im Raum gleich ausgerichteten Elementarvolumina einer kristallinen Substanz in allen ihren Eigenschaften absolut identisch sind: Sie haben die gleiche Farbe, Masse, Härte usw. Somit ist jeder Kristall ein homogener, aber gleichzeitig anisotroper Körper. Als homogen gilt ein Körper, bei dem es in endlichen Abständen von jedem seiner Punkte andere gibt, die ihm nicht nur physikalisch, sondern auch geometrisch äquivalent sind. Mit anderen Worten: Sie befinden sich in der gleichen Umgebung wie die Originale. Da die Platzierung der Materialpartikel im Kristallraum durch das räumliche Gitter „gesteuert“ wird, können wir davon ausgehen, dass die Oberfläche des Kristalls ein materialisiertes flaches Knotengitter ist. und die Kante ist eine materialisierte Knotenreihe. Gut entwickelte Kristallflächen werden in der Regel durch Knotengitter mit der höchsten Knotendichte bestimmt. Der Punkt, an dem drei oder mehr Flächen zusammenlaufen, wird als Spitze des Kristalls bezeichnet.

Homogenität ist nicht nur kristallinen Körpern eigen. Feste amorphe Formationen können auch homogen sein. Aber amorphe Körper können nicht von sich aus eine polyedrische Form annehmen.

Es sind Entwicklungen im Gange, die den Homogenitätsfaktor von Kristallen erhöhen können.

Diese Erfindung ist von unseren russischen Wissenschaftlern patentiert. Die Erfindung betrifft die Zuckerindustrie, insbesondere die Herstellung von Füllmasse. Die Erfindung sorgt für eine Erhöhung des Homogenitätskoeffizienten von Kristallen in der Füllmasse und trägt auch zu einer Erhöhung der Wachstumsrate von Kristallen im Endstadium des Wachstums aufgrund einer allmählichen Erhöhung des Übersättigungskoeffizienten bei.

Die Nachteile des bekannten Verfahrens sind der niedrige Homogenitätskoeffizient der Kristalle in der Füllmasse der ersten Kristallisation und die erhebliche Dauer der Gewinnung der Füllmasse.

Das technische Ergebnis der Erfindung besteht darin, den Homogenitätskoeffizienten der Kristalle in der Füllmasse der ersten Kristallisation zu erhöhen und den Prozess der Gewinnung der Füllmasse zu intensivieren.

3. Fähigkeit zur Selbstbeherrschung

Die Fähigkeit zum Selbstschneiden drückt sich darin aus, dass jedes Fragment oder jede Kugel, die aus einem Kristall in einem für sein Wachstum geeigneten Medium geschnitzt wird, im Laufe der Zeit mit für diesen Kristall charakteristischen Flächen bedeckt wird. Dieses Merkmal hängt mit der Kristallstruktur zusammen. Eine Glaskugel beispielsweise verfügt nicht über eine solche Funktion.

Zu den mechanischen Eigenschaften von Kristallen gehören Eigenschaften, die mit mechanischen Einwirkungen auf sie wie Schlag, Druck, Spannung usw. verbunden sind (Spaltung, plastische Verformung, Bruch, Härte, Sprödigkeit).

Die Fähigkeit zum Selbstschneiden, d.h. unter bestimmten Bedingungen eine natürliche, facettenreiche Form annehmen. Dies zeigt auch die korrekte interne Struktur. Es ist diese Eigenschaft, die eine kristalline Substanz von einer amorphen unterscheidet. Ein Beispiel verdeutlicht dies. Zwei aus Quarz und Glas geschnitzte Kugeln werden in eine Kieselsäurelösung getaucht. Dadurch wird die Quarzkugel mit Kanten bedeckt und die Glaskugel bleibt rund.

Kristalle desselben Minerals können eine unterschiedliche Form, Größe und Anzahl von Flächen haben, aber die Winkel zwischen den entsprechenden Flächen werden immer konstant sein (Abb. 4 a-d) – das ist das Gesetz der Konstanz der Flächenwinkel in Kristallen. In diesem Fall können Größe und Form der Flächen in verschiedenen Kristallen derselben Substanz, der Abstand zwischen ihnen und sogar ihre Anzahl variieren, aber die Winkel zwischen den entsprechenden Flächen in allen Kristallen derselben Substanz bleiben unter denselben Bedingungen konstant von Druck und Temperatur. Die Winkel zwischen den Flächen der Kristalle werden mit einem Goniometer (Goniometer) gemessen. Das Gesetz der Konstanz der Facettenwinkel erklärt sich aus der Tatsache, dass alle Kristalle einer Substanz in ihrer inneren Struktur identisch sind, d.h. haben die gleiche Struktur.

Nach diesem Gesetz werden die Kristalle einer bestimmten Substanz durch ihre spezifischen Winkel charakterisiert. Daher ist es durch die Messung der Winkel möglich, nachzuweisen, dass der untersuchte Kristall zu der einen oder anderen Substanz gehört.

Ideal geformte Kristalle weisen eine Symmetrie auf, die bei natürlichen Kristallen aufgrund des fortgeschrittenen Flächenwachstums äußerst selten vorkommt (Abb. 4e).

Reis. 4 das Gesetz der Konstanz der Facettenwinkel in Kristallen (a-d) und das Wachstum der Vorderflächen 1,3 und 5 eines an der Hohlraumwand wachsenden Kristalls (e)

Spaltung ist eine Eigenschaft von Kristallen, sich entlang bestimmter kristallographischer Richtungen zu spalten bzw. zu spalten, wodurch sogar glatte Ebenen, sogenannte Spaltungsebenen, entstehen.

Spaltungsebenen sind parallel zu tatsächlichen oder möglichen Kristallflächen ausgerichtet. Diese Eigenschaft hängt vollständig von der inneren Struktur von Mineralien ab und manifestiert sich in den Richtungen, in denen die Adhäsionskräfte zwischen den Materialpartikeln von Kristallgittern am geringsten sind.

Je nach Perfektionsgrad lassen sich mehrere Arten des Dekolletés unterscheiden:

Sehr perfekt – das Mineral lässt sich leicht in einzelne dünne Platten oder Blätter spalten, es ist sehr schwierig, es in die andere Richtung zu spalten (Glimmer, Gips, Talk, Chlorit).

Reis. 5 Chlorit (Mg, Fe) 3 (Si, Al) 4 O 10 (OH) 2 (Mg, Fe) 3 (OH) 6)

Perfekt – das Mineral spaltet sich relativ leicht, hauptsächlich entlang der Spaltungsebenen, und die gebrochenen Stücke ähneln oft einzelnen Kristallen (Kalzit, Bleiglanz, Halit, Fluorit).

Reis. 6 Calcit

Mittel - Beim Spalten entstehen sowohl Spaltungsebenen als auch ungleichmäßige Brüche in zufälligen Richtungen (Pyroxene, Feldspäte).

Reis. 7 Feldspäte ((K, Na, Ca, manchmal Ba) (Al 2 Si 2 oder AlSi 3) O 8))

Unvollkommen – Mineralien spalten sich in beliebige Richtungen unter Bildung unebener Bruchflächen, einzelne Spaltungsebenen sind schwer zu finden (nativer Schwefel, Pyrit, Apatit, Olivin).

Reis. 8 Apatitkristalle (Ca 5 3 (F, Cl, OH))

Bei manchen Mineralien entstehen bei der Spaltung nur unebene Oberflächen, in diesem Fall spricht man von einer sehr unvollständigen Spaltung oder deren Fehlen (Quarz).

Reis. 9 Quarz (SiO 2)

Die Spaltung kann sich in eine, zwei, drei, selten mehr Richtungen manifestieren. Zur genaueren Beschreibung wird die Richtung angegeben, in der die Spaltung verläuft, zum Beispiel entlang des Rhomboeders – bei Calcit, entlang des Würfels – bei Halit und Bleiglanz, entlang des Oktaeders – bei Fluorit.

Spaltungsebenen müssen von Kristallflächen unterschieden werden: Eine Ebene hat in der Regel einen stärkeren Glanz, bildet eine Reihe zueinander paralleler Ebenen und ist im Gegensatz zu Kristallflächen, auf denen wir keine Schattierung beobachten können, nicht zu erkennen.

Somit kann die Spaltung entlang einer (Glimmer), zwei (Feldspat), drei (Kalzit, Halit), vier (Fluorit) und sechs (Sphalerit) Richtungen verfolgt werden. Der Grad der Perfektion der Spaltung hängt von der Struktur des Kristallgitters jedes Minerals ab, da ein Bruch entlang einiger Ebenen (flacher Gitter) dieses Gitters aufgrund schwächerer Bindungen viel leichter auftritt als in anderen Richtungen. Bei gleichen Adhäsionskräften zwischen Kristallpartikeln kommt es zu keiner Spaltung (Quarz).

Bruch – die Fähigkeit von Mineralien, sich nicht entlang von Spaltungsebenen, sondern entlang einer komplexen unebenen Oberfläche zu spalten

Trennung – die Eigenschaft einiger Mineralien, sich unter Bildung paralleler, wenn auch meist nicht ganz gleichmäßiger Ebenen zu spalten, was nicht auf die Struktur des Kristallgitters zurückzuführen ist, die manchmal mit Spaltung verwechselt wird. Im Gegensatz zur Spaltung ist die Getrenntheit nur eine Eigenschaft einiger einzelner Exemplare eines bestimmten Minerals und nicht der Mineralart als Ganzes. Der Hauptunterschied zwischen Trennung und Spaltung besteht darin, dass die resultierenden Stempel nicht weiter in kleinere Fragmente mit gleichmäßig parallelen Spänen gespalten werden können.

Symmetrie- das allgemeinste Muster, das mit der Struktur und den Eigenschaften einer kristallinen Substanz verbunden ist. Es ist eines der verallgemeinernden Grundkonzepte der Physik und der Naturwissenschaften im Allgemeinen. „Symmetrie ist die Eigenschaft geometrischer Figuren, ihre Teile zu wiederholen, oder genauer gesagt, ihre Eigenschaft, in verschiedenen Positionen mit der ursprünglichen Position in Einklang zu kommen.“ Um das Studium zu erleichtern, verwenden sie Kristallmodelle, die die Formen idealer Kristalle vermitteln. Um die Symmetrie von Kristallen zu beschreiben, ist es notwendig, die Symmetrieelemente zu bestimmen. Somit ist ein solches Objekt symmetrisch und kann durch bestimmte Transformationen mit sich selbst kombiniert werden: Drehungen und (und) Spiegelungen (Abbildung 10).

1. Die Symmetrieebene ist eine imaginäre Ebene, die den Kristall in zwei gleiche Teile teilt, und einer der Teile ist sozusagen ein Spiegelbild des anderen. Ein Kristall kann mehrere Symmetrieebenen haben. Die Symmetrieebene wird mit dem lateinischen Buchstaben P bezeichnet.

2. Die Symmetrieachse ist eine Linie, bei deren Drehung um 360° der Kristall seine Ausgangsposition im Raum n-mal wiederholt. Es wird mit dem Buchstaben L bezeichnet. n – bestimmt die Ordnung der Symmetrieachse, die in der Natur nur 2., 3., 4. und 6. Ordnung sein kann, d.h. L2, L3, L4 und L6. In Kristallen gibt es keine Achsen fünfter und darüber sechster Ordnung, und die Achsen erster Ordnung werden nicht berücksichtigt.

3. Symmetriezentrum – ein imaginärer Punkt innerhalb des Kristalls, an dem sich die Linien schneiden und in zwei Hälften teilen, wodurch die entsprechenden Punkte auf der Oberfläche des Kristalls verbunden werden1. Das Symmetriezentrum wird durch den Buchstaben C angezeigt.

Die gesamte Vielfalt der in der Natur vorkommenden kristallinen Formen wird in sieben Syngonien (Systemen) zusammengefasst: 1) kubisch; 2) sechseckig; 3) tetragonal (quadratisch); 4) trigonal; 5) rhombisch; 6) monoklin und 7) triklin.

4. Konstanter Schmelzpunkt

Beim Schmelzen handelt es sich um den Übergang eines Stoffes vom festen in den flüssigen Zustand.

Es drückt sich darin aus, dass beim Erhitzen eines kristallinen Körpers die Temperatur bis zu einer bestimmten Grenze ansteigt; Bei weiterer Erwärmung beginnt die Substanz zu schmelzen und die Temperatur bleibt einige Zeit konstant, da die gesamte Wärme zur Zerstörung des Kristallgitters führt. Als Grund für dieses Phänomen wird angenommen, dass der Hauptteil der dem Feststoff zugeführten Energie des Erhitzers dazu verwendet wird, die Bindungen zwischen den Partikeln des Stoffes zu reduzieren, d. h. zur Zerstörung des Kristallgitters. In diesem Fall erhöht sich die Energie der Wechselwirkung zwischen Teilchen. Die geschmolzene Substanz verfügt über einen größeren inneren Energiespeicher als im festen Zustand. Der verbleibende Teil der Fusionswärme wird für die Volumenänderung des Körpers beim Schmelzen aufgewendet. Die Temperatur, bei der das Schmelzen beginnt, wird Schmelzpunkt genannt.

Beim Schmelzen nimmt das Volumen der meisten kristallinen Körper zu (um 3–6 %), während es beim Erstarren abnimmt. Es gibt jedoch Stoffe, deren Volumen beim Schmelzen abnimmt und beim Erstarren zunimmt.

Dazu gehören beispielsweise Wasser und Gusseisen, Silizium und einige andere. Deshalb schwimmt Eis auf der Wasseroberfläche und festes Gusseisen – in seiner eigenen Schmelze.

Amorphe Stoffe haben im Gegensatz zu kristallinen keinen klar definierten Schmelzpunkt (Bernstein, Harz, Glas).

Reis. 12 Bernstein

Die zum Schmelzen eines Stoffes erforderliche Wärmemenge ist gleich dem Produkt aus spezifischer Schmelzwärme mal Masse des Stoffes.

Die spezifische Schmelzwärme gibt an, wie viel Wärme benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes vollständig vom festen in den flüssigen Zustand umzuwandeln, gemessen bei der Schmelzgeschwindigkeit.

Die Einheit der spezifischen Schmelzwärme in SI ist 1J/kg.

Während des Schmelzvorgangs bleibt die Temperatur des Kristalls konstant. Diese Temperatur wird Schmelzpunkt genannt. Jeder Stoff hat seinen eigenen Schmelzpunkt.

Der Schmelzpunkt einer bestimmten Substanz hängt vom Atmosphärendruck ab.

In kristallinen Körpern am Schmelzpunkt kann man den Stoff gleichzeitig im festen und flüssigen Zustand beobachten. An den Abkühlungs- (oder Erwärmungs-)Kurven kristalliner und amorpher Substanzen kann man erkennen, dass es im ersten Fall zwei scharfe Knicke gibt, die dem Beginn und dem Ende der Kristallisation entsprechen; Im Falle der Abkühlung einer amorphen Substanz liegt eine glatte Kurve vor. Auf dieser Grundlage lassen sich kristalline von amorphen Stoffen leicht unterscheiden.

Referenzliste

1. Chemikerhandbuch 21 „CHEMISTRY AND CHEMICAL ENGINEERING“ S. 10 (http://chem21.info/info/1737099/)

2. Nachschlagewerk zur Geologie (http://www.geolib.net/crystallography/vazhneyshie-svoystva-kristallov.html)

3. UrFU benannt nach dem ersten Präsidenten Russlands B.N. Jelzin“, Abschnitt Geometrische Kristallographie (http://media.ls.urfu.ru/154/489/1317/)

4. Kapitel 1. Kristallographie mit den Grundlagen der Kristallchemie und Mineralogie (http://kafgeo.igpu.ru/web-text-books/geology/r1-1.htm)

5. Antrag: 2008147470/13, 01.12.2008; IPC C13F1/02 (2006.01) C13F1/00 (2006.01). Patentinhaber: Staatliche Bildungseinrichtung für höhere Berufsbildung Voronezh State Technological Academy (RU) (http://bd.patent.su/2371000-2371999/pat/servl/servlet939d.html)

6. Staatliche Pädagogische Universität Tula, benannt nach L.N. Tolstoi Abteilung für Ökologie Golynskaya F.A. „Das Konzept von Mineralien als kristalline Substanzen“ (http://tsput.ru/res/geogr/geology/lec2.html)

7. Computerschulung „Allgemeine Geologie“ Vorlesungsreihe. Vorlesung 3 D0% B8% D0% B8/%D0% BB % D0% B5% D0% BA % D1% 86% D0% B8% D1% 8F_3.htm)

8. Physikunterricht (http://class-fizika.narod.ru/8_11.htm)

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Vorlesung 16

Physikalische Eigenschaften von Kristallen

Die Festkörperphysik befasst sich mit der Untersuchung der Struktur und physikalischen Eigenschaften von Festkörpern. Es ermittelt die Abhängigkeit physikalischer Eigenschaften von der atomaren Struktur eines Stoffes, entwickelt Methoden zur Gewinnung und Untersuchung neuer kristalliner Materialien mit spezifizierten Eigenschaften.

Die physikalischen Eigenschaften von Kristallen werden bestimmt durch:

1) die Art der chemischen Elemente, aus denen die Kristalle bestehen;

2) Art der chemischen Bindung;

3) die geometrische Natur der Struktur, d. h. die gegenseitige Anordnung der Atome in der Kristallstruktur;

4) Unvollkommenheit der Struktur, d. h. das Vorhandensein von Mängeln.

Andererseits beurteilen wir normalerweise die Art der chemischen Bindung anhand der physikalischen Eigenschaften von Kristallen.

Die Festigkeit von Kristallen lässt sich am einfachsten anhand ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften beurteilen. Je stärker der Kristall ist, desto größer ist seine Härte und desto höher ist sein Schmelzpunkt. Wenn wir die Änderung der Härte bei einer Änderung der Zusammensetzung einer Reihe gleichartiger Stoffe untersuchen und die erhaltenen Daten mit den entsprechenden Werten für Schmelzpunkte vergleichen, können wir „Parallelität“ in der Änderung dieser Eigenschaften feststellen.

Ich möchte Sie daran erinnern, dass das charakteristischste Merkmal der physikalischen Eigenschaften von Kristallen ihre sind Symmetrie und Anisotropie. Ein anisotropes Medium zeichnet sich durch die Abhängigkeit der gemessenen Eigenschaft von der Messrichtung aus.

Wir haben bereits gesagt, dass die Kristallchemie eng mit der Kristallographie und der Physik verbunden ist. Deshalb, die Hauptaufgabe der Kristallphysik(ein Abschnitt der Kristallographie, der die physikalischen Eigenschaften von Kristallen untersucht) ist die Untersuchung der Gesetzmäßigkeiten der physikalischen Eigenschaften von Kristallen aus ihrer Struktur sowie der Abhängigkeit dieser Eigenschaften von äußeren Einflüssen.

Die physikalischen Eigenschaften von Stoffen lassen sich in zwei Gruppen einteilen: struktursensible und strukturunempfindliche Eigenschaften. Die ersten hängen von der atomaren Struktur der Kristalle ab, die zweiten hauptsächlich von der elektronischen Struktur und der Art der chemischen Bindung. Ein Beispiel für Ersteres sind mechanische Eigenschaften (Masse, Dichte, Wärmekapazität, Schmelzpunkt usw.), ein Beispiel für Letzteres sind thermische und elektrische Leitfähigkeit, optische und andere Eigenschaften.

Daher wird eine gute elektrische Leitfähigkeit von Metallen aufgrund der Anwesenheit freier Elektronen nicht nur in Kristallen, sondern auch in geschmolzenen Metallen beobachtet.

Der ionische Charakter der Bindung zeigt sich insbesondere darin, dass sich viele Salze, beispielsweise Alkalihalogenide, in polaren Lösungsmitteln lösen und in Ionen dissoziieren. Allerdings kann die Tatsache, dass keine Löslichkeit vorliegt, noch nicht als Beweis für eine unpolare Bindung der Verbindung dienen. So ist beispielsweise die Bindungsenergie von Oxiden so viel größer als die Bindungsenergie von Alkalihalogeniden, dass die Dielektrizitätskonstante von Wasser nicht mehr ausreicht, um Ionen aus dem Kristall zu trennen.

Darüber hinaus können einige Verbindungen, hauptsächlich mit einer homöopolaren Bindung, unter dem Einfluss einer großen Dielektrizitätskonstante eines polaren Lösungsmittels in Lösung in Ionen dissoziieren, obwohl es sich im kristallinen Zustand möglicherweise nicht um ionische Verbindungen handelt (z. B. HCl). , HBr).

Bei heterodesmischen Verbindungen hängen einige Eigenschaften, wie beispielsweise die mechanische Festigkeit von Verbindungen, nur von einer (schwächsten) Bindungsart ab.

Daher kann ein Kristall einerseits als diskontinuierliches (diskretes) Medium betrachtet werden. Andererseits kann eine kristalline Substanz als kontinuierliches anisotropes Medium betrachtet werden. In diesem Fall hängen die physikalischen Eigenschaften, die sich in einer bestimmten Richtung manifestieren, nicht von Übersetzungen (Übertragungen) ab. Dadurch ist es möglich, die Symmetrie physikalischer Eigenschaften mithilfe von Punktsymmetriegruppen zu beschreiben.

Bei der Beschreibung der Symmetrie eines Kristalls berücksichtigen wir nur die äußere Form, das heißt, wir betrachten die Symmetrie geometrischer Figuren. P. Curie zeigte, dass die Symmetrie materieller Figuren durch eine unendliche Anzahl von Punktgruppen beschrieben wird, die im Grenzfall zu den sieben zuvor betrachteten Grenzsymmetriegruppen tendieren (Familien eines rotierenden Kegels, eines festen Kegels, eines rotierenden Zylinders, eines verdrehten). Zylinder, ein fester Zylinder, eine Familie einer Kugel mit rotierenden Punkten auf der Oberfläche, Familien der festen Kugel).

Grenzpunktgruppen – Curie-Gruppen – Punktgruppen, die Achsen unendlicher Ordnung enthalten, werden aufgerufen. Es gibt nur sieben Grenzwertgruppen: ¥, ¥mm, ¥/m, ¥22, ¥/mm, ¥/¥, ¥/¥mm.

Der Zusammenhang zwischen der Punktsymmetriegruppe eines Kristalls und der Symmetrie seiner physikalischen Eigenschaften wurde vom deutschen Physiker F. Neumann formuliert: Das Material weist hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften eine Symmetrie auf, die seiner kristallographischen Form entspricht. Dies ist als Neumann-Prinzip bekannt.

Der deutsche Physiker W. Voigt, ein Schüler von F. Neman, hat dieses Prinzip maßgeblich präzisiert und wie folgt formuliert: Die Symmetriegruppe einer physikalischen Eigenschaft muss alle Elemente der Punktsymmetriegruppe des Kristalls umfassen.

Betrachten wir einige physikalische Eigenschaften von Kristallen.

Dichte von Kristallen.

Die Dichte eines Stoffes hängt von der Kristallstruktur des Stoffes, seiner chemischen Zusammensetzung, dem Packungsfaktor der Atome, den Wertigkeiten und Radien der Teilchen ab, aus denen er besteht.

Die Dichte ändert sich mit Änderungen der Temperatur und des Drucks, da diese Faktoren die Ausdehnung oder Kontraktion eines Stoffes bewirken.

Die Abhängigkeit der Dichte von der Struktur lässt sich am Beispiel von drei Modifikationen von Al2SiO5 demonstrieren:

Andalusit (r = 3,14 - 3,16 g/cm3);

Sillimanit (r = 3,23 – 3,27 g/cm3);

Kyanit (r = 3,53 - 3,65 g/cm3).

Mit zunehmendem Packungsfaktor der Kristallstruktur nimmt die Dichte des Stoffes zu. Beispielsweise steigt beim polymorphen Übergang von Graphit zu Diamant mit einer Änderung der Koordinationszahl der Kohlenstoffatome von 3 auf 4 auch die Dichte entsprechend an (von 2,2 auf 3,5 g/cm3).

Die Dichte realer Kristalle ist aufgrund des Vorhandenseins von Defekten in ihrer Struktur normalerweise geringer als die berechnete Dichte (ideale Kristalle). Die Dichte von Diamant beispielsweise liegt zwischen 2,7 und 3,7 g/cm3. Indem man also die tatsächliche Dichte der Kristalle verringert, kann man den Grad ihrer Fehlerhaftigkeit beurteilen.

Die Dichte ändert sich auch mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung des Stoffes bei isomorphen Substitutionen – beim Übergang von einem Mitglied der isomorphen Reihe zu einem anderen. Zum Beispiel in der Olivin-Serie (mg, Fe2+ )2[ SiO4 ] Die Dichte steigt, wenn Mg2+-Kationen durch Fe2+ ersetzt werden, ab r = 3,22 g/cm3 für Forsterit mg2 [ SiO4 ] bis zu r = 4,39 g/cm3 für Fayalit.

Härte.

Unter Härte versteht man den Grad der Widerstandsfähigkeit eines Kristalls gegenüber äußeren Einflüssen. Härte ist keine physikalische Konstante. Sein Wert hängt nicht nur vom untersuchten Material, sondern auch von den Messbedingungen ab.

Die Härte hängt ab von:

die Art der Struktur;

Packungsfaktor (spezifisches Gewicht);

die Ladung der Ionen, die den Kristall bilden.

Beispielsweise haben polymorphe Modifikationen von CaCO3 – Calcit und Aragonit – Dichten von 3 bzw. 4 und unterscheiden sich in der unterschiedlichen Dichte ihrer Strukturen:

· für die Struktur von Calcit mit CChSa = 6 - r = 2,72;

· für die Struktur von Aragonit mit CChSa = 9 - r = 2,94 g/cm3).

In einer Reihe identisch aufgebauter Kristalle nimmt die Härte mit zunehmender Ladung und abnehmender Kationengröße zu. Das Vorhandensein ausreichend großer Anionen wie F-, OH-, H2O-Moleküle in den Strukturen verringert die Härte.

Facetten verschiedener Kristallformen haben unterschiedliche Netzdichten und unterscheiden sich in ihrer Härte. Die größte Härte in der Diamantstruktur weisen daher die (111)-Oktaederflächen auf, die im Vergleich zu den (100)-Würfelflächen eine höhere Netzdichte aufweisen.

Die Fähigkeit zur Verformung.

Die Fähigkeit eines Kristalls zur plastischen Verformung wird hauptsächlich durch die Art der chemischen Bindung zwischen seinen Strukturelementen bestimmt.

kovalente Bindung, das eine strikte Direktionalität aufweist, schwächt sich selbst bei unbedeutenden Verschiebungen der Atome relativ zueinander stark ab. Daher zeigen Kristalle mit kovalenter Bindung (Sb, Bi, As, Se usw.) keine Fähigkeit zur plastischen Verformung.

Metallverbindung hat keinen gerichteten Charakter und verändert sich geringfügig, wenn Atome relativ zueinander verschoben werden. Dies bestimmt den hohen Grad der Plastizität von Metallen (Duktilität). Am formbarsten sind jene Metalle, deren Strukturen nach dem Gesetz der kubisch-dichtesten Packung aufgebaut sind, das vier Richtungen dicht gepackter Schichten aufweist. Weniger Schmiedemetalle mit hexagonal dichter Packung – mit einer Richtung der dichtesten Schichten. Unter den polymorphen Modifikationen von Eisen sind a-Fe und b-Fe nahezu nicht formbar (Typ-I-Gitter), während g-Fe mit kubisch dichter Packung (kubisch-flächenzentriertes Gitter) ein formbares Metall wie Cu, Pt ist , Au, Ag usw. .

Ionenverbindung ist nicht gerichtet. Daher sind typische Ionenkristalle (NaCl, CaF2, CaTe usw.) genauso spröde wie Kristalle mit einer kovalenten Bindung. Gleichzeitig weisen sie aber eine recht hohe Plastizität auf. Das Gleiten in ihnen erfolgt entlang bestimmter kristallographischer Richtungen. Dies wird durch die Tatsache erklärt, dass in der Kristallstruktur (110)-Netzwerke unterschieden werden können, die entweder nur aus Na+-Ionen oder aus Cl–-Ionen bestehen. Bei der plastischen Verformung bewegt sich ein flaches Netz relativ zum benachbarten, so dass Na+-Ionen an Cl--Ionen entlanggleiten. Der Ladungsunterschied der Ionen in benachbarten Netzwerken verhindert ein Aufbrechen und sie bleiben parallel zu ihrer ursprünglichen Position. Das Gleiten entlang dieser Schichten erfolgt mit minimaler Störung der Anordnung der Atome und ist am einfachsten.

Thermische Eigenschaften von Kristallen.

Die Wärmeleitfähigkeit hängt eng mit der Symmetrie zusammen. Am deutlichsten lässt sich dies im folgenden Experiment demonstrieren. Bedecken wir die Flächen von drei Kristallen mit einer dünnen Paraffinschicht: einem Würfel, einem sechseckigen Prisma und einem geraden Parallelepiped. Berühren wir mit der Spitze einer dünnen, heißen Nadel jede einzelne Fläche dieser Kristalle. Anhand der Umrisse der Schmelzpunkte kann man die Geschwindigkeit der Wärmeausbreitung auf den Flächenebenen in verschiedene Richtungen beurteilen.

Auf einem kubischen Syngoniekristall haben die Konturen der Schmelzpunkte auf allen Flächen die Form eines Kreises, was auf die gleiche Geschwindigkeit der Wärmeausbreitung in alle Richtungen vom Kontaktpunkt mit einer heißen Nadel hinweist. Die Form der Flecken in der Vorstellung von Kreisen auf allen Flächen eines kubischen Kristalls hängt mit seiner Symmetrie zusammen.

Die Form der Flecken auf der Ober- und Unterseite des sechseckigen Prismas wird ebenfalls die Form eines Kreises haben (die Geschwindigkeit der Wärmeausbreitung in der Ebene senkrecht zur Hauptachse des Kristalls mittlerer Kategorie ist in alle Richtungen gleich). Auf den Flächen eines sechseckigen Prismas haben die Schmelzpunkte die Form von Ellipsen, da die Achsen 2. Ordnung senkrecht zu diesen Flächen verlaufen.

Auf allen Flächen eines geraden Parallelepipeds (Kristall der orthogonalen Syngonie) haben die Schmelzpunkte die Form einer Ellipse, da die Achsen 2. Ordnung senkrecht zu diesen Flächen verlaufen.

Die Geschwindigkeit der Wärmeausbreitung durch den Kristallkörper hängt also direkt davon ab, entlang welchem ​​linearen Symmetrieelement sie sich ausbreitet. In kubischen Kristallen Die Wärmeverteilungsfläche wird die Form einer Kugel haben. Folglich sind kubische Kristalle in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit isotrop, d. h. sie sind in allen Richtungen gleich charakteristisch. Wärmeleitfläche Kristalle der mittleren Kategorie ausgedrückt als Rotationsellipsoid (parallel zur Hauptachse). IN Kristalle der niedrigsten Kategorie und alle Wärmeleitungsflächen sind ellipsoidisch.

Die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit hängt eng mit der Struktur einer kristallinen Substanz zusammen. Somit entsprechen die dichtesten Atomnetzwerke und -reihen hohen Werten der Wärmeleitfähigkeit. Daher weisen Schicht- und Kettenkristalle große Unterschiede in den Richtungen der Wärmeleitfähigkeit auf.

Die Wärmeleitfähigkeit hängt auch vom Grad der Fehlerhaftigkeit des Kristalls ab – bei mehr defekten Kristallen ist sie geringer als bei synthetischen. Ein Stoff im amorphen Zustand hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Kristalle gleicher Zusammensetzung. Beispielsweise ist die Wärmeleitfähigkeit von Quarzglas viel geringer als die Wärmeleitfähigkeit von Quarzkristallen. Diese Eigenschaft ist die Grundlage für die weit verbreitete Verwendung von Quarzglaswaren.

Optische Eigenschaften.

Jeder Stoff mit einer bestimmten Kristallstruktur zeichnet sich durch einzigartige optische Eigenschaften aus. Optische Eigenschaften hängen eng mit der Kristallstruktur von Festkörpern und ihrer Symmetrie zusammen.

Hinsichtlich der optischen Eigenschaften lassen sich alle Stoffe in optisch isotrope und anisotrope Stoffe einteilen. Erstere umfassen amorphe Körper und Kristalle der höchsten Kategorie, letztere alle anderen. In optisch isotropen Medien breitet sich eine Lichtwelle, bei der es sich um eine Reihe transversaler harmonischer Schwingungen elektromagnetischer Natur handelt, mit der gleichen Geschwindigkeit in alle Richtungen aus. Auch in diesem Fall treten die Schwingungen des Intensitätsvektors der elektrischen und magnetischen Felder in alle möglichen Richtungen auf, jedoch in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung. Entlang seiner Richtung wird Lichtenergie übertragen. Dieses Licht heißt natürlich oder unpolarisiert(Abbildung a, b).

In optisch anisotropen Medien können die Welin verschiedene Richtungen unterschiedlich sein. Unter bestimmten Voraussetzungen ist die sogenannte polarisiertes Licht, bei dem alle Schwingungen des Vektors elektrischer und magnetischer Felder in einer genau definierten Richtung verlaufen (Abbildung c, d). Das Verhalten dieses polarisierten Lichts in Kristallen ist die Grundlage für die Methode der kristalloptischen Untersuchung mit einem Polarisationsmikroskop.

Doppelbrechung von Licht in Kristallen.

linear polarisiert mit zueinander senkrechten Schwingungsebenen. Die Zerlegung von Licht in zwei polarisierte Strahlen nennt man Doppelbrechung oder Doppelbrechung.

Doppelbrechung des Lichts wird in Kristallen aller Syngonien mit Ausnahme der kubischen beobachtet. In Kristallen der niedrigsten und mittleren Kategorie tritt Doppelbrechung in alle Richtungen auf, mit Ausnahme einer oder zweier Richtungen, genannt optische Achsen.

Das Phänomen der Doppelbrechung hängt mit der Anisotropie von Kristallen zusammen. Die optische Anisotropie von Kristallen drückt sich darin aus, dass die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit in ihnen in verschiedene Richtungen unterschiedlich ist.

IN Kristalle der mittleren Kategorie Unter den vielen Richtungen der optischen Anisotropie gibt es eine einzige Richtung – Optische Achse, zusammenfallend mit der Hauptsymmetrieachse der 3., 4., 6. Ordnung. In dieser Richtung breitet sich das Licht ohne Aufspaltung aus.

IN Kristalle der niedrigsten Kategorie Es gibt zwei Richtungen, entlang derer sich das Licht nicht teilt. Querschnitte von Kristallen senkrecht zu diesen Richtungen fallen mit optisch isotropen Querschnitten zusammen.

Einfluss struktureller Merkmale auf optische Eigenschaften.

In Kristallstrukturen mit Schichten dicht gepackter Atome ist der Abstand zwischen Atomen innerhalb der Schicht größer als der Abstand zwischen den nächsten Atomen in benachbarten Schichten. Eine solche Ordnung führt zu einer einfacheren Polarisation, wenn der elektrische Feldspannungsvektor der Lichtwelle parallel zur Ebene der Schichten verläuft.

elektrische Eigenschaften.

Alle Stoffe können in Leiter, Halbleiter und Dielektrika unterteilt werden.

Einige Kristalle (Dielektrika) werden unter dem Einfluss äußerer Einflüsse polarisiert. Die Fähigkeit von Dielektrika zur Polarisation ist eine ihrer grundlegenden Eigenschaften. Polarisation ist ein Prozess, der mit der Bildung elektrischer Dipole in einem Dielektrikum unter Einwirkung eines externen elektrischen Feldes verbunden ist.

In der Kristallographie und Festkörperphysik sind die Phänomene Piezoelektrizität und Pyroelektrizität.

Piezoelektrischer Effekt -Änderung der Polarisation einiger dielektrischer Kristalle während der mechanischen Verformung. Die Größe der resultierenden Ladungen ist proportional zur ausgeübten Kraft. Das Ladungszeichen hängt von der Art der Kristallstruktur ab. Der piezoelektrische Effekt entsteht nur in Kristallen ohne Inversionszentrum, also mit polaren Richtungen. Zum Beispiel Kristalle aus Quarz SiO2, Sphalerit (ZnS).

Pyroelektrischer Effekt - das Auftreten elektrischer Ladungen auf der Oberfläche einiger Kristalle, wenn diese erhitzt oder abgekühlt werden. Der pyroelektrische Effekt tritt nur in dielektrischen Kristallen mit einer einzigen Polarrichtung auf, deren entgegengesetzte Enden durch keine Operation einer bestimmten Symmetriegruppe kombiniert werden können. Das Auftreten elektrischer Ladungen kann nur nach bestimmten, Polarrichtungen. Flächen senkrecht zu diesen Richtungen erhalten Ladungen mit unterschiedlichem Vorzeichen: eines ist positiv, das andere negativ. Der pyroelektrische Effekt kann in Kristallen auftreten, die zu einer der polaren Symmetrieklassen gehören: 1, 2, 3, 4, 6, m, mm2, 3m, 4 mm, 6 mm.

Aus der geometrischen Kristallographie folgt, dass die durch das Symmetriezentrum verlaufenden Richtungen nicht polar sein können. Richtungen senkrecht zu den Symmetrieebenen oder Achsen gerader Ordnung können ebenfalls nicht polar sein.

In der Klasse der Pyroelektrika werden zwei Unterklassen unterschieden. Zur ersten Gruppe gehören lineare Pyroelektrika, bei denen die elektrische Polarisation in einem äußeren Feld linear von der elektrischen Feldstärke abhängt. Zum Beispiel Turmalin NaMgAl3B3.Si6(O, OH)30.

Kristalle der zweiten Unterklasse werden Ferroelektrika genannt. Für sie ist die Abhängigkeit der Polarisation von der Stärke des äußeren Feldes nichtlinear und die Polarisierbarkeit hängt von der Größe des äußeren Feldes ab. Die nichtlineare Abhängigkeit der Polarisation von der elektrischen Feldstärke wird durch eine Hystereseschleife charakterisiert. Dieses Merkmal von Ferroelektrika lässt darauf schließen, dass sie ihre elektrische Polarisation auch ohne äußeres Feld beibehalten. Dadurch erwiesen sich Rochelle-Salzkristalle (daher der Name Ferroelektrika) als zuverlässige Verwalter elektrischer Energie und elektrische Signalaufzeichner, was ihre Verwendung in Computer-„Speicherzellen“ ermöglicht.

Magnetische Eigenschaften.

Dabei handelt es sich um die Fähigkeit von Körpern, mit einem Magnetfeld zu interagieren, also magnetisiert zu werden, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht werden. Je nach Größe der magnetischen Suszeptibilität werden diamagnetische, paramagnetische, ferromagnetische und antiferromagnetische Kristalle unterschieden.

Die magnetischen Eigenschaften aller Stoffe hängen nicht nur von den Merkmalen ihrer Kristallstruktur ab, sondern auch von der Natur der Atome (Ionen), aus denen sie bestehen, d. h. der Magnetismus wird durch die elektronische Struktur von Schalen und Kernen bestimmt durch die Umlaufbewegung der Elektronen (Spins) um sie herum.

Wenn ein Atom (Ion) in ein Magnetfeld eingeführt wird, ändert sich die Winkelgeschwindigkeit der Elektronen in der Umlaufbahn, da der anfänglichen Rotationsbewegung der Elektronen um den Kern eine zusätzliche Rotationsbewegung überlagert wird, wodurch das Atom erhält ein zusätzliches magnetisches Moment. Wenn außerdem alle Elektronen mit entgegengesetzten Spins in einem Atom paarweise gruppiert sind (Abbildung A), werden die magnetischen Momente der Elektronen kompensiert und ihr gesamtes magnetisches Moment ist gleich Null. Solche Atome nennt man diamagnetisch, und die aus ihnen bestehenden Stoffe - Diamagnete. Zum Beispiel Inertgase, Metalle der B-Untergruppe – Cu, Ag, Au, Zn, Cd, die meisten Ionenkristalle (NaCl, CaF2) sowie Stoffe mit einer vorherrschenden kovalenten Bindung – Bi, Sb, Ga, Graphit. Bei Kristallen mit Schichtstrukturen ist die magnetische Suszeptibilität für in einer Schicht liegende Richtungen deutlich größer als die für senkrechte Richtungen.

Beim Füllen von Elektronenhüllen in Atomen neigen die Elektronen dazu, ungepaart zu sein. Daher gibt es eine große Anzahl von Substanzen, in deren Atomen die magnetischen Momente der Elektronen zufällig angeordnet sind und bei denen in Abwesenheit eines äußeren Magnetfelds keine spontane Ausrichtung der magnetischen Momente auftritt (Abbildung B). Das gesamte magnetische Moment aufgrund von Elektronen, die nicht paarweise gebunden sind und schwach miteinander interagieren, ist konstant, positiv oder etwas größer als das von Dielektrika. Solche Atome nennt man magnetisch und Stoffe - Paramagnete. Wenn ein Paramagnet in ein Magnetfeld eingeführt wird, erhalten die fehlorientierten Spins eine gewisse Orientierung, wodurch drei Arten der Ordnung unkompensierter magnetischer Momente beobachtet werden – drei Arten von Phänomenen: Ferromagnetismus (Abbildung C), Antiferromagnetismus (Abbildung D) und Ferrimagnetismus (Abbildung D).

ferromagnetische Eigenschaften besitzen Stoffe, deren magnetische Momente von Atomen (Ionen) parallel zueinander gerichtet sind, wodurch sich das äußere Magnetfeld millionenfach verstärken kann. Der Name der Gruppe ist mit dem Vorhandensein von Elementen der Eisenuntergruppe Fe, Ni, Co verbunden.

Wenn die magnetischen Momente einzelner Atome antiparallel und gleich sind, dann ist das gesamte magnetische Moment der Atome Null. Solche Stoffe nennt man Antiferromagnete. Dazu gehören Übergangsmetalloxide – MnO, NiO, CoO, FeO, viele Fluoride, Chloride, Sulfide, Selenide usw.

Wenn die antiparallelen Momente der Atome der Kristallstruktur nicht gleich sind, ist das Gesamtmoment ungleich Null und solche Strukturen weisen eine spontane Magnetisierung auf. Ähnliche Eigenschaften sind Ferrite(Fe3O4, Mineralien der Granatgruppe).

Feststoffe werden in amorphe Körper und Kristalle unterteilt. Der Unterschied zwischen Letzterem und Ersterem besteht darin, dass die Atome von Kristallen nach einem bestimmten Gesetz angeordnet sind und dadurch eine dreidimensionale periodische Stapelung bilden, die als Kristallgitter bezeichnet wird.

Bemerkenswert ist, dass der Name der Kristalle von den griechischen Wörtern „härten“ und „kalt“ stammt und zur Zeit Homers Bergkristall genannt wurde, was damals als „gefrorenes Eis“ galt. Zunächst wurden mit diesem Begriff nur facettierte transparente Gebilde bezeichnet. Später wurden aber auch undurchsichtige und ungeschnittene Körper natürlichen Ursprungs als Kristalle bezeichnet.

Kristallstruktur und Gitter

Ein idealer Kristall stellt sich in Form sich periodisch wiederholender identischer Strukturen dar – den sogenannten Elementarzellen eines Kristalls. Im Allgemeinen ist die Form einer solchen Zelle ein schräges Parallelepiped.

Es ist notwendig, zwischen Konzepten wie einem Kristallgitter und einer Kristallstruktur zu unterscheiden. Die erste ist eine mathematische Abstraktion, die eine regelmäßige Anordnung bestimmter Punkte im Raum darstellt. Während eine Kristallstruktur ein reales physikalisches Objekt ist, ein Kristall, in dem jedem Punkt des Kristallgitters eine bestimmte Gruppe von Atomen oder Molekülen zugeordnet ist.

Granatkristallstruktur - Raute und Dodekaeder

Der Hauptfaktor, der die elektromagnetischen und mechanischen Eigenschaften eines Kristalls bestimmt, ist die Struktur der Elementarzelle und der mit ihr verbundenen Atome (Moleküle).

Anisotropie von Kristallen

Die Haupteigenschaft von Kristallen, die sie von amorphen Körpern unterscheidet, ist die Anisotropie. Das bedeutet, dass die Eigenschaften des Kristalls je nach Richtung unterschiedlich sind. So erfolgt beispielsweise eine inelastische (irreversible) Verformung nur entlang bestimmter Ebenen des Kristalls und in eine bestimmte Richtung. Aufgrund der Anisotropie reagieren Kristalle je nach Richtung unterschiedlich auf Verformung.

Es gibt jedoch Kristalle, die keine Anisotropie aufweisen.

Arten von Kristallen

Kristalle werden in Einkristalle und Polykristalle unterteilt. Als Einkristalle werden Stoffe bezeichnet, deren Kristallstruktur sich über den gesamten Körper erstreckt. Solche Körper sind homogen und haben ein kontinuierliches Kristallgitter. Normalerweise hat ein solcher Kristall einen ausgeprägten Schliff. Beispiele für einen natürlichen Einkristall sind Einkristalle aus Steinsalz, Diamant und Topas sowie Quarz.

Viele Stoffe haben eine kristalline Struktur, obwohl sie meist keine für Kristalle charakteristische Form aufweisen. Zu diesen Stoffen zählen beispielsweise Metalle. Untersuchungen zeigen, dass solche Stoffe aus einer Vielzahl sehr kleiner Einkristalle – kristalline Körner oder Kristallite – bestehen. Ein Stoff, der aus vielen solcher unterschiedlich orientierten Einkristalle besteht, wird als polykristallin bezeichnet. Polykristalle haben oft keine Facettierung und ihre Eigenschaften hängen von der durchschnittlichen Größe der Kristallkörner, ihrer gegenseitigen Anordnung sowie der Struktur der intergranularen Grenzen ab. Polykristalle umfassen Stoffe wie Metalle und Legierungen, Keramik und Mineralien sowie andere.