Propriedades dos cristais, forma e sistema (sistemas cristalográficos)

Uma propriedade importante de um cristal é uma certa correspondência entre diferentes faces - a simetria do cristal. Os seguintes elementos de simetria são diferenciados:

1. Planos de simetria: dividem o cristal em duas metades simétricas, tais planos também são chamados de “espelhos” de simetria.

2. Eixos de simetria: linhas retas que passam pelo centro do cristal. A rotação do cristal em torno deste eixo repete a forma da posição inicial do cristal. Existem eixos de simetria de 3ª, 4ª e 6ª ordem, que corresponde ao número dessas posições quando o cristal gira 360 o.

3. Centro de simetria: as faces do cristal correspondentes à face paralela mudam de lugar quando giradas 180º em torno deste centro. A combinação desses elementos e ordens de simetria dá 32 classes de simetria para todos os cristais. Estas classes, de acordo com as suas propriedades gerais, podem ser combinadas em sete sistemas (sistemas cristalográficos). Usando eixos coordenados tridimensionais, as posições das faces do cristal podem ser determinadas e avaliadas.

Cada mineral pertence a uma classe de simetria porque possui um tipo de rede cristalina que o caracteriza. Pelo contrário, minerais com a mesma composição química podem formar cristais de duas ou mais classes de simetria. Este fenômeno é chamado de polimorfismo. Existem mais do que alguns exemplos de polimorfismo: diamante e grafite, calcita e aragonita, pirita e marcassita, quartzo, tridimita e cristobalita; rutilo, anatase (também conhecido como octaedrita) e brookita.

CINGONIAS (SISTEMAS CRISTALOGRÁFICOS). Todas as formas de cristais formam 7 sistemas (cúbico, tetragonal, hexagonal, trigonal, ortorrômbico, monoclínico, triclínico). Os sinais diagnósticos de singonia são eixos cristalográficos e ângulos formados por esses eixos.

No sistema triclínico existe um número mínimo de elementos de simetria. É seguido em ordem de complexidade pelos sistemas monoclínico, rômbico, tetragonal, trigonal, hexagonal e cúbico.

Sistema cúbico. Todos os três eixos têm o mesmo comprimento e estão localizados perpendicularmente entre si. Formas cristalinas típicas: cubo, octaedro, dodecaedro rômbico, dodecaedro pentágono, tetrágono-trioctaedro, hexaoctaedro.

Sistema tetragonal. Três eixos são perpendiculares entre si, dois eixos têm o mesmo comprimento, o terceiro (o eixo principal) é mais curto ou mais longo. As formas típicas de cristal são prismas, pirâmides, tetrágonos, trapezoedros e bipirâmides.

Sistema hexagonal. O terceiro e quarto eixos estão localizados obliquamente ao plano, têm comprimentos iguais e se cruzam em um ângulo de 120 o. O quarto eixo, diferente dos demais em tamanho, está localizado perpendicularmente aos demais. Tanto os eixos quanto os ângulos são semelhantes em localização ao sistema anterior, mas os elementos de simetria são muito diversos. As formas típicas de cristal são prismas triédricos, pirâmides, romboedros e escalenoedros.

Sistema rômbico. Caracterizado por três eixos perpendiculares entre si. As formas cristalinas típicas são pinacóides basais, prismas rômbicos, pirâmides rômbicas e bipirâmides.

Sistema monoclínico. Três eixos de comprimentos diferentes, o segundo é perpendicular aos demais, o terceiro forma um ângulo agudo com o primeiro. As formas típicas de cristal são pinacóides, prismas com bordas cortadas obliquamente.

Sistema triclínico. Todos os três eixos têm comprimentos diferentes e se cruzam em ângulos agudos. As formas típicas são monoedros e pinacóides.

Forma e crescimento do cristal. Cristais pertencentes à mesma espécie mineral têm aparência semelhante. Um cristal pode, portanto, ser caracterizado como uma combinação de parâmetros externos (faces, ângulos, eixos). Mas o tamanho relativo desses parâmetros é bem diferente. Conseqüentemente, um cristal pode mudar sua aparência (para não dizer aparência) dependendo do grau de desenvolvimento de certas formas. Por exemplo, uma forma piramidal, onde todas as faces convergem, colunar (em prisma perfeito), tabular, foliar ou globular.

Dois cristais com a mesma combinação de parâmetros externos podem ter aparências diferentes. Esta combinação depende da composição química do meio de cristalização e de outras condições de formação, que incluem temperatura, pressão, taxa de cristalização da substância, etc. Na natureza, ocasionalmente são encontrados cristais regulares que foram formados sob condições favoráveis ​​​​- por exemplo, gesso em ambiente argiloso ou minerais nas paredes do geodo. As faces desses cristais são bem desenvolvidas. Pelo contrário, os cristais formados sob condições variáveis ​​ou desfavoráveis ​​são frequentemente deformados.

UNIDADES. Muitas vezes existem cristais que não têm espaço suficiente para crescer. Esses cristais se fundiram com outros, formando massas e agregados irregulares. No espaço livre entre as rochas, os cristais se desenvolveram juntos, formando drusas, e nos vazios - geodos. Essas unidades são muito diversas em sua estrutura. Em pequenas fissuras do calcário existem formações que lembram samambaias petrificadas. São chamados de dendritos, formados a partir da formação de óxidos e hidróxidos de manganês e ferro sob a influência de soluções que circulam nessas fissuras. Consequentemente, os dendritos nunca são formados simultaneamente com resíduos orgânicos.

Duplas. Quando os cristais se formam, os gêmeos geralmente se formam quando dois cristais do mesmo tipo mineral crescem juntos de acordo com certas regras. Os duplos costumam ser indivíduos fundidos em um ângulo. A pseudosimetria freqüentemente se manifesta - vários cristais pertencentes a uma classe de simetria inferior crescem juntos, formando indivíduos com pseudosimetria de ordem superior. Assim, a aragonita, pertencente ao sistema ortorrômbico, freqüentemente forma prismas gêmeos com pseudosimetria hexagonal. Na superfície de tais intercrescimentos há uma hachura fina formada por linhas de geminação.

SUPERFÍCIE DE CRISTAIS. Como já mencionado, as superfícies planas raramente são lisas. Muitas vezes apresentam sombreamento, faixas ou sulcos. Esses traços característicos auxiliam na identificação de muitos minerais - pirita, quartzo, gesso, turmalina.

PSEUDOMORFOSE. Pseudomorfos são cristais que possuem o formato de outro cristal. Por exemplo, a limonita ocorre na forma de cristais de pirita. As pseudomorfoses são formadas quando um mineral é completamente substituído quimicamente por outro, mantendo a forma do anterior.

As formas dos agregados cristalinos podem ser muito diversas. A foto mostra um agregado de natrolita radiante.
Uma amostra de gesso com cristais geminados em forma de cruz.

Propriedades físicas e químicas. Não apenas a forma externa e a simetria de um cristal são determinadas pelas leis da cristalografia e pelo arranjo dos átomos - isso também se aplica às propriedades físicas do mineral, que podem ser diferentes em diferentes direções. Por exemplo, a mica só pode separar-se em placas paralelas numa direcção, pelo que os seus cristais são anisotrópicos. As substâncias amorfas são iguais em todas as direções e, portanto, isotrópicas. Tais qualidades também são importantes para o diagnóstico destes minerais.

Densidade. A densidade (gravidade específica) dos minerais é a razão entre seu peso e o peso do mesmo volume de água. A determinação da gravidade específica é uma importante ferramenta de diagnóstico. Predominam minerais com densidade de 2-4. Uma avaliação de peso simplificada ajudará no diagnóstico prático: minerais leves têm peso de 1 a 2, minerais de densidade média - de 2 a 4, minerais pesados ​​de 4 a 6, minerais muito pesados ​​- mais de 6.

PROPRIEDADES MECÂNICAS. Isso inclui dureza, clivagem, superfície do chip e viscosidade. Essas propriedades dependem da estrutura cristalina e são usadas para selecionar técnicas de diagnóstico.

DUREZA. É muito fácil arranhar um cristal de calcita com a ponta de uma faca, mas é improvável que isso seja possível com um cristal de quartzo - a lâmina deslizará pela pedra sem deixar arranhões. Isto significa que a dureza destes dois minerais é diferente.

A dureza em relação ao risco é a resistência de um cristal à deformação externa da superfície, ou seja, resistência à deformação mecânica externa. Friedrich Mohs (1773-1839) propôs uma escala de graus de dureza relativa, onde cada mineral apresenta uma dureza ao risco superior ao anterior: 1. Talco. 2. Gesso. 3. Calcita. 4. Fluorita. 5. Apatita. 6. Feldspato. 7. Quartzo. 8. Topázio. 9. Corindo. 10. Diamante. Todos esses valores se aplicam apenas a amostras frescas e não intemperizadas.

A dureza pode ser avaliada de forma simplificada. Minerais com dureza 1 são facilmente arranhados com a unha; ao mesmo tempo, são gordurosos ao toque. A superfície dos minerais com dureza 2 também é arranhada com a unha. Um fio de cobre ou pedaço de cobre risca minerais com dureza 3. A ponta de um canivete risca minerais com dureza 5; bom arquivo novo - quartzo. Minerais com dureza superior a 6 riscam o vidro (dureza 5). Mesmo um bom arquivo não leva de 6 a 8; faíscas voam ao tentar tais coisas. Para determinar a dureza, amostras de dureza crescente são testadas até ceder; então eles pegam uma amostra, o que é obviamente ainda mais difícil. O contrário deve ser feito caso seja necessário determinar a dureza de um mineral rodeado por rocha cuja dureza seja inferior à do mineral necessário para a amostra.

Talco e diamante são dois minerais nos extremos da escala de dureza de Mohs.

É fácil tirar conclusões com base no fato de um mineral deslizar pela superfície de outro ou raspá-lo com um leve rangido. Os seguintes casos podem ocorrer:
1. A dureza é a mesma se a amostra e o mineral não se arranharem mutuamente.
2. É possível que ambos os minerais estejam se arranhando, uma vez que as pontas e cristas do cristal podem ser mais duras do que as faces ou planos de clivagem. Portanto, é possível riscar a face de um cristal de gesso ou o seu plano de clivagem com a ponta de outro cristal de gesso.
3. O mineral risca a primeira amostra e uma amostra de classe de dureza mais alta a risca. Sua dureza está no meio entre as amostras utilizadas para comparação, podendo ser estimada em meia classe.

Apesar da óbvia simplicidade desta determinação da dureza, muitos fatores podem levar a um resultado falso. Por exemplo, tomemos um mineral cujas propriedades variam muito em diferentes direções, como a cianita: verticalmente a dureza é 4-4,5, e a ponta de uma faca deixa uma marca clara, mas na direção perpendicular a dureza é 6-7 e o a faca não risca o mineral. A origem do nome deste mineral está associada a esta característica e a enfatiza de forma muito expressiva. Portanto, é necessário realizar testes de dureza em diferentes direções.

Alguns agregados apresentam dureza superior aos componentes (cristais ou grãos) que os compõem; Pode acontecer que um pedaço denso de gesso seja difícil de arranhar com a unha. Pelo contrário, alguns agregados porosos são menos sólidos, o que é explicado pela presença de vazios entre os grânulos. Portanto, o giz é arranhado com a unha, embora seja constituído por cristais de calcita com dureza 3. Outra fonte de erros são os minerais que sofreram algum tipo de alteração. É impossível avaliar a dureza de amostras pulverulentas e desgastadas ou agregados com estrutura escamosa e em forma de agulha usando meios simples. Nesses casos, é melhor usar outros métodos.

Decote. Ao bater nos cristais com um martelo ou pressionar uma faca ao longo dos planos de clivagem, o cristal às vezes pode ser dividido em placas. A clivagem aparece ao longo de planos com coesão mínima. Muitos minerais apresentam clivagem em diversas direções: halita e galena - paralelas às faces do cubo; fluorita - ao longo das faces do octaedro, calcita - ao longo do romboedro. Cristal de mica-moscovita; Os planos de clivagem são claramente visíveis (foto à direita).

Minerais como mica e gesso apresentam clivagem perfeita em uma direção, mas clivagem imperfeita ou nenhuma clivagem em outras direções. Após observação cuidadosa, pode-se notar dentro dos cristais transparentes os melhores planos de clivagem ao longo de direções cristalográficas bem definidas.

Superfície de fratura. Muitos minerais, como quartzo e opala, não apresentam clivagem em nenhuma direção. Seu volume se divide em pedaços irregulares. A superfície do chip pode ser descrita como plana, irregular, concoidal, semiconcoidal ou áspera. Metais e minerais duros têm uma superfície rugosa. Esta propriedade pode servir como um sinal de diagnóstico.

Outras propriedades mecânicas. Alguns minerais (pirita, quartzo, opala) se quebram quando atingidos por um martelo - são quebradiços. Outros, ao contrário, viram pó sem produzir detritos.

Minerais maleáveis ​​podem ser achatados, como metais nativos puros. Eles não produzem pó ou detritos. Folhas finas de mica podem ser dobradas como madeira compensada. Após a cessação da exposição, eles retornarão ao seu estado original - esta é uma propriedade da elasticidade. Outros, como o gesso e a pirita, podem ser dobrados, mas permanecerão deformados – esta é a propriedade da flexibilidade. Tais características permitem reconhecer minerais semelhantes - por exemplo, distinguir a mica elástica do clorito flexível.

Coloração. Alguns minerais têm uma cor tão pura e bonita que são utilizados como tintas ou vernizes. Seus nomes são frequentemente usados ​​​​na fala cotidiana: verde esmeralda, vermelho rubi, turquesa, ametista, etc. A cor dos minerais, um dos principais sinais diagnósticos, não é constante nem eterna.

Existem vários minerais cuja cor é constante - a malaquita é sempre verde, a grafite é preta, o enxofre nativo é amarelo. Minerais comuns como quartzo (cristal de rocha), calcita e halita (sal de cozinha) são incolores quando não contêm impurezas. Porém, a presença deste último causa coloração, e conhecemos o sal azul, o quartzo amarelo, rosa, roxo e marrom. A fluorita possui toda uma gama de cores.

A presença de elementos impureza na fórmula química do mineral leva a uma cor muito específica. Esta fotografia mostra o quartzo verde (prasem), que na sua forma pura é completamente incolor e transparente.

Turmalina, apatita e berilo possuem cores diferentes. A cor não é uma característica diagnóstica indiscutível de minerais que possuem tonalidades diferentes. A cor do mineral também depende da presença de elementos de impureza incluídos na rede cristalina, bem como de vários pigmentos, impurezas e inclusões no cristal hospedeiro. Às vezes, pode estar associado à exposição à radiação. Alguns minerais mudam de cor dependendo da luz. Assim, a alexandrita é verde à luz do dia e roxa à luz artificial.

Para alguns minerais, a intensidade da cor muda quando as faces do cristal são giradas em relação à luz. A cor do cristal de cordierita muda de azul para amarelo quando girado. A razão para esse fenômeno é que tais cristais, chamados pleocróicos, absorvem a luz de maneira diferente dependendo da direção do feixe.

A cor de alguns minerais também pode mudar se estiver presente uma película de cor diferente. Como resultado da oxidação, esses minerais ficam cobertos por uma camada que pode de alguma forma suavizar o efeito da luz solar ou artificial. Algumas pedras preciosas perdem a cor se expostas à luz solar por um período de tempo: a esmeralda perde sua cor verde profunda, a ametista e o quartzo rosa desbotam.

Muitos minerais que contêm prata (por exemplo, pirargirita e proustita) também são sensíveis à luz solar (insolação). A apatita sob a influência da insolação fica coberta por um véu preto. Os coletores devem proteger esses minerais da exposição à luz. A cor vermelha do realgar se transforma em amarelo dourado ao sol. Essas mudanças de cor ocorrem muito lentamente na natureza, mas você pode alterar artificialmente a cor de um mineral muito rapidamente, acelerando os processos que ocorrem na natureza. Por exemplo, quando aquecido, o citrino amarelo pode ser obtido a partir da ametista roxa; Diamantes, rubis e safiras são “aprimorados” artificialmente por meio de radiação e raios ultravioleta. Devido à forte irradiação, o cristal de rocha se transforma em quartzo fumê. A ágata, se sua cor cinza não parecer muito atraente, pode ser tingida novamente mergulhando-a em uma solução fervente de corante de anilina comum para tecidos.

COR EM PÓ (TRAIT). A cor da faixa é determinada esfregando-se na superfície áspera da porcelana não esmaltada. Deve-se lembrar que a porcelana tem dureza de 6 a 6,5 ​​na escala de Mohs, e minerais com maior dureza deixarão apenas pó branco de porcelana moída. Você sempre pode colocar o pó em um pilão. Os minerais coloridos sempre dão uma linha mais clara, incolor e branco - branco. Normalmente, uma faixa branca ou cinza é observada em minerais coloridos artificialmente ou que contêm impurezas e pigmentos. Muitas vezes parece turvo, pois em uma cor diluída sua intensidade é determinada pela concentração da matéria corante. A cor do traço dos minerais com brilho metálico é diferente da sua própria cor. A pirita amarela apresenta uma faixa preto-esverdeada; a hematita preta é um vermelho cereja, a volframita preta é marrom e a cassiterita é uma faixa quase incolor. Uma linha colorida torna a identificação de um mineral mais rápida e fácil do que uma linha diluída ou incolor.

BRILHAR. Assim como a cor, é um método eficaz de identificação de um mineral. O brilho depende de como a luz é refletida e refratada na superfície do cristal. Existem minerais com brilho metálico e não metálico. Se não puderem ser distinguidos, podemos falar de um brilho semimetálico. Minerais metálicos opacos (pirita, galena) são altamente reflexivos e possuem brilho metálico. Para outro grupo importante de minerais (blenda de zinco, cassiterita, rutilo, etc.) é difícil determinar o brilho. Para minerais com brilho não metálico, as seguintes categorias são diferenciadas de acordo com a intensidade e propriedades do brilho:

1. Brilho de diamante, como um diamante.
2. Brilho do vidro.
3. Brilho oleoso.
4. Brilho opaco (em minerais com baixa refletividade).

O brilho pode estar associado à estrutura do agregado e à direção da clivagem dominante. Os minerais com composição em camadas finas possuem brilho perolado.

TRANSPARÊNCIA. A transparência de um mineral é uma qualidade altamente variável: um mineral opaco pode facilmente ser classificado como transparente. A maior parte dos cristais incolores (cristal de rocha, halita, topázio) pertence a este grupo. A transparência depende da estrutura do mineral - alguns agregados e pequenos grãos de gesso e mica aparecem opacos ou translúcidos, enquanto os cristais desses minerais são transparentes. Mas se você olhar os pequenos grânulos e agregados com uma lupa, verá que eles são transparentes.

ÍNDICE DE REFRAÇÃO. O índice de refração é uma importante constante óptica de um mineral. É medido com equipamento especial. Quando um feixe de luz penetra em um cristal anisotrópico, ocorre a refração do feixe. Essa birrefringência cria a impressão de que existe um segundo objeto virtual paralelo ao cristal que está sendo estudado. Um fenômeno semelhante pode ser observado através de um cristal transparente de calcita.

LUMINESCÊNCIA. Alguns minerais, como a scheelita e a willemita, quando irradiados com raios ultravioleta, brilham com uma luz específica, que em alguns casos pode durar algum tempo. A fluorita brilha quando aquecida em um local escuro - esse fenômeno é chamado de termoluminescência. Quando alguns minerais são friccionados, ocorre outro tipo de brilho - triboluminescência. Esses diferentes tipos de luminescência são uma característica que permite diagnosticar facilmente vários minerais.

CONDUTIVIDADE TÉRMICA. Se você pegar um pedaço de âmbar e um pedaço de cobre na mão, parecerá que um deles é mais quente que o outro. Essa impressão se deve às diferentes condutividades térmicas desses minerais. É assim que as imitações de vidro de pedras preciosas podem ser distinguidas; Para isso, é necessário colocar uma pedrinha na bochecha, onde a pele fica mais sensível ao calor.

As seguintes propriedades podem ser determinados pelas sensações que evocam em uma pessoa. O grafite e o talco são suaves ao toque, enquanto o gesso e o caulim são secos e ásperos. Minerais solúveis em água, como halita, silvinita, epsomita, têm um sabor específico - salgado, amargo, azedo. Alguns minerais (enxofre, arsenopirita e fluorita) possuem um odor facilmente reconhecível que ocorre imediatamente após o impacto com a amostra.

MAGNETISMO. Fragmentos ou pó de alguns minerais, principalmente aqueles com alto teor de ferro, podem ser distinguidos de outros minerais semelhantes por meio de um ímã. Magnetita e pirrotita são altamente magnéticas e atraem limalha de ferro. Alguns minerais, como a hematita, tornam-se magnéticos quando aquecidos ao calor vermelho.

PROPRIEDADES QUIMICAS. A identificação de minerais com base em suas propriedades químicas requer, além de equipamentos especializados, amplo conhecimento de química analítica.

Existe um método simples de determinação de carbonatos, acessível a não profissionais - a ação de uma solução fraca de ácido clorídrico (em vez disso, você pode tomar vinagre de mesa comum - ácido acético diluído, que está na cozinha). Dessa forma, você pode distinguir facilmente uma amostra de calcita incolor de gesso branco - você precisa colocar um ácido na amostra. O gesso não reage a isso, mas a calcita “ferve” quando o dióxido de carbono é liberado.

As principais propriedades dos cristais - anisotropia, homogeneidade, capacidade de combustão e presença de ponto de fusão constante - são determinadas pela sua estrutura interna.

Arroz. 1. Um exemplo de anisotropia é um cristal do mineral disteno. Na direção longitudinal sua dureza é 4,5, na direção transversal é 6. © Parent Géry

Essa propriedade também é chamada de desigualdade. Isso se expressa no fato de que as propriedades físicas dos cristais (dureza, resistência, condutividade térmica, condutividade elétrica, velocidade de propagação da luz) não são iguais nas diferentes direções. As partículas que formam uma estrutura cristalina em direções não paralelas estão espaçadas a diferentes distâncias umas das outras, pelo que as propriedades da substância cristalina em tais direções devem ser diferentes. Um exemplo típico de substância com anisotropia pronunciada é a mica. As placas cristalinas deste mineral são facilmente divididas apenas ao longo de planos paralelos à sua lamelaridade. Nas direções transversais é muito mais difícil dividir placas de mica.

A anisotropia também se manifesta no fato de que quando um cristal é exposto a qualquer solvente, a taxa das reações químicas é diferente em diferentes direções. Com isso, cada cristal, ao ser dissolvido, adquire formas características próprias, chamadas de figuras de gravura.

As substâncias amorfas são caracterizadas pela isotropia (equivalência) - as propriedades físicas manifestam-se igualmente em todas as direções.

Uniformidade

Expressa-se no fato de que quaisquer volumes elementares de uma substância cristalina, orientados de forma idêntica no espaço, são absolutamente idênticos em todas as suas propriedades: têm a mesma cor, massa, dureza, etc. Assim, todo cristal é um corpo homogêneo, mas ao mesmo tempo anisotrópico.

A homogeneidade não é inerente apenas aos corpos cristalinos. As formações amorfas sólidas também podem ser homogêneas. Mas os corpos amorfos não podem assumir por si próprios uma forma multifacetada.

Capacidade de autocontrole

A capacidade de autocorte se expressa no fato de que qualquer fragmento ou bola usinada a partir de um cristal em um ambiente adequado ao seu crescimento ao longo do tempo fica coberto com bordas características de um determinado cristal. Esta característica está relacionada à estrutura cristalina. Uma bola de vidro, por exemplo, não possui tal característica.

Cristais da mesma substância podem diferir uns dos outros em tamanho, número de faces, bordas e formato das faces. Isto depende das condições de formação do cristal. Com crescimento desigual, os cristais ficam achatados, alongados, etc. Os ângulos entre as faces correspondentes do cristal em crescimento permanecem inalterados. Esta característica dos cristais é conhecida como lei da constância dos ângulos facetários. Neste caso, o tamanho e a forma das faces dos diferentes cristais da mesma substância, a distância entre eles e até o seu número podem mudar, mas os ângulos entre as faces correspondentes em todos os cristais da mesma substância permanecem constantes nas mesmas condições. de pressão e temperatura.

A lei da constância dos ângulos facetários foi estabelecida no final do século XVII pelo cientista dinamarquês Steno (1699) em cristais de brilho de ferro e cristal de rocha; esta lei foi posteriormente confirmada por M.V. Lomonosov (1749) e o cientista francês Rome de Lille (1783). A lei da constância dos ângulos facetários é chamada de primeira lei da cristalografia.

A lei da constância dos ângulos facetários é explicada pelo fato de que todos os cristais de uma substância são idênticos em estrutura interna, ou seja, têm a mesma estrutura.

De acordo com esta lei, os cristais de uma determinada substância são caracterizados pelos seus ângulos específicos. Portanto, medindo os ângulos é possível comprovar que o cristal em estudo pertence a uma determinada substância. Um dos métodos para diagnosticar cristais é baseado nisso.

Para medir os ângulos diédricos dos cristais, foram inventados dispositivos especiais - goniômetros.

Ponto de fusão constante

Expressa-se no fato de que quando um corpo cristalino é aquecido, a temperatura sobe até um certo limite; com mais aquecimento, a substância começa a derreter e a temperatura permanece constante por algum tempo, pois todo o calor vai destruir a estrutura cristalina. A temperatura na qual a fusão começa é chamada de ponto de fusão.

As substâncias amorfas, ao contrário das cristalinas, não possuem um ponto de fusão claramente definido. Nas curvas de resfriamento (ou aquecimento) de substâncias cristalinas e amorfas, pode-se observar que no primeiro caso existem duas inflexões acentuadas, correspondendo ao início e ao final da cristalização; no caso do resfriamento de uma substância amorfa, temos uma curva suave. Por esta característica é fácil distinguir as substâncias cristalinas das amorfas.

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São comunspropriedades dos cristais

Introdução

Os cristais são substâncias sólidas que apresentam uma forma externa natural de poliedros simétricos regulares com base na sua estrutura interna, ou seja, num dos vários arranjos regulares específicos das partículas que compõem a substância.

A física do estado sólido é baseada no conceito de cristalinidade da matéria. Todas as teorias das propriedades físicas dos sólidos cristalinos são baseadas na ideia da periodicidade perfeita das redes cristalinas. Usando esta ideia e os conceitos resultantes sobre a simetria e anisotropia dos cristais, os físicos desenvolveram uma teoria da estrutura eletrônica dos sólidos. Esta teoria permite dar uma classificação rigorosa dos sólidos, determinando o seu tipo e propriedades macroscópicas. No entanto, permite classificar apenas substâncias conhecidas e estudadas e não permite predeterminar a composição e estrutura de novas substâncias complexas que teriam um determinado conjunto de propriedades. Este último problema é especialmente importante para a prática, pois a sua solução permitiria criar materiais à medida para cada caso específico. Sob condições externas apropriadas, as propriedades das substâncias cristalinas são determinadas pela sua composição química e pelo tipo de rede cristalina. O estudo da dependência das propriedades de uma substância em sua composição química e estrutura cristalina é geralmente dividido nas seguintes etapas distintas: 1) estudo geral dos cristais e do estado cristalino da matéria 2) construção da teoria das ligações químicas e sua aplicação ao estudo de diversas classes de substâncias cristalinas 3) estudo dos padrões gerais de mudanças na estrutura das substâncias cristalinas quando sua composição química muda, 4) estabelecimento de regras que permitem predeterminar a composição química e a estrutura das substâncias que possuem um certo conjunto de propriedades físicas.

Básicopropriedades dos cristais- anisotropia, homogeneidade, capacidade de autocombustão e presença de ponto de fusão constante.

1. Anisotropia

anisotropia de cristal autocombustível

Anisotropia - se expressa no fato de que as propriedades físicas dos cristais não são iguais em diferentes direções. As grandezas físicas incluem os seguintes parâmetros: resistência, dureza, condutividade térmica, velocidade da luz, condutividade elétrica. Um exemplo típico de substância com anisotropia pronunciada é a mica. Placas de mica cristalina são facilmente divididas apenas ao longo dos planos. Nas direções transversais é muito mais difícil partir as placas desse mineral.

Um exemplo de anisotropia é o cristal do mineral disteno. Na direção longitudinal, o disteno tem dureza de 4,5, na direção transversal - 6. O mineral disteno (Al 2 O), caracterizado por durezas nitidamente diferentes em direções desiguais. Ao longo da extensão, os cristais de disteno são facilmente arranhados pela lâmina da faca, na direção perpendicular à extensão a faca não deixa marcas.

Arroz. 1 Cristal de Dyteno

Cordierita mineral (Mg 2 Al 3). Mineral, aluminossilicato de magnésio e ferro. O cristal de cordierita aparece com cores diferentes em três direções diferentes. Se você cortar um cubo com bordas desse cristal, notará o seguinte. Perpendicular a essas direções, depois ao longo da diagonal do cubo (de cima para cima há uma cor azul acinzentada, na direção vertical - azul índigo, e na direção através do cubo - amarelo.

Arroz. 2 Cubos cortados em cordierita.

Um cristal de sal de cozinha em forma de cubo. A partir desse cristal, hastes podem ser cortadas em várias direções. Três deles são perpendiculares às faces do cubo, paralelos à diagonal

Cada um dos exemplos é excepcional em sua especificidade. Mas através de pesquisas precisas, os cientistas chegaram à conclusão de que todos os cristais são anisotrópicos de uma forma ou de outra. Além disso, as formações amorfas sólidas podem ser homogêneas e até anisotrópicas (a anisotropia, por exemplo, pode ser observada quando o vidro é esticado ou comprimido), mas os próprios corpos amorfos não podem assumir uma forma multifacetada, em nenhuma circunstância.

Arroz. 3 Detecção de anisotropia de condutividade térmica em quartzo (a) e sua ausência em vidro (b)

Como exemplo (Fig. 1) das propriedades anisotrópicas das substâncias cristalinas, devemos antes de mais nada mencionar a anisotropia mecânica, que consiste no seguinte. Todas as substâncias cristalinas não se dividem igualmente em direções diferentes (mica, gesso, grafite, etc.). As substâncias amorfas dividem-se igualmente em todas as direções, porque o amorfismo é caracterizado pela isotropia (equivalência) - as propriedades físicas manifestam-se igualmente em todas as direções.

A anisotropia da condutividade térmica pode ser facilmente observada no seguinte experimento simples. Aplique uma camada de cera colorida na face de um cristal de quartzo e leve uma agulha aquecida em uma lamparina a álcool até o centro da face. O círculo de cera derretido resultante ao redor da agulha assumirá a forma de uma elipse na borda do prisma ou a forma de um triângulo irregular em uma das faces da cabeça do cristal. Em uma substância isotrópica, por exemplo, o vidro, o formato da cera derretida será sempre um círculo regular.

A anisotropia também se manifesta no fato de que quando qualquer solvente interage com um cristal, a taxa das reações químicas é diferente em diferentes direções. Como resultado, cada cristal, quando dissolvido, acaba adquirindo sua forma característica.

Em última análise, a razão para a anisotropia dos cristais é que, com um arranjo ordenado de íons, moléculas ou átomos, as forças de interação entre eles e as distâncias interatômicas (bem como algumas quantidades não diretamente relacionadas a eles, por exemplo, condutividade elétrica ou polarizabilidade) acabam sendo desiguais em diferentes direções. O motivo da anisotropia de um cristal molecular também pode ser a assimetria de suas moléculas, gostaria de observar que todos os aminoácidos, exceto o mais simples - a glicina, são assimétricos.

Qualquer partícula de um cristal possui uma composição química estritamente definida. Esta propriedade das substâncias cristalinas é usada para obter substâncias quimicamente puras. Por exemplo, quando a água do mar está congelada, torna-se fresca e potável. Agora adivinhe se o gelo marinho é fresco ou salgado?

2. Uniformidade

A homogeneidade se expressa no fato de que quaisquer volumes elementares de uma substância cristalina, orientados de forma idêntica no espaço, são absolutamente idênticos em todas as suas propriedades: têm a mesma cor, massa, dureza, etc. Assim, todo cristal é um corpo homogêneo, mas ao mesmo tempo anisotrópico. Um corpo é considerado homogêneo se a distâncias finitas de qualquer ponto existirem outros que lhe sejam equivalentes não só fisicamente, mas também geometricamente. Em outras palavras, eles estão no mesmo ambiente que os originais, uma vez que a colocação de partículas materiais no espaço cristalino é “controlada” pela rede espacial, podemos assumir que a face do cristal é uma rede nodal plana materializada, e o aresta é uma linha nodal materializada. Via de regra, faces cristalinas bem desenvolvidas são determinadas por redes nodais com maior densidade de nós. O ponto onde três ou mais faces se encontram é chamado de vértice do cristal.

A homogeneidade não é inerente apenas aos corpos cristalinos. As formações amorfas sólidas também podem ser homogêneas. Mas os corpos amorfos não podem assumir por si próprios uma forma multifacetada.

Estão em andamento desenvolvimentos que podem aumentar o coeficiente de uniformidade do cristal.

Esta invenção foi patenteada pelos nossos cientistas russos. A invenção refere-se à indústria açucareira, em particular à produção de massa cozida. A invenção proporciona um aumento no coeficiente de uniformidade dos cristais na massa cozida, e também ajuda a aumentar a taxa de crescimento dos cristais na fase final de crescimento devido a um aumento gradual no coeficiente de supersaturação.

As desvantagens deste método conhecido são o baixo coeficiente de uniformidade dos cristais na massa cozida da primeira cristalização e a duração significativa de obtenção da massa cozida.

O resultado técnico da invenção é aumentar o coeficiente de uniformidade dos cristais na massa cozida de primeira cristalização e intensificar o processo de obtenção da massa cozida.

3. Capacidade de autocontrole

A capacidade de autocorte se expressa no fato de que qualquer fragmento ou bola usinada a partir de um cristal em um ambiente adequado ao seu crescimento ao longo do tempo fica coberto com bordas características de um determinado cristal. Esta característica está relacionada à estrutura cristalina. Uma bola de vidro, por exemplo, não possui tal característica.

As propriedades mecânicas dos cristais incluem propriedades associadas a efeitos mecânicos sobre eles, como impacto, compressão, tensão, etc. (clivagem, deformação plástica, fratura, dureza, fragilidade).

A capacidade de autolimitação, ou seja, sob certas condições, assume uma forma natural multifacetada. Isto também revela sua correta estrutura interna. É esta propriedade que distingue uma substância cristalina de uma amorfa. Um exemplo ilustra isso. Duas bolas esculpidas em quartzo e vidro são mergulhadas em uma solução de sílica. Como resultado, a bola de quartzo ficará coberta de bordas, mas a de vidro permanecerá redonda.

Cristais do mesmo mineral podem ter diferentes formas, tamanhos e número de faces, mas os ângulos entre as faces correspondentes serão sempre constantes (Fig. 4 a-d) - esta é a lei da constância dos ângulos facetários nos cristais. Neste caso, o tamanho e a forma das faces dos diferentes cristais da mesma substância, a distância entre eles e até o seu número podem mudar, mas os ângulos entre as faces correspondentes em todos os cristais da mesma substância permanecem constantes nas mesmas condições. de pressão e temperatura. Os ângulos entre as faces do cristal são medidos usando um goniômetro (transferidor). A lei da constância dos ângulos facetários é explicada pelo fato de que todos os cristais de uma substância são idênticos em estrutura interna, ou seja, têm a mesma estrutura.

De acordo com esta lei, os cristais de uma determinada substância são caracterizados pelos seus ângulos específicos. Portanto, medindo os ângulos é possível comprovar que o cristal em estudo pertence a uma determinada substância.

Cristais formados idealmente exibem simetria, o que é extremamente raro em cristais naturais devido ao rápido crescimento das faces (Fig. 4e).

Arroz. 4ª lei da constância dos ângulos facetários em cristais (a-d) e o crescimento das faces principais 1,3 e 5 de um cristal crescendo na parede de uma cavidade cristalina (e)

A clivagem é uma propriedade dos cristais em que eles se dividem ou se dividem ao longo de certas direções cristalográficas, resultando na formação de planos suaves chamados planos de clivagem.

Os planos de clivagem são orientados paralelamente às faces reais ou possíveis do cristal. Esta propriedade depende inteiramente da estrutura interna dos minerais e se manifesta nas direções em que as forças de adesão entre as partículas materiais das redes cristalinas são menores.

Dependendo do grau de perfeição, vários tipos de decote podem ser distinguidos:

Muito perfeito - o mineral divide-se facilmente em placas ou folhas finas individuais, é muito difícil dividi-lo em outra direção (micas, gesso, talco, clorito).

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

Perfeito - o mineral se divide com relativa facilidade, principalmente ao longo dos planos de clivagem, e os pedaços quebrados geralmente se assemelham a cristais individuais (calcita, galena, halita, fluorita).

Arroz. 6 calcita

Médio - durante a divisão, tanto os planos de clivagem quanto as fraturas irregulares são formados em direções aleatórias (piroxênios, feldspatos).

Arroz. 7 Feldspatos ((K, Na, Ca, às vezes Ba) (Al 2 Si 2 ou AlSi 3 ) O 8))

Imperfeito - minerais se dividem em direções arbitrárias com a formação de superfícies de fratura irregulares; planos de clivagem individuais são difíceis de detectar (enxofre nativo, pirita, apatita, olivina).

Arroz. 8 cristais de apatita (Ca 5 3 (F, Cl, OH))

Em alguns minerais, quando fissurados, formam-se apenas superfícies irregulares, neste caso falam de clivagem muito imperfeita ou de sua ausência (quartzo).

Arroz. 9 Quartzo (SiO2)

A clivagem pode aparecer em uma, duas, três e raramente mais direções. Para caracterizá-lo mais detalhadamente, indique a direção em que a clivagem corre, por exemplo, ao longo de um romboedro para calcita, ao longo de um cubo para halita e galena, ao longo de um octaedro para fluorita.

Os planos de clivagem devem ser diferenciados das faces do cristal: o plano, via de regra, tem brilho mais forte, forma uma série de planos paralelos entre si e, ao contrário das faces do cristal, nas quais não podemos observar sombreamento.

Assim, a clivagem pode ser rastreada em uma (mica), duas (feldspatos), três (calcita, halita), quatro (fluorita) e seis (esfalerita) direções. O grau de perfeição da clivagem depende da estrutura da rede cristalina de cada mineral, uma vez que a ruptura ao longo de alguns planos (redes planas) desta rede devido a ligações mais fracas ocorre com muito mais facilidade do que em outras direções. No caso de forças de adesão iguais entre as partículas de cristal, não há clivagem (quartzo).

Fratura - a capacidade dos minerais de se dividirem não ao longo de planos de clivagem, mas ao longo de uma superfície irregular complexa

Separação é a propriedade de alguns minerais de se dividirem com a formação de planos paralelos, embora na maioria das vezes não inteiramente uniformes, não determinados pela estrutura da rede cristalina, que às vezes é confundida com clivagem. Em contraste com a clivagem, a separatividade é uma propriedade apenas de alguns espécimes individuais de um determinado mineral, e não da espécie mineral como um todo. A principal diferença entre separação e clivagem é que os chips resultantes não podem ser divididos em fragmentos menores, mesmo com chips paralelos.

Simetria- o padrão mais geral associado à estrutura e propriedades de uma substância cristalina. É um dos conceitos fundamentais generalizantes da física e das ciências naturais em geral. “Simetria é a propriedade das figuras geométricas de repetirem suas partes, ou, mais precisamente, sua propriedade em diferentes posições de se alinharem com a posição original.” Para facilitar o estudo, são utilizados modelos de cristal que transmitem as formas dos cristais ideais. Para descrever a simetria dos cristais, é necessário determinar os elementos de simetria. Assim, um objeto simétrico é aquele que pode ser combinado consigo mesmo por meio de certas transformações: rotações e/ou reflexões (Figura 10).

1. O plano de simetria é um plano imaginário que divide o cristal em duas partes iguais, sendo uma das partes, por assim dizer, uma imagem espelhada da outra. Um cristal pode ter vários planos de simetria. O plano de simetria é designado pela letra latina P.

2. O eixo de simetria é uma linha, quando girada 360° em torno da qual o cristal repete sua posição inicial no espaço o enésimo número de vezes. Denotado pela letra L. n - determina a ordem do eixo de simetria, que na natureza só pode ser de 2ª, 3ª, 4ª e 6ª ordem, ou seja, L2, L3, L4 e L6. Não existem eixos de quinta ou superior ordem nos cristais, e os eixos de primeira ordem não são levados em consideração.

3. Centro de simetria - um ponto imaginário localizado dentro do cristal no qual as linhas que conectam os pontos correspondentes na superfície do cristal se cruzam e se cruzam ao meio1. O centro de simetria é designado pela letra C.

Toda a variedade de formas cristalinas encontradas na natureza está unida em sete sistemas (sistemas): 1) cúbico; 2) hexagonal; 3) tetragonal (quadrado); 4) trigonal; 5) rômbico; 6) monoclinal e 7) triclínica.

4. Ponto de fusão constante

A fusão é a transição de uma substância do estado sólido para o estado líquido.

Expressa-se no fato de que quando um corpo cristalino é aquecido, a temperatura sobe até um certo limite; com mais aquecimento, a substância começa a derreter e a temperatura permanece constante por algum tempo, pois todo o calor vai destruir a estrutura cristalina. Acredita-se que a razão para este fenômeno seja que a maior parte da energia do aquecedor fornecida ao corpo sólido vai para a redução das ligações entre as partículas da substância, ou seja, para destruir a estrutura cristalina. Ao mesmo tempo, a energia de interação entre as partículas aumenta. Uma substância fundida possui maior reserva de energia interna do que no estado sólido. A parte restante do calor de fusão é gasta na realização de trabalhos para alterar o volume do corpo durante sua fusão. A temperatura na qual a fusão começa é chamada de ponto de fusão.

Ao derreter, o volume da maioria dos corpos cristalinos aumenta (3-6%) e ao solidificar diminui. Mas existem substâncias cujo volume diminui quando derretido e quando solidificado aumenta.

Estes incluem, por exemplo, água e ferro fundido, silício e alguns outros. É por isso que o gelo flutua na superfície da água e o ferro fundido sólido flutua em seu próprio derretimento.

As substâncias amorfas, ao contrário das cristalinas, não possuem um ponto de fusão claramente definido (âmbar, resina, vidro).

Arroz. 12Âmbar

A quantidade de calor necessária para fundir uma substância é igual ao produto do calor específico de fusão pela massa da substância.

O calor específico de fusão mostra quanto calor é necessário para transformar completamente 1 kg de uma substância de sólido em líquido, medido à taxa de fusão.

A unidade SI de calor específico de fusão é 1J/kg.

Durante o processo de fusão, a temperatura do cristal permanece constante. Essa temperatura é chamada de ponto de fusão. Cada substância tem seu próprio ponto de fusão.

O ponto de fusão de uma determinada substância depende da pressão atmosférica.

Em corpos cristalinos no ponto de fusão, a substância pode ser observada simultaneamente nos estados sólido e líquido. Nas curvas de resfriamento (ou aquecimento) de substâncias cristalinas e amorfas, pode-se observar que no primeiro caso existem duas inflexões acentuadas, correspondendo ao início e ao final da cristalização; no caso do resfriamento de uma substância amorfa, temos uma curva suave. Por esta característica é fácil distinguir as substâncias cristalinas das amorfas.

Bibliografia

1. Manual do Químico 21 “QUÍMICA E TECNOLOGIA QUÍMICA” página 10 (http://chem21.info/info/1737099/)

2. Manual de Geologia (http://www.geolib.net/crystallography/vazhneyshie-svoystva-kristallov.html)

3. “Universidade Federal dos Urais em homenagem ao primeiro presidente da Rússia B.N. Yeltsin", seção Cristalografia Geométrica (http://media.ls.urfu.ru/154/489/1317/)

4. Capítulo 1. Cristalografia com noções básicas de química de cristais e mineralogia (http://kafgeo.igpu.ru/web-text-books/geology/r1-1.htm)

5. Requerimento: 2008147470/13, 01/12/2008; IPC C13F1/02 (2006.01) C13F1/00 (2006.01). Titular(es) da patente: Instituição educacional estadual de ensino profissional superior Academia Tecnológica do Estado de Voronezh (RU) (http://bd.patent.su/2371000-2371999/pat/servl/servlet939d.html)

6. Universidade Pedagógica do Estado de Tula em homenagem a L.N. Departamento de Ecologia de Tolstoi Golynskaya F.A. “O conceito de minerais como substâncias cristalinas” (http://tsput.ru/res/geogr/geology/lec2.html)

7. Curso de formação em informática “Geologia Geral” Curso de aulas teóricas. Aula 3 (http://igd.sfu-kras.ru/sites/igd.institute.sfu-kras.ru/files/kurs-geologia/%D0% BB % D0% B5% D0% BA % D1% 86% D0% B8% D0% B8/%D0% BB % D0% B5% D0% BA % D1% 86% D0% B8% D1% 8F_3.htm)

8. Aula de física (http://class-fizika.narod.ru/8_11.htm)

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Aula 16

Propriedades físicas dos cristais

A física do estado sólido é o estudo da estrutura e das propriedades físicas dos sólidos. Estabelece a dependência das propriedades físicas da estrutura atômica de uma substância, desenvolve métodos para obtenção e estudo de novos materiais cristalinos com características específicas.

As propriedades físicas dos cristais são determinadas por:

1) a natureza dos elementos químicos que compõem os cristais;

2) tipo de ligação química;

3) a natureza geométrica da estrutura, ou seja, o arranjo relativo dos átomos na estrutura cristalina;

4) imperfeição da estrutura, ou seja, presença de defeitos.

Por outro lado, é pelas propriedades físicas dos cristais que costumamos julgar o tipo de ligação química.

A resistência dos cristais pode ser avaliada mais facilmente pelas suas propriedades mecânicas e térmicas. Quanto mais forte for o cristal, maior será a sua dureza e maior será o seu ponto de fusão. Se você estudar a mudança na dureza com uma mudança na composição em uma série de substâncias do mesmo tipo e comparar os dados obtidos com os valores correspondentes para temperaturas de fusão, poderá notar “paralelismo” na mudança nessas propriedades.

Deixe-me lembrá-lo de que a característica mais característica das propriedades físicas dos cristais é a sua simetria e anisotropia. Um meio anisotrópico é caracterizado pela dependência da propriedade medida na direção da medição.

Já dissemos que a química dos cristais está intimamente relacionada à cristalografia e à física. É por isso, a principal tarefa da física do cristal(um ramo da cristalografia que estuda as propriedades físicas dos cristais) é o estudo dos padrões das propriedades físicas dos cristais a partir de sua estrutura, bem como a dependência dessas propriedades de influências externas.

As propriedades físicas das substâncias podem ser divididas em dois grupos: propriedades sensíveis à estrutura e propriedades insensíveis à estrutura. Os primeiros dependem da estrutura atômica dos cristais, os últimos principalmente da estrutura eletrônica e do tipo de ligação química. Um exemplo do primeiro são as propriedades mecânicas (massa, densidade, capacidade térmica, ponto de fusão, etc.), um exemplo do último é a condutividade térmica e elétrica, propriedades ópticas e outras.

Assim, boa condutividade elétrica dos metais, devido à presença de elétrons livres, será observada não só nos cristais, mas também nos metais fundidos.

A natureza iônica da ligação se manifesta, em particular, no fato de que muitos sais, por exemplo, haletos de metais alcalinos, se dissolvem em solventes polares, dissociando-se em íons. Porém, o fato da falta de solubilidade ainda não pode servir como evidência da presença de uma ligação apolar em um composto. Assim, a energia de ligação, por exemplo, dos óxidos é tão maior que a energia de ligação dos halogenetos alcalinos que a constante dielétrica da água não é mais suficiente para separar os íons do cristal.

Além disso, alguns compostos, predominantemente com um tipo de ligação homeopolar, sob a influência da grande constante dielétrica de um solvente polar podem se dissociar em íons em solução, embora no estado cristalino possam não ser compostos iônicos (por exemplo, HCl, HBr).

Nas ligações heterodésmicas, algumas propriedades, como a resistência mecânica das ligações, dependem de apenas um tipo de ligação (mais fraca).

Portanto, um cristal pode ser considerado, por um lado, como um meio descontínuo (discreto). Por outro lado, uma substância cristalina pode ser considerada um meio anisotrópico contínuo. Neste caso, as propriedades físicas que aparecem em uma determinada direção não dependem de translações. Isso torna possível descrever a simetria das propriedades físicas usando grupos de simetria de pontos.

Ao descrever a simetria de um cristal, levamos em consideração apenas a forma externa, ou seja, consideramos a simetria das figuras geométricas. P. Curie mostrou que a simetria das figuras materiais é descrita por um número infinito de grupos de pontos, que no limite tendem aos sete grupos de simetria limitantes anteriormente considerados (famílias de um cone giratório, um cone fixo, um cilindro giratório, um torcido cilindro, cilindro fixo, família de esfera com pontos giratórios na superfície, família de esfera fixa).

Limitar grupos de pontos - Grupos Curie - são chamados de grupos de pontos contendo eixos de ordens infinitas. Existem apenas sete grupos de limites: ¥, ¥mm, ¥/m, ¥22, ¥/mm, ¥/¥, ¥/¥mm.

A conexão entre o grupo de simetria pontual de um cristal e a simetria de suas propriedades físicas foi formulada pelo físico alemão F. Neumann: um material, no que diz respeito às suas propriedades físicas, apresenta simetria do mesmo tipo que a sua forma cristalográfica. Esta posição é conhecida como princípio de Neumann.

Um aluno de F. Neman, o físico alemão W. Voigt, esclareceu significativamente este princípio e formulou-o da seguinte forma: um grupo de simetria de qualquer propriedade física deve incluir todos os elementos do grupo de simetria pontual de um cristal.

Consideremos algumas propriedades físicas dos cristais.

Densidade cristalina.

A densidade de uma substância depende da estrutura cristalina da substância, da sua composição química, do coeficiente de empacotamento atômico, das valências e dos raios das partículas que a compõem.

A densidade muda com as mudanças de temperatura e pressão, porque esses fatores causam expansão ou contração de uma substância.

A dependência da densidade na estrutura pode ser demonstrada usando o exemplo de três modificações de Al2SiO5:

· andaluzita (r = 3,14 – 3,16 g/cm3);

· silimanita (r = 3,23 – 3,27 g/cm3);

· cianita (r = 3,53 – 3,65 g/cm3).

À medida que o coeficiente de empacotamento da estrutura cristalina aumenta, a densidade da substância aumenta. Por exemplo, durante a transição polimórfica de grafite em diamante com uma mudança no número de coordenação dos átomos de carbono de 3 para 4, a densidade aumenta correspondentemente de 2,2 para 3,5 g/cm3).

A densidade dos cristais reais é geralmente menor que a densidade calculada (dos cristais ideais) devido à presença de defeitos em suas estruturas. A densidade do diamante, por exemplo, varia de 2,7 – 3,7 g/cm3. Assim, ao reduzir a densidade real dos cristais, pode-se avaliar o grau de sua defeituosidade.

A densidade também muda com uma mudança na composição química de uma substância durante substituições isomórficas - ao passar de um membro de uma série isomórfica para outro. Por exemplo, na série da olivina (mg, Fé2+ )2[ SiO4 ] a densidade aumenta à medida que os cátions Mg2+ são substituídos por Fe2+ de r = 3,22 g/cm3 para forsterita mg2 [ SiO4 ] até r = 4,39 g/cm3 para faialita.

Dureza.

A dureza refere-se ao grau de resistência de um cristal às influências externas. A dureza não é uma constante física. Seu valor depende não só do material que está sendo estudado, mas também das condições de medição.

A dureza depende de:

· tipo de estrutura;

· fator de empacotamento (gravidade específica);

· carga dos íons que formam o cristal.

Por exemplo, polimorfos de CaCO3 - calcita e aragonita - possuem densidades de 3 e 4, respectivamente, e se distinguem por diferentes densidades de suas estruturas:

· para a estrutura da calcita com CSFa = 6 - r = 2,72;

· para a estrutura da aragonita com CSFa = 9 - r = 2,94 g/cm3).

Em uma série de cristais construídos de forma idêntica, a dureza aumenta com o aumento das cargas e a diminuição do tamanho dos cátions. A presença nas estruturas de ânions bastante grandes, como moléculas de F-, OH- e H2O, reduz a dureza.

As faces de diferentes formas cristalinas têm diferentes densidades reticulares e diferem em sua dureza. Assim, as faces do octaedro (111), que possuem maior densidade reticular em relação às faces do cubo (100), apresentam a maior dureza na estrutura do diamante.

Capacidade de deformar.

A capacidade de um cristal sofrer deformação plástica é determinada, em primeiro lugar, pela natureza da ligação química entre seus elementos estruturais.

Ligação covalente, que tem uma direcionalidade estrita, enfraquece acentuadamente mesmo com deslocamentos insignificantes dos átomos entre si. Portanto, cristais com ligação do tipo covalente (Sb, Bi, As, se, etc.) não apresentam capacidade de sofrer deformação plástica.

Conexão metálica não tem caráter direcional e muda fracamente quando os átomos são deslocados uns em relação aos outros. Isso determina o alto grau de plasticidade dos metais (maleabilidade). Os metais mais maleáveis ​​são aqueles cujas estruturas são construídas de acordo com a lei do empacotamento cúbico fechado, que possui quatro direções de camadas compactadas. Metais menos maleáveis ​​com empacotamento hexagonal fechado - com uma direção das camadas mais densas. Assim, entre as modificações polimórficas do ferro, a-Fe e b-Fe quase não têm maleabilidade (rede tipo I), enquanto g-Fe com empacotamento cúbico fechado (rede cúbica de face centrada) é um metal maleável como Cu, Pt, Au, Ag, etc.

Ligação iônica não tem caráter direcional. Portanto, cristais iônicos típicos (NaCl, CaF2, CaTe, etc.) são tão frágeis quanto cristais com ligação covalente. Mas, ao mesmo tempo, eles têm uma plasticidade bastante elevada. O deslizamento neles ocorre ao longo de certas direções cristalográficas. Isto é explicado pelo fato de que na estrutura cristalina podem-se distinguir (110) redes formadas tanto por íons Na+ quanto por íons Cl-. Durante a deformação plástica, uma malha plana se move em relação à sua vizinha de tal forma que os íons Na+ deslizam ao longo dos íons Cl-. A diferença nas cargas dos íons nas redes vizinhas evita a ruptura, e elas permanecem paralelas à sua posição original. O deslizamento ao longo dessas camadas ocorre com interrupção mínima no arranjo dos átomos e é o mais fácil.

Propriedades térmicas dos cristais.

A condutividade térmica está intimamente relacionada à simetria. Isso pode ser demonstrado mais claramente no experimento a seguir. Vamos cobrir as faces de três cristais com uma fina camada de parafina: um cubo, um prisma hexagonal e um paralelepípedo reto. Usando a ponta de uma agulha fina e quente, tocamos cada uma das faces desses cristais. Com base nos contornos dos pontos de fusão, pode-se avaliar a velocidade de propagação do calor nos planos das faces em várias direções.

Em um cristal cúbico, os contornos dos pontos de fusão em todas as faces terão o formato de um círculo, o que indica a mesma velocidade de propagação do calor em todas as direções a partir do ponto de contato com a agulha quente. O formato das manchas na ideia de círculos em todas as faces de um cristal cúbico está relacionado à sua simetria.

O formato dos pontos nas faces superior e inferior do prisma hexagonal também terá o formato de um círculo (a velocidade de propagação do calor no plano perpendicular ao eixo principal do cristal da categoria intermediária é a mesma em todas as direções). Nas faces de um prisma hexagonal, os pontos de fusão terão o formato de elipses, pois os eixos de 2ª ordem são perpendiculares a essas faces.

Em todas as faces de um paralelepípedo reto (cristal de sistema ortogonal), os pontos de fusão terão o formato de uma elipse, pois os eixos de 2ª ordem correm perpendicularmente a essas faces.

Portanto, a velocidade de propagação do calor por todo o corpo do cristal depende diretamente de qual elemento de simetria linear ele se propaga. Em cristais cúbicos a superfície de distribuição de calor terá a forma de uma esfera. Consequentemente, no que diz respeito à condutividade térmica, os cristais cúbicos são isotrópicos, isto é, iguais em todas as direções. Superfície de condutividade térmica cristais de categoria média expresso por um elipsóide de revolução (paralelo ao eixo principal). EM cristais das categorias mais baixas e todas as superfícies de condutividade térmica têm a forma de um elipsóide.

A anisotropia da condutividade térmica está intimamente relacionada à estrutura da substância cristalina. Assim, as redes e linhas atômicas mais densas correspondem a grandes valores de condutividade térmica. Portanto, cristais em camadas e em cadeia apresentam grandes diferenças nas direções de condutividade térmica.

A condutividade térmica também depende do grau de defeito do cristal - para cristais mais defeituosos é menor do que para os sintéticos. Uma substância em estado amorfo tem uma condutividade térmica menor do que cristais da mesma composição. Por exemplo, a condutividade térmica do vidro de quartzo é significativamente inferior à condutividade térmica dos cristais de quartzo. O uso generalizado de vidraria de quartzo é baseado nesta propriedade.

Propriedades ópticas.

Cada substância com uma estrutura cristalina específica é caracterizada por propriedades ópticas únicas. As propriedades ópticas estão intimamente relacionadas à estrutura cristalina dos sólidos e à sua simetria.

No que diz respeito às propriedades ópticas, todas as substâncias podem ser divididas em opticamente isotrópicas e anisotrópicas. O primeiro inclui corpos amorfos e cristais da mais alta categoria, o segundo inclui todo o resto. Em meios opticamente isotrópicos, uma onda de luz, que é um conjunto de oscilações harmônicas transversais de natureza eletromagnética, se propaga na mesma velocidade em todas as direções. Neste caso, as oscilações do vetor de intensidade do campo elétrico e magnético também ocorrem em todas as direções possíveis, mas em um plano perpendicular à direção do feixe. Ao longo de sua direção, a energia luminosa é transferida. Este tipo de luz é chamado natural ou não polarizado(Figura a, b).

Em meios opticamente anisotrópicos, as velocidades de propagação das ondas em diferentes direções podem ser diferentes. Sob certas condições, o chamado luz polarizada, para o qual todas as oscilações do vetor campo elétrico e magnético ocorrem em uma direção estritamente definida (Figura c, d). O comportamento dessa luz polarizada em cristais é baseado na técnica de estudo óptico de cristais usando um microscópio polarizador.

Birrefringência da luz em cristais.

polarizado linearmente com planos de oscilação mutuamente perpendiculares. A decomposição da luz em dois feixes polarizados é chamada birrefringência ou birrefringência.

A birrefringência da luz é observada em cristais de todos os sistemas, com exceção do cúbico. Nos cristais das categorias inferior e média, a birrefringência ocorre em todas as direções, com exceção de uma ou duas direções, chamadas eixos ópticos.

O fenômeno da birrefringência está associado à anisotropia dos cristais. A anisotropia óptica dos cristais é expressa no fato de que a velocidade de propagação da luz neles é diferente em diferentes direções.

EM cristais de grau médio Entre as muitas direções da anisotropia óptica, existe uma única direção - eixo óptico, coincidindo com o eixo principal de simetria de 3ª, 4ª, 6ª ordem. A luz viaja nesta direção sem se dividir.

EM cristais da categoria mais baixa Existem duas direções ao longo das quais a luz não se divide. As seções cristalinas perpendiculares a essas direções coincidem com seções opticamente isotrópicas.

Influência das características estruturais nas propriedades ópticas.

Em estruturas cristalinas com camadas de átomos compactados, a distância entre os átomos dentro de uma camada excede a distância entre os átomos mais próximos localizados em camadas adjacentes. Tal ordenação leva a uma polarização mais fácil se o vetor de tensão do campo elétrico da onda de luz for paralelo ao plano das camadas.

Propriedades elétricas.

Todas as substâncias podem ser divididas em condutores, semicondutores e dielétricos.

Alguns cristais (dielétricos) são polarizados sob a influência de influências externas. A capacidade dos dielétricos de polarizar é uma de suas propriedades fundamentais. A polarização é um processo associado à criação de dipolos elétricos em um dielétrico sob a influência de um campo elétrico externo.

Na cristalografia e na física do estado sólido, os fenômenos piezoeletricidade e piroeletricidade.

Efeito piezoelétrico – mudança na polarização de alguns cristais dielétricos durante a deformação mecânica. A magnitude das cargas resultantes é proporcional à força aplicada. O sinal da carga depende do tipo de estrutura cristalina. O efeito piezoelétrico ocorre apenas em cristais que não possuem centro de inversão, ou seja, que possuem direções polares. Por exemplo, cristais de quartzo SiO2, esfalerita (ZnS).

Efeito piroelétrico – o aparecimento de cargas elétricas na superfície de alguns cristais quando são aquecidos ou resfriados. O efeito piroelétrico ocorre apenas em cristais dielétricos com uma única direção polar, cujas extremidades opostas não podem ser combinadas por nenhuma operação de um determinado grupo de simetria. O aparecimento de cargas elétricas só pode ocorrer ao longo de certos direções polares. Faces perpendiculares a essas direções recebem cargas de sinais diferentes: uma é positiva e a outra é negativa. O efeito piroelétrico pode ocorrer em cristais pertencentes a uma das classes de simetria polar: 1, 2, 3, 4, 6, m, mm2, 3m, 4mm, 6mm.

Da cristalografia geométrica segue-se que as direções que passam pelo centro de simetria não podem ser polares. As direções perpendiculares aos planos de simetria ou eixos de ordem par também não podem ser polares.

Existem duas subclasses na classe de piroelétricas. A primeira inclui a piroelétrica linear, na qual, em um campo externo, a polarização elétrica depende linearmente da intensidade do campo elétrico. Por exemplo, turmalina NaMgAl3B3.Si6(O, OH)30.

Os cristais da segunda subclasse são chamados ferroelétricos. Neles, a dependência da polarização da intensidade do campo externo é não linear e a polarizabilidade depende da intensidade do campo externo. A dependência não linear da polarização na intensidade do campo elétrico é caracterizada por um loop de histerese. Esta característica dos ferroelétricos sugere que eles retêm a polarização elétrica na ausência de um campo externo. Graças a isso, os cristais de sal de Rochelle (daí o nome ferroelétricos) revelaram-se depósitos confiáveis ​​de energia elétrica e gravadores de sinais elétricos, o que permite sua utilização nas “células de memória” de um computador.

Propriedades magneticas.

Esta é a capacidade dos corpos de interagir com um campo magnético, ou seja, de ficarem magnetizados quando colocados em um campo magnético. Dependendo da magnitude da suscetibilidade magnética, os cristais diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos e antiferromagnéticos são diferenciados.

As propriedades magnéticas de todas as substâncias dependem não apenas das características de sua estrutura cristalina, mas também da natureza de seus átomos constituintes (íons), ou seja, o magnetismo é determinado pela estrutura eletrônica das conchas e núcleos, bem como pelo movimento orbital de elétrons ao seu redor (spins).

Quando um átomo (íon) é introduzido em um campo magnético, a velocidade angular dos elétrons em órbita muda devido ao fato de que o movimento rotacional adicional é sobreposto ao movimento rotacional inicial dos elétrons ao redor do núcleo, como resultado do qual o átomo recebe um momento magnético adicional. Além disso, se todos os elétrons com spins opostos em um átomo forem agrupados em pares (Figura A), então os momentos magnéticos dos elétrons serão compensados ​​e seu momento magnético total será igual a zero. Esses átomos são chamados de diamagnéticos, e as substâncias que consistem neles são chamadas materiais diamagnéticos. Por exemplo, gases inertes, metais do subgrupo B - Cu, Ag, Au, Zn, Cd, a maioria dos cristais iônicos (NaCl, CaF2), bem como substâncias com ligação covalente predominante - Bi, Sb, Ga, grafite. Em cristais com estruturas em camadas, a suscetibilidade magnética para direções situadas na camada excede significativamente aquela para direções perpendiculares.

Ao preencher as camadas de elétrons nos átomos, os elétrons tendem a ser desemparelhados. Portanto, há um grande número de substâncias nas quais os momentos magnéticos dos elétrons nos átomos estão localizados aleatoriamente e, na ausência de um campo magnético externo, a orientação espontânea dos momentos magnéticos não ocorre neles (Figura B). O momento magnético total devido aos elétrons que não estão ligados em pares e interagem fracamente entre si será constante, positivo ou ligeiramente maior que o dos dielétricos. Esses átomos são chamados de magnéticos e as substâncias são chamadas paramagnético. Quando um paramagneto é introduzido em um campo magnético, os spins desorientados adquirirão alguma orientação, como resultado são observados três tipos de ordenação de momentos magnéticos não compensados ​​- três tipos de fenômenos: ferromagnetismo (Figura C), antiferromagnetismo (Figura D) e ferrimagnetismo (Figura D).

Propriedades ferromagnéticas possuem substâncias cujos momentos magnéticos dos átomos (íons) são direcionados paralelamente entre si, e como resultado o campo magnético externo pode se intensificar milhões de vezes. O nome do grupo está associado à presença de elementos do subgrupo de ferro Fe, Ni, Co.

Se os momentos magnéticos dos átomos individuais forem antiparalelos e iguais, então o momento magnético total dos átomos é zero. Tais substâncias são chamadas antiferromagnetos. Estes incluem óxidos de metais de transição - MnO, NiO, CoO, FeO, muitos fluoretos, cloretos, sulfetos, selenetos, etc.

Quando os momentos antiparalelos dos átomos da estrutura cristalina são desiguais, o momento total acaba sendo diferente de zero e tais estruturas apresentam magnetização espontânea. Eles têm propriedades semelhantes ferritas(Fe3O4, minerais do grupo granada).

Os sólidos são divididos em corpos amorfos e cristais. A diferença entre este último e o primeiro é que os átomos dos cristais estão dispostos de acordo com uma determinada lei, formando assim um arranjo periódico tridimensional, que é chamado de rede cristalina.

Vale ressaltar que o nome dos cristais vem das palavras gregas “congelar” e “frio”, e na época de Homero essa palavra era usada para descrever o cristal de rocha, que era então considerado “gelo congelado”. No início, este termo foi usado para descrever apenas formações transparentes facetadas. Mais tarde, porém, corpos opacos e não cortados de origem natural também passaram a ser chamados de cristais.

Estrutura cristalina e rede

Um cristal ideal é representado na forma de estruturas idênticas que se repetem periodicamente - as chamadas células elementares de um cristal. Em geral, o formato dessa célula é um paralelepípedo oblíquo.

É necessário distinguir entre conceitos como rede cristalina e estrutura cristalina. A primeira é uma abstração matemática que descreve o arranjo regular de certos pontos no espaço. Enquanto uma estrutura cristalina é um objeto físico real, um cristal, no qual um determinado grupo de átomos ou moléculas está associado a cada ponto da rede cristalina.

Estrutura cristalina da granada - losango e dodecaedro

O principal fator que determina as propriedades eletromagnéticas e mecânicas de um cristal é a estrutura da célula unitária e os átomos (moléculas) associados a ela.

Anisotropia de cristais

A principal propriedade dos cristais que os distingue dos corpos amorfos é a anisotropia. Isto significa que as propriedades do cristal são diferentes dependendo da direção. Por exemplo, a deformação inelástica (irreversível) ocorre apenas ao longo de certos planos do cristal e em uma determinada direção. Devido à anisotropia, os cristais reagem de forma diferente à deformação dependendo da sua direção.

No entanto, existem cristais que não possuem anisotropia.

Tipos de cristais

Os cristais são divididos em monocristais e policristais. Monocristais são substâncias cuja estrutura cristalina se estende por todo o corpo. Tais corpos são homogêneos e possuem uma rede cristalina contínua. Normalmente, esse cristal tem um corte pronunciado. Exemplos de monocristais naturais são monocristais de sal-gema, diamante e topázio e quartzo.

Muitas substâncias possuem estrutura cristalina, embora geralmente não apresentem o formato característico dos cristais. Tais substâncias incluem, por exemplo, metais. A pesquisa mostra que tais substâncias consistem em um grande número de cristais únicos muito pequenos - grãos de cristal ou cristalitos. Uma substância que consiste em muitos desses monocristais com orientação diferente é chamada policristalina. Os policristais geralmente não possuem facetas e suas propriedades dependem do tamanho médio dos grãos do cristal, de sua posição relativa, bem como da estrutura dos limites dos grãos. Os policristais incluem substâncias como metais e ligas, cerâmicas e minerais, entre outros.