Как устроены кристаллы
Чтобы правильно написать формулу минерала, надо знать, каким образом в его структуре располагаются слагающие её «кирпичики» — атомы, молекулы, ионы. Что же такое кристаллическая структура? Это и есть порядок расположения мельчайших частиц в пространстве.
Согласитесь, всё-таки разные вещи — беспорядочно сваленная груда кирпичей и стена дома, которая аккуратно сложена из этих кирпичей. Так же и частицы вещества: когда они образуют кристалл, то располагаются рядами, цепочками, в виде сеточек. Они отстоят друг от друга на одинаковых, повторяющихся расстояниях.
Мы привыкли думать, что для поддержания порядка необходимо прилагать какие-то усилия. Однако порядок в структуре кристаллов возникает и поддерживается как бы сам собой. Чтобы увидеть, как образуется такой порядок, достаточно насыпать в коробочку много одинаковых шариков и слегка встряхнуть её. Если под рукой нет шариков, воспользуйтесь одинаковыми монетами. Разложите их на столе и сдвиньте ладонями так, чтобы они наиболее плотно соприкасались друг с другом. Что получилось? Вокруг каждой монеты, лежащей внутри, закономерно расположились шесть таких же монет. При этом образовались ряды соприкасающихся монет, протянувшиеся в трёх разных направлениях. Конечно, это очень простой пример «наведения порядка». Частицы, слагающие настоящие кристаллы, далеко не похожи на шарики. Более того, многие кристаллы состоят из разных частиц. Тем не менее их взаимное расположение очень похоже на то, что мы увидели на примерах с шарами и монетами.
Внутреннее устройство кристалла неизбежно отражается и на его внешнем облике, и на его форме. По форме кристалла определяют, в каком порядке соединились частицы в его структуре. И, конечно, можно с большей уверенностью говорить, что в октаэдрическом кристалле флюорита, шестиугольной пластинке графита и в пластинчатом кристалле барита частицы расположены по-разному. А вот в «кубиках» галита и галенита они расположены очень похоже, хотя эти минералы имеют различный химический состав.
Как же описать эти различия и сходства? Обратим внимание на симметричность всех кристаллических структур и соответственно кристаллов. Но симметричны они по-разному. Ещё раз призовём на помощь воображение. Представим себе, что каждый кристалл, каждый минерал — это целое царство. Все его подданные — атомы, молекулы, ионы — обязаны подчиняться строжайшим законам. Порядок в царстве кристалла идеальный. С ним даже отдалённо не сравнятся армейские колонны на военном параде.
Управляет этим царством очень строгая властительница — симметрия. Её нельзя разглядеть даже в самый сильный микроскоп, потому что у неё нет ни тела, ни объёма, ни массы. Однако у неё есть слуги, которые взирают на окружающие ряды, цепи, кольца и следят за тем, чтобы все частицы и атомы занимали чётко установленное для них место. Имя этих слуг — «элементы симметрии»: центры, плоскости и оси симметрии.
Центр симметрии — особая точка (она может быть только одна) внутри какой-нибудь фигуры, которую образуют частицы кристалла. Она отличается тем, что любая проведённая через неё прямая линия по обе стороны и на равных расстояниях от неё встретит подобные точки. Например, возьмём куб или шар. Их геометрический центр и есть центр их симметрии.
Плоскостью симметрии называется плоскость, делящая фигуру на две зеркально-подобные части. Такую плоскость каждый может найти на своём теле, мысленно «разделив» его на правую и левую половины.
Ось симметрии — прямая линия, проходящая через фигуру, при повороте вокруг которой эта фигура совмещается сама с собой. Число совмещений фигуры с собой при повороте её вокруг оси симметрии на 360° называется порядком оси. Так, например, через грифель шестигранного карандаша проходит ось симметрии шестого порядка.
В минералах могут быть оси симметрии только второго, третьего, четвёртого и шестого порядков, а живые организмы (например, морские звёзды) могут обладать «запрещённой» для минералов осью пятого порядка. Правда, обнаружены и кристаллы с осью пятого порядка, но это не минералы, а «живые» кристаллы — вездесущие и коварные вирусы. Похоже, что по этой оси проходит одна из границ между миром живого и неживого. Ось симметрии седьмого порядка в природе вообще не встречается. Если предмет имеет такую ось — значит, он сотворен разумным существом, человеком.
Но вернёмся к минералам. Мы должны решить задачу: по элементам симметрии научиться определять их сходства и различия. Например, кристалл кубической формы имеет следующий набор элементов симметрии: три оси четвёртого порядка, четыре оси третьего порядка, девять плоскостей и центр симметрии. Попробуйте их найти и сравнить с набором элементов симметрии, например тетраэдра (фигуры с четырьмя гранями — равносторонними треугольниками).
Как бы ни был сложен такой подход, только по степени симметричности мы сможем подразделить кристаллы на семь классов (сингоний), семь разновидностей: кубическую, тетрагональную, гексагональную, тригональную, ромбическую, моноклинную и триклинную. Иными словами, властительница-симметрия может создавать семь основных видов конструкций, которые образуют её подданные, и для поддержания порядка в каждой из них требуется определённое число слуг — плоскостей, осей и центра симметрии.
Интересно, что одни и те же вещества в разных условиях могут образовывать совершенно разные кристаллические структуры, а следовательно, и разные минералы. Ярким примером этого является углерод: если у него гексагональная сингония, то образуется графит, если кубическая — алмаз.
Постоянная ссылка на страницу: http://pochemy.net/?n=1414
Случайная статья
