3.4: Физические свойства минералов I: кристаллы и спайность

1. Создание группы образцов минералов

1. Включите в список как можно больше следующих веществ: кварц, галит, кальцит, гранат, биотит и/или мусковит. Некоторые из них выбираются из-за особенностей роста кристаллов, а другие — из-за особенностей расщепления кристаллов.

2. Наблюдение и анализ кристаллической формы

1. Поместите образец на поверхность для наблюдения.
2. Поворачивайте для того, чтобы наблюдать за всеми сторонами. Ищите грани кристалла, ребра кристалла (линии, где грани сходятся) и вершины кристалла (точки, где пересекаются ребра).
3. По возможности измерьте межфазные углы с помощью угломера. Это делается путем простого наложения одной стороны угломера на определенную грань кристалла, другой стороны угломера на соседнюю грань, а затем считывание угла.
4. Сравните с набором характерных кристаллических многогранников.
5. Повторите шаги 2.1 – 2.4 для кварца (обратите внимание на гексагональную дипирамидальную форму (Рисунок 1)), кальцита (обратите внимание на форму масштабеноэдра (Рисунок 2)), галита (обратите внимание на кубическую кристаллическую форму (Рисунок 3)), граната (обратите внимание на форму додекаэдра (Рисунок 4)) и биотита (обратите внимание на псевдогексагональную форму (Рисунок 5)).

Рисунок 1. Кварц с гексагональной дипирамидальной формой.

Рисунок 2. Кальцит с отображением формы скальноэдра. Обратите внимание, как несколько граней кристалла пересекаются, образуя ребра кристалла, а комбинация ребер образует точки, известные как «вершины». Симметричные формы роста кристаллов образуются путем повторения фундаментальных атомных структур (элементарных ячеек) внутри кристаллической решетки. В этом случае рост кристаллов кальцита приводит к образованию специфического многогранника, известного как скейленоэдр.

Рисунок 3. Галит с кубической кристаллической формой.

Рисунок 4. Гранат с изображением додекаэдра.

Рисунок 5. Биотит имеет псевдогексагональную форму.

3. Наблюдаем и анализируем спайность

1. Наденьте защитные очки.
2. Положите кусочек кварца на поверхность разрушения.
3. С помощью молотка разломайте кусок кварца пополам.
4. Используя ручную линзу, осмотрите сломанный кусок кварца на предмет поверхностей спайности. Обратите внимание, что у кварца его нет. Кварц демонстрирует конхоидальный излом, но не имеет четко выраженных поверхностей спайности (Рисунок 6). Это является следствием того факта, что элементарные ячейки в кристаллической решетке кварца (группы SiO₄, называемые тетраэдрическими кремнеземами) имеют сравнительно одинаковую прочность связи во всех направлениях. Такая равномерность прочности связи приводит к тому, что кристалл не имеет предпочтительных плоскостей разрушения.
5. Повторите шаги 3.2 – 3.4 для кальцита (должно отображаться ромбоэдрическое расщепление (Рисунок 7)), галита (должно отображаться кубическое расщепление (Рисунок 8)), биотита и/или мусковита (должно быть показано плоское расщепление (Рисунок 9)).
6. Используйте ручную линзу для оценки различных качеств спайности. Расщепление может происходить на самых разных уровнях. Когда существует резкая разница в прочности соединения в определенной ориентации, например, между листами групп_SiO4 в случае слюды, между этими листами создается почти идеальное спайность. Как отмечалось выше, кварц демонстрирует почти полное отсутствие спайности. Между этими крайностями (идеальной спайности и ее отсутствия) находятся минералы, которые имеют хорошую спайность (например, полевой шпат) и плохую спайность (определенные грани на амфиболовых кристаллах).

Рисунок 6. Кварц с конхоидальным изломом, без поверхностей спайности.

Рисунок 7. Кальцит с ромбоэдрической спайностью. Симметричные поверхности разрыва и разрушения образуются зонами относительной слабости атомной связи внутри кристаллической решетки. Расщепление кальцита приводит к образованию специфического многогранника, известного как ромбоэдр.

Рисунок 8. Галит с отображением кубической спайности.

Рисунок 9. Биотит с плоской спайностью.

Минералы – это неорганические вещества, встречающиеся в Земле, обладающие уникальными свойствами, которые помогают в идентификации и анализе.

Многие минералы имеют «кристаллическую структуру». Эти кристаллические материалы имеют высокоупорядоченное атомное расположение, состоящее из повторяющихся атомных группировок, называемых элементарными ячейками. Поскольку элементарные ячейки идентичны в пределах кристалла, они отвечают за симметрию кристалла на микро- и макроуровне.

Эта симметрия приводит к тому, что кристаллы минерала ломаются или раскалываются предсказуемым образом. Спайность – это склонность кристалла к разрушению вдоль слабых структурных плоскостей. Таким образом, способ расщепления минерала дает представление о его кристаллической структуре.

В этом видео будет продемонстрирован анализ макромасштабных форм кристаллов минералов путем разрушения образцов минералов и наблюдения за их расщеплением.

Кристаллические твердые тела содержат атомы, организованные в повторяющуюся структуру, в то время как аморфные твердые тела не имеют порядка. Например, углерод можно найти во многих формах. Атомы в аморфном углероде организованы хаотично, в то время как атомы в алмазе расположены в упорядоченном кристалле.

Кристалл представляет собой массив повторяющихся, идентичных элементарных ячеек, которые определяются длиной краев элементарных ячеек и углами между ними. Эти повторяющиеся структуры бесконечно простираются в трех пространственных направлениях и определяют однородность и свойства кристалла.

Существует семь основных элементарных ячеек. Простейшая элементарная ячейка, куб, имеет равную длину ребер и атом в каждом углу. Вариации включают тетрагональные и орторомбические, которые обладают разной длиной ребер.

Ромбоэдрические кристаллические структуры обладают аналогичной геометрией параллельных граней без прямых углов. Моноклинные и триклинные имеют схожую форму, но с разными углами наклона и длиной ребер. Наконец, шестиугольная структура состоит из двух параллельных шестиугольных граней с шестью прямоугольными гранями.

Вариации в этих структурах возникают, когда дополнительные атомы содержатся в грани кристалла, называемой гранецентрированной, или в кристаллическом теле, называемом центрированной по телу.

Когда кристаллы разрушаются, они имеют тенденцию расщепляться вдоль структурно слабых кристаллических плоскостей. Качество спайности зависит от прочности связей внутри и поперек плоскости. Хорошее расщепление происходит, когда прочность связей внутри места сильнее, чем на плоскости. Плохое расщепление может произойти, когда прочность связи сильна по всей плоскости кристалла. Кристаллы могут расщепляться в одном направлении, называемом базальным расщеплением, в результате чего образуются две расщепленные грани. Это происходит из-за прочных атомных связей внутри плоскости, но слабых связей между плоскостями.

Точно так же кристаллы могут расщепываться в двух направлениях из-за двух слабых плоскостей, что приводит к четырем расщепленным граням и двум раздробленным граням. Кубические и ромбоэдрические формы возникают в результате расщепления в трех направлениях. Октаэдрическая и додекаэдрическая формы возникают из четырех и шести плоскостей перелома соответственно.

Некоторые минералы вообще не расщепляются вдоль кристаллической плоскости из-за прочных связей во всех направлениях, а вместо этого приводят к нерегулярному разрушению.

Теперь, когда мы рассмотрели основы кристаллической структуры и различные типы расщепления кристаллов, давайте рассмотрим эти свойства на реальных образцах минералов.

Чтобы проанализировать кристаллические формы, сначала соберите группу образцов минералов, таких как кварц, галит, кальцит, гранат, биотит и мусковит.

Поместите образец на поверхность для наблюдения. Поверните образец для того, чтобы рассмотреть все стороны. Ищите грани кристалла, ребра кристалла и вершины кристалла.

По возможности измерьте межфазные углы с помощью угломера. Для этого положите одну сторону угломера на определенную грань кристалла, а другую сторону углометра — на соседнюю грань. Затем прочтите угол.

Сравните полученные наблюдения с набором характеристических многогранников. Повторите эти шаги для других минералов и обратите внимание на различия.

Образцы кварца имеют гексагональную дипирамидальную кристаллическую форму, на что указывают 6 сторон.

Кальцитовый материал демонстрирует форму чешуйчатого снега, о чем свидетельствуют 8 граней спаренной пирамидальной структуры.

Галит, имеет характерную кубическую структуру, с 90? Углы.

Гранат имеет наклонные поверхности с 12 сторонами, что указывает на его додекаэдрическую форму.

Наконец, биотит может иметь очевидную гексагональную форму.

Далее, чтобы понаблюдать за расщеплением кристаллов, сначала наденьте защиту для глаз.

Положите кусочек кварца на поверхность разрыва. С помощью молотка разломайте кусок кварца. Используя ручную линзу, рассмотрите сломанный кусок кварца на предмет поверхностей спайности. Обратите внимание, что у кварца его нет.

Элементарные ячейки в кристаллической решетке кварца имеют сравнительно одинаковую прочность связи во всех направлениях, в результате чего кристалл не имеет предпочтительных плоскостей разрушения, называемый конхоидальным разрушением.

Затем повторите этот шаг для других образцов. Используйте ручную линзу для оценки различных качеств спайности.

Когда существует резкая разница в прочности связи в определенной ориентации, например, между листами силикатных групп в случае слюды, между этими листами создается почти идеальное спайность, называемая базальной спайностью.

У биотита и мусковита наблюдается базальное спайность с одной плоскостью разрыва.

Галит демонстрирует кубическую спайность, возникающую в результате трех плоскостей спайности на 90°.

Кальцит демонстрирует ромбоэдрическое расщепление, возникающее в результате трех плоскостей расщепления на 120 и 60°.

Анализ кристаллической структуры важен для понимания типов минералов, обнаруженных в полевых условиях.

Количественный анализ кристаллической структуры может быть выполнен с помощью рентгеновской дифракции, или XRD.

В этом примере кристаллическая структура оксида железа была синтезирована из смеси гематита и железа при высокой температуре и давлении в ячейке с алмазной наковальней. Картина рассеяния XRD была проанализирована на протяжении всей реакции для определения кристаллической структуры.

Результаты показали гладкие или пятнистые кольца Дебая, которые указывают на кристалличность. Расположение каждого кольца проясняет кристаллическую структуру, так как каждое кольцо соответствует кристаллической плоскости.

Благодаря своей плоской расщепленности и, следовательно, атомарно плоской поверхности, слюда часто используется в качестве подложки для визуализации малых молекул.

В этом примере слюда была использована в качестве субстрата для визуализации молекул фоторецепторов с помощью атомно-силовой микроскопии, или АСМ. Образец белка адсорбировали на свежерасщепленном листе слюды, а затем промывали буфером.

Затем образец визуализировали с помощью жидкостной ячейки. Слюдяная подложка позволила получить изображение образца белка с высоким разрешением благодаря своей атомарно плоской поверхности.

Вы только что посмотрели введение JoVE в физические свойства минералов. Теперь вы должны понять основы ячеек кристаллических единиц и то, как определить плоскости расщепления кристаллов. Спасибо за просмотр!