Кристаллическая решетка
Неразрывно связаны три явления – минерала рождение ,минерала строение и свойства минерала. Рождение минерала мы уже пережили. Пришел черед разобраться с тем, как устроен минерал. Определяющее место в этом принадлежит каркасу, структуре минерала, которую называют - кристаллическая решетка.
Итак, решетка . Основа. Структура, которая придает минералу форму, умение сопротивляться нагрузкам. Она имеет и слабые стороны, благодаря которым минерал претерпевает вторичные изменения под действием Солнца, воды, температуры.
В описательной части «Рождение минерала» речь шла о соединении химических элементов в определенную структуру. Эта структура подчиняется законам термодинамики и по этим законам такая система формируется по принципу минимализма энергии системы. Атомы соединяются друг с другом, образуя трехмерную периодическую структуру – кристалл. Они (атомы) как будто нарастают друг на друга в пространстве. Понятно теперь почему есть кристаллы ярко выраженные, а есть сплошная масса кристаллов, не различимых по форме: чем свободнее пространство, в котором растет кристалл, чем идеальнее условия по температуре и давлению – тем ярче проявляется форма кристалла, тем более симметрична форма кристалла. Что же это за творение такое – решетка? Кто нарисовал эти четкие линии и собрал загадочные кубики? На самом деле никаких линий нет. Есть атомы, которые притягиваются и отталкиваются одновременно: потенциальная энергия взаимодействия между атомами есть сила притяжения, которая стремится эти атомы сблизить. Но как только они приближаются на определенное расстояние, тут же притяжение заменяется отталкиванием (потенциальная энергия переходит в кинетическую). Система находится в равновесии за счет постоянного существования одновременно как притяжения, так и отталкивания. Как только кинетическая энергия (отталкивание) превысит потенциальную – силы связей будут преодолены.
Вот и замкнулся круг – энергия раствора магмы переходит в энергию межатомных взаимодействий, что создает устойчивую в данной среде энергетическую конструкцию под названием кристаллическая решетка, которая , в свою очередь, претерпевает изменения и реагирует на любое энергетическое воздействие. Прежде всего на воздействие человека: энергетическое поле человека вступает во взаимодействие с энергетической системой под названием минерал.
Возникает еще одно определение минерала: минерал – это равновесная энергетическая система, элементарной ячейкой которой является атом, ион или молекула, а межатомные связи определяют энергию решетки.
Химическая связь атомов в кристаллах осуществляется за счет электронов их внешних оболочек. Характер взаимодействия внешних оболочек атомов, перераспределение электронов от атома к атому - все это есть суть связей в каждой выделенной решетке. Почему один электрон убегает к другому атому и получается отрицательно заряженный анион, а в другом случае положительно заряженный катион? Кто руководит этим процессом? Надо отдать должное природе, вложившей алгоритм взаимодействия в эти структуры – минимальные затраты энергии и оптимальные связи, сохранение равновесности – вот те законы, по которым система сама регулируется и выстраиваются определенные связи. Стабильность внутренних и внешних оболочек атома – это есть ключевое условие существования системы. Можно коснуться этого вопроса более детально, но тогда придется погружаться более глубоко в раздел, который называется кристаллохимия.
Пришло время выбираться из второй ловушки – помните, систематизация минералов?
Та или иная химическая связь в том или ином соединении есть вполне определенное и единое состояние внешних электронов данной многоатомной системы, а разбиение ее на составляющие в значительной мере условно. Межатомные связи настолько многообразны, что описать каждую невозможно. В этой связи пришли к согласию, что можно обозначить лишь четыре вида таких связей (решеток) при систематизации минералов, а все промежуточные состояния игнорировать. С точки зрения энергетики минерала таким условием пренебрегать нельзя, но на первых ступенях нашего исследовании мы будем использовать общепринятые четыре типа связей (решеток):
Металлическая связь (металлическая решетка)- в кристаллической решетке металлов внешние электроны атома свободно перемещаются в пространстве между атомами. Они образуют своеобразный "электронный газ" и обусловливают основные свойства металлов: высокую пластичность, ковкость, высокую теплопроводимость, высокую электропроводность, малую твердость, температуры плавления в широком диапазоне - от 2оо до 3000 градусов
Ионная связь (ионная решетка) - Ионная связь осуществляется таким образом, что при взаимодействии атомов один из них перетягивает от другого электрон или несколько электронов и становится анионом, а другой атом – катионом. Образование ионной связи обуславливается тенденцией атомов к приобретению наиболее устойчивой оболочки с полным числом электронов во внешнем слое (с завершёнными электронными слоями). Кристаллы с ионным типом связи растворяются в полярных растворах (вода), для них характерны диэлектрические свойства, хрупкость, низкая тепло- и электропроводность, средние плотность и твердость, весьма высокие точки плавления и кипения.
На рис.11 макет кристаллической решетки кальцита: белые шарики – кальций(Са), черные – углерод (С), красные – кислород (О3). Химическая формула кальцита – СаСО3. Один атом углерода и три атома кислорода соединяясь образуют радикал СО3, который реагирует как единая отрицательно заряженная частица. Ион кальция уравновешивает этот отрицательно заряженный радикал – он соединяется с шестью ионами кислорода, образуя октаэдр.
Один белый, один черный и три красных шарика в такой комбинации строятся по мере роста/создания минерала.
Замечательно, все очень просто и понятно. Вот только не ясно, почему такое многообразие минерала кальцит на планете? Что меняет цвет, от чего зависит прозрачность, как образуются такие разные формы при одной и той же структуре связей в минерале? (рис.12, 13, 14 )
В справочниках мы найдем единственное объяснение – наличие примесей. Железо ( Fe ) придает желтый цвет, марганец ( Mn ) – розовый, никель ( Ni ) – зеленый и т.д. Химические элементы «попадают» в структуру решетки и нарушают порядок и систематизацию. Это своего рода «дефекты» структуры. Посмотрим на коллекцию кальцита и придем к неутешительному выводу, что вся система состоит из одних исключений или «дефектов» (рис.15)
Ковалентная связь (атомная решетка)– направленная связь, осуществляемая парой электронов. Такая связь устанавливается благодаря взаимодействию внешних валентных электронов сблизившихся атомов. Иными словами электроны становятся «общими» для двух разных атомов. Такая связь устойчива, строго направленная. Минералы с таким типом связи характеризуются нерастворимостью, большой устойчивостью, высокой твердостью, высокими точками плавления и кипения, полупроводниковыми свойствами.
Ван-дер-ваальсова связь (молекулярная решетка) - связь соединяет нейтральные молекулы или структурные единицы с помощью малых остаточных зарядов на их поверхности. В разных соединениях сила такой связи различна. Ван-дер-ваальсова связь одна из самых слабых химических связей и присутствует в минералах в сочетании с другими типами связей, как добавочная связь.
Химический состав, строение кристаллической решетки и сила связей между атомами и ионами в решетке обуславливают индивидуальные физические свойства минералов.
Минералы – это живые энергетические системы, оптимально подобранные по химическому составу самой природой, имеющие общие признаки, которые позволяют разбивать их на группы и классы. Изучая эти группы и классы, описывая свойства минералов мы все дальше и дальше проникаем в тайны мироздания и учимся взаимодействовать с живой природой.
Мы можем увидеть свечение , например, флюорита после облучения ультрафиолетовым светом, которое называется флуоресценция. Каков механизм этого явления, какие минералы дают такую реакцию – об этом чуть позже. Сейчас мы лишь хотим усвоить
Второй постулат , который гласит – если мы не можем измерить в количественных единицах реакцию минерала на наше воздействие – это не означает, что ее (реакции) нет
Можно лишь почувствовать, как тот или иной камень отзывается на Ваше с ним взаимодействие, на Ваше тепло, прикосновение. И этот отклик у каждого свой.
Наше путешествие было столь продуктивно, что мы имеем право на разминку прежде, чем продолжим далее знакомство с особенностями проявления минералов в природе.
продолжение следует...
