В повседневной жизни люди практически каждый день встречаются с минералами. На кухне, на улице зимой, а также в школе и университете.
Минерал – это природное неорганическое химическое соединение с упорядоченной структурой, состоящие из химических элементов и обладающие характерными физическими свойствами.
Однако некоторые минералы обладают уникальными свойствами, которые люди научились использовать в жизни. Данные свойства минералы получают из-за ряда свойств, в том числе и кристаллической решетки.
Кристаллическая решетка – это трехмерная периодически упорядоченная кристаллическая структура минерала. Она обусловлена размерами катионов и анионов, а также типами их химической связи (Рис. 1).
Лед
Стоит посмотреть на мир вокруг нас и понять, что многие минералы подчиняются закону: «при изменении агрегатного состояния минерала с жидкого на твердое, кристаллическая структура данного минерала становится более упорядоченной, в результате чего происходит увеличение массы данного вещества при одинаковом объеме. Однако вода не подходит под это правило. Все мы замечали зимой слой льда, простирающийся над водной гладью. В чем причина данного явления? Ответ лежит в структуре данного вещества. При его кристаллизации происходит образование полостей, незаполненных атомами, что значительно уменьшает плотность данного минерала относительно его жидкого состояния и позволяет всплыть на поверхность (Рис. 2), (Рис. 3).
Кварц
У кварца наблюдается интересный эффект, названный пьезоэлектрическим. Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в кристаллическом материале электрических зарядов при приложении к нему механических напряжений (Рис. 4).
Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать кристаллы с ионной связью.
При однородной деформации пьезоэлектрический эффект наблюдается при наличии в кристалле одной или нескольких полярных осей (направлений). Под полярной осью (направлением) кристалла понимают всякую прямую, проведенную через кристалл, оба конца которой неравноценны, т. е. для существования пьезоэлектрического эффекта при однородной деформации необходимо отсутствие у кристалла центра симметрии.
А также помимо кристаллической решетки, необычные свойства минералам придают типы химической связи в решетке.
Химическая связь - взаимодействия внешних (валентных) электронов, в большей или меньшей степени удерживаемых положительно заряженными ядрами связываемых атомов.
Различают 4 вида химических связей.
Ионная, ковалентная, металлическая, ван-дер-ваальсова, а также водородная связь (как частный вид ван-дер-ваальсовой).
Металлическая связь — это связь, которую образуют относительно свободные электроны между ионами металлов, образующих кристаллическую решетку.
Самородное железо и магнетит
Среди минералов, у которого встречается данный тип связи стоит отметить железо самородное и магнетит. В связи с наличием свободных электронов в структурах данных минералов они обладают магнитными свойствами. Однако железо в самородном виде встретить довольно сложно, на поверхности Земли оно сразу окисляется становясь оксидом железа. Однако оно встречается в метеоритах, которые периодически падают на Землю (Рис. 5).
Соединения, обладающие металлической связью, имеют хорошие теплопроводные и электропроводные свойства. Однако пальма первенства в теплопроводности по праву принадлежит алмазу.
Алмаз
Минерал, состоящий из углерода. Хорошие теплопроводные свойства ему обеспечивает ковалентная химическая связь.
Ковалентная связь – это химическая связь, образованная за счет общей электронной пары. При этом у двух атомов перекрываются атомные орбитали. Ковалентная связь образуется при взаимодействии атомов с небольшой разницей электроотрицательностей (как правило, между двумя неметаллами) или атомов одного элемента.
Гранецентрированная кубическая решетка атомов С, в которой 4 из 8 октаэдров имеют по атому С. Заполненные тетраэдры располагаются в два яруса, чередуясь с незаполненными тетраэдрами в шахматном порядке. Все атомы имеют количество соседей равное 4 (Рис. 6).
Данная структура, а также равенство ковалентных связей углерода позволяют ему быть не только минералом, обладающим самой большой по величине теплопроводностью, но и самым твердым минералом, однако это не значит, что его нельзя разбить обычной кувалдой.
Помимо вышесказанной структуры и типа химической связи на физические свойства минералов влияет химизм, например, у александрита.
Александрит
Стоит отдельно рассказать про данный минерал (Рис. 7). Он обладает замечательным эффектом трихроизма, за который отвечает совокупность признаков, структура и химизм.
Из-за того, что минерал обладает минимальным набором симметрии (так называемой низшей сингонией) расстояние между тремя оптическими осями разносе (на рисунке они обозначены под буквами a,b. Ось С – расположена перпендикулярна к нам, поэтому на рисунке нет ее обозначения). Ионы кислорода образуют плотнейшую упаковку, ионы Be расположены в четверной координации (проще говоря, имеют 4 соседних атома рядом с собой на одинаковом расстоянии), алюминия- в 6 (Рис. 8).
Так же изменение цвета - результат присутствия ионов хрома с зарядом +3 (Cr3+) и способ, которым они встроены в кристаллическую решетку. В рубинах линия спектра поглощения для ионов хрома +3 соответствует длине волны приблизительно 550 нанометров, поэтому мы видим его красным цветом, а в изумрудах, соответственно - приблизительно 600 нм – зеленый цвет. В александрите же длина волны линии поглощения иона хрома +3 соответствует приблизительно 580 нм. То есть практически посередине между красным рубином и зеленым изумрудом (Рис. 9)! Дневной свет поляризуется с преобладанием синего и зеленого цвета, соответственно и александрит выглядит зеленым. В искусственном свете преобладающая поляризация - красная, и александрит под лампой или свечой выглядит красным.
В конце хотелось бы сказать, что все эти свойства так или иначе используются в природе и человеком. Фауна и флора может зимой существовать благодаря тому, что образуется слой льда над водой, что не позволяет ей полностью промерзать, даже в самые сильные морозы. Алмаз благодаря высокой твердости используется в качестве сверел (Рис. 10), в буровых установках и во многом другом, кварц в пьезозажигалках (Рис. 11), для получения высокого напряжения на разряднике от движения пальца, датчиках давления жидкостей и газов, в качестве чувствительного элемента в микрофонах, магнетит используется для некоторых видов электродов в электрохимической промышленности.
Хочется отметить, что это далеко не все минералы, которые обладают интересными свойствами активно применяющимися человеком. Поэтому будет вторая часть с описанием интересных свойств других минералов и практическим применением их человеком.
