Определении элементов симметрии кристаллов

     ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИММЕТРИИ  КРИСТАЛЛОВ

     Симметрия кристаллов – наиболее общая закономерность, связанная со строением и свойствами кристаллического вещества. Она является одним из обобщающих фундаментальных понятий физики и естествознания в целом. Согласно определению симметрии, данному Е. С. Федоровым (1901) - "Симметрия есть свойство геометрических фигур повторять свои части, или, выражаясь точнее, свойство их в различных положениях приходить в совмещение с первоначальным положением". Таким образом, симметричным является такой объект, который может быть совмещён сам с собой определёнными преобразованиями: поворотами вокруг осей симметрии или отражениями в плоскостях симметрии. Такие преобразования принято называть симметрическими операциями. После преобразования симметрии части объекта, находившиеся в одном месте, совпадают с частями, находящимися в другом месте, что означает, что в симметричном объекте есть равные части (совместимые или зеркальные).

     Внутренняя  атомная структура  кристаллов — трёхмерно-периодическая, т. е. она описывается как кристаллическая решетка. Симметрия внешней формы (огранки) кристалла определяется симметрией его внутреннего атомного строения, которая обусловливает также и симметрию физических свойств кристалла.

     Изучение  кристаллов начинается с рассмотрения их внешней формы. Внешняя форма хорошо сформированных кристаллических многогранников может быть описана с помощью элементов симметрии.

Симметричным  считается объект, который может  быть совмещен сам с собой определенными  преобразованиями: поворотами или (и) отражениями в зеркальной плоскости.

     Элементы  симметрии - это вспомогательные геометрические образы (плоскости, прямые линии, точки), с помощью которых обнаруживается симметрия фигур.

                                                                         

Рис. 1. Отражение элементов кристалла в плоскости   симметрии

                              

Рис. 3. Три плоскости симметрии в одном кристалле

Рис. 2. Отражение элементов кристалла в центре симметрии. 

     Плоскость симметрии - это воображаемая плоскость, которая делит фигуру на две равные части так, что одна из частей является зеркальным отражением другой. Плоскость симметрии обозначается буквой Р (рис.1). Если плоскостей симметрии в данном кристалле несколько, то перед обозначением плоскости ставится их число. Например, 3Р (три плоскости симметрии имеет спичечная коробка) (рис.3). В кристаллах может быть одна, две, три, четыре, пять, шесть, семь и девять плоскостей симметрии. Теоретически можно доказать, что восьми и более девяти плоскостей симметрии в кристаллах быть не может. Многие кристаллы вообще не имеют ни одной плоскости симметрии.

     Ось симметрии - воображаемая прямая линия , при повороте вокруг которой всегда на один и тот же угол происходит совмещение равных частей фигуры. Наименьший угол поворота вокруг оси, приводящий к такому совмещению, называется элементарным углом поворота оси симметрии a. Его величина определяет порядок оси симметрии n, который равен числу самосовмещений при полном повороте фигуры на 360o (n = 360/a).

     Оси симметрии обозначаются буквой L с  цифровым индексом, указывающим на порядок оси - Ln. Доказано, что в  кристаллах возможны только оси второго, третьего, четвертого и шестого порядков.

     Они обозначаются L2, L3 , L4 , L6. Осей пятого и  порядка выше шестого в кристаллах не бывает. Оси третьего L3, четвертого L4 и шестого L6 порядка принято считать осями высшего порядка.

     Центр симметрии (центр  инверсии) - это такая точка внутри фигуры при проведении через которую любая прямая встретит на равном от нее расстоянии одинаковые и обратно расположенные части фигуры. Центр симметрии обозначается буквой С (рис.2). Если каждая грань кристалла имеет себе равную и параллельную или обратно параллельную, то данный кристалл обладает центром симметрии. Некоторые кристаллы могут не иметь центра симметрии

     Перечень  всех элементов симметрии кристалла, записанный в виде их символов, называется формулой симметрии или видом  симметрии.

     Cтрогий  математический анализ (Гессель, 1830, Гадолин, 1867) показал, что существует  всего 32 вида симметрии. Это все возможные для кристаллов комбинации элементов симметрии.

     32 вида симметрии объединяются  в сингонии. Всего различают семь  сингоний.

     Название "сингония" происходит от греческого " син" - "сходно" и "гон" -"угол". Сингонию кристалла определяют по обязательным и сходным для каждой сингонии элементам симметрии, а также, основываясь на наличии или отсутсвии единичных направлений.

     Единичное направление (Е) - это единственное, неповторяющееся какими-либо операциями симметрии данной группы направление в кристаллическом многограннике.

     7 сингоний объединены  в три категории.

     Низшая категория объединяет триклинную, моноклинную и ромбическую сингонии. Кристаллы этих сингоний не имеют осей симметрии выше второго порядка.

     Средняя категория объединяет тригональную, тетрагональную и гексагональную сингонии. Кристаллы этих сингоний имеют только одну ось симметрии высшего порядка (L3, L4, L6), которые совпадают с единственным единичным направлением.

     Высшая  категория - кубическая сингония - объединяет кристаллы, которые обязательно имеют 4L3. Единичных направлений нет. Все направления симметрично-равные. Принадлежность кристалла к той или иной группе симметрии и сингонии определяется гониометрическими измерениями углов или (и) методом рентгеноструктурного анализа. 

Таблица 1. Названия и формулы 32 видов симметрии. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

МИНЕРАЛЛООБРАЗОВАНИЕ  ПРИ ХИМИЧЕСКОМ ВЫВЕТРИВАНИИ. ЗОНЫ ОКИСЛЕНИЯ СУЛЬИДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

Выветривание - совокупность сложных процессов качественного и количественного преобразования горных пород и слагающих их минералов, приводящий к образованию почвы. Происходит за счет действия на литосферу гидросферы, атмосферы и биосферы. Если горные породы длительное время находятся на поверхности, то в результате их преобразований образуется кора выветривания. Различают три вида выветривания: физическое (механическое), химическое и биологическое. 

Химическое  выветривание

Химическое  выветривание - это совокупоность различных химических процессов, в результате которых происходит дальнешее разрушение горных пород и качественного изменения их химического состава с образованием новых минералов и соединений. Важнейшими факторами химического выетривания являются вода, углекислый газ и кислород. Вода — энергичный растворитель горных пород и минералов. Основная химическая реакция воды с минералами магматических пород — гидролиз, приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных элементов кристаллической решетки на ионы водорода диссооциированных молекул воды:

KAlSi3O8+H2O→HAlSi3O8+KOH

     Образующееся  основание (KOH) создает в растворе щелочную среду, при которой происходит дальнейшее разрушение кристаллической решетки ортоклаза. При наличии CO2 KOH переходит в форму карбоната:

2KOH+CO2=K2CO3+H2O

     Взаимодействие  воды с минералами горных порода приводит так же и к гидратации — присоединению  частиц воды к частицам минералов. Например:

2Fe2O3+3H2O=2Fe2O·3H2O

     В зоне химического выветривания также широко распространена реакция окисления, которой подвергаются многие минералы сдержащие способные к окислению минералы. Ярким примером оксилительных реакций при химическом выветривании является возаимодействие молекулярного кислорода с сульфидами в водной среде. Так, при окислении нитрита наряду с сульфатами и гидратами окисей железа образуется серная кислота, участвущая в создании новых минералов:

2FeS2+7O2+H2O=2FeSO4+H2SO4;  

12FeSO4+6H2O+3O2=4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3;

2Fe2(SO4)3+9H2O=2Fe2O3·3H2O+6H2SO4 

     Зона  окисления месторождений полезных ископаемых, находится вблизи земной поверхности и формируется вследствие химического разложения неустойчивых по составу минералов, под воздействием поверхностных и грунтовых вод, а также растворённых в этих водах и находящихся в атмосфере кислорода и углекислого газа. Это изменение определяется в основном процессом окисного преобразования. Наиболее интенсивно изменяются руды сернистых металлов, месторождения серы, солей и каменного угля. Сульфидные соединения металлов при этом заменяются окислами, гидроокислами, карбонатами и сульфатами тех же металлов. На месте серы возникают скопления алунита и гипса. В залежах каменных солей также накапливается гипс. Разложение пластов угля приводит к увеличению влажности, зольности и содержанию в них кислорода при одновременном снижении количества углерода и водорода. Возникающие при этом на залежах полезных ископаемых покрышки продуктов окисления называются «минеральными шляпами». Для залежей сульфидных руд различают «железную шляпу», сложенную преимущественно бурым железняком, а для залежей соли и серы выделяют «гипсовую шляпу». Зона окисления распространяется вглубь до уровня грунтовых вод, обычно от нескольких метров до нескольких десятков метров, но иногда, на отдельных участках, до нескольких сот метров от поверхности Земли. В процессе окисления часть минерального вещества полезного ископаемого может раствориться грунтовой водой, просочиться вниз и вновь отложиться ниже уровня грунтовых вод, образовав зону вторичного минерального обогащения. Зона вторичного обогащения особенно характерна для некоторых месторождений меди, урана, золота и серебра.

     Железная  шляпа, остаточное образование, возникающее в поверхностных частях рудных (главным образом сульфидных) месторождений меди, свинца, цинка и др. металлов в результате химического выветривания и окисления первичных минералов рудного тела. Железная шляпа состоят главным образом из окислов и гидроокислов железа (гётит, гидрогётит, гидрогематит, турьит и др.), вследствие чего имеют обычно темно- и светло-красную, охристую и буровато-красную окраску. Образование Железная шляпа связано с окисляющим действием поверхностных вод и сопровождается вторичным обогащением рудных месторождений. В процессе выветривания сульфиды меди, серебра, цинка и др. металлов окисляются в легкорастворимые сульфаты, выщелачиваются и переносятся в более глубокие части рудного тела. В то же время железо сернистых соединений — пирита, халькопирита и др. сульфидов — лишь частично выносится в виде растворимой соли (сульфата закиси железа), а большая его часть, подвергаясь окислению и гидратации, остаётся на месте в виде гидратов окиси железа (бурых железняков). Эти вторичные бурые железняки, возникая за счёт преобразования первичных пиритовых и др. руд, содержащих сульфиды железа, и образуют Железная шляпа у поверхности земли. Глубина распространения Железная шляпа ниже земной поверхности обычно ограничивается уровнем грунтовых вод и достигает десятков и сотен м. По сравнению с первичными сульфидными рудами Железная шляпа в их верхних частях более богаты железом, а в нижних — золотом. Резко выделяясь на фоне вмещающих пород, Железная шляпа служат важным признаком при поисках сульфидных рудных месторождений и характеристике скрытых на глубине первичных руд. 

СВОЙСТВА  МИНЕРАЛОВ БАРИТА И ЦЕЛЕСТИНА.  

Свойства  барита

     Название "барит" произошло от древнегреческого слова bants, что в переводе означает «тяжелый». Действительно, из-за своей высокой плотности, камень достаточно тяжел. Другие названия минерала и его разновидностей: тяжелый пшат, болонский камень.

     Барит является сульфатом бария. Окраска  минерала чаще всего бывает бесцветной, мутновато-прозрачной, белой. Встречаются  камни с бурыми, красноватыми, синеватыми оттенками. Блеск — перламутровый, стеклянный.

Генетическая  классификация. Барит (тяжелый шпат) - Ba[SO4] - cингония ромбическая.

Физические  свойства:

а) Кристаллы  таблитчатые; агрегаты зернистые, плотные, листоватые, нередко встречаются  в друзах,