Петрографии. Цель их помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы


Скачать 355.33 Kb.
НазваниеПетрографии. Цель их помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы
страница1/3
Дата публикации17.05.2013
Размер355.33 Kb.
ТипДокументы
userdocs.ru > География > Документы
  1   2   3
Предисловие
Для изучения материала по геологии, предусмотренного программой педагогических институтов, большое значение имеют практические занятия по минералогии и петрографии. Цель их — помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы.

В соответствии с учебным планом заочного обучения на лабораторные занятия по геологии выделено 30 часов. Задача настоящего пособия — облегчить изучение образцов минералов и горных пород на практических занятиях во время сессии и в межсессионный период. С этой целью в пособии подробно разработаны вопросы генезиса минералов и горных пород. В разделе «Магматические горные породы» большое место отведено структуре и текстуре. Особое внимание уделено осадочным горным породам, так как в своей повседневной практике студенты-заочники чаще сталкиваются именно о. ними.

Пособие включает три части: «Кристаллы», «Минералы», «Горные породы».

Каждая из них содержит краткое изложение основного материала, контрольные вопросы для самопроверки (по каждому раз­делу), задания для самостоятельной работы в межсессионный пе­риод, темы лабораторных занятий и задания для самостоятельной работы на сессии.

В конце пособия помещены список литературы и приложения (1, 2), в которых даны подробные характеристики главнейших минералов и определитель минералов по физическим свойствам. Пользуясь ими, студенты могут самостоятельно определять образцы, как на занятиях, так и в природе.

Настоящее «Руководство...» может быть использовано в качестве пособия для проведения факультативных занятий по геологии в средней школе.

КРИСТАЛЛЫ

^ ПОНЯТИЕ О КРИСТАЛЛЕ
Кристаллография — наука о кристаллах. Она изучает форму, внутреннее строение, происхождение и свойства кристаллических веществ. Слово «кристаллос» у древних греков обозначало «лед». Так же назывался и водяно-прозрачный кварц, считавшийся окаменевшим льдом. Впоследствии этот термин был распространен на все твердые тела, имеющие форму многогранника. Примерами хорошо образованных кристаллов могут служить кубики пирита, двенадцатигранники граната, заостренные на концах призмы горного хрусталя, восьмигранники (октаэдры) важнейшей железной руды — магнетита (рис. 1), многие драгоценные камни: алмаз, рубин, топаз и др. Подобные образования иногда достигают огромных размеров.

В 1958 г. в СССР был найден гигантский кристалл кварца — массой около 70 т, длиной 7,5 м и шириной 1,6 м. У отдельных кристаллов берилла длина достигает 5 м, масса — 18 т. Обычно же встречаются мелкие, чаще всего микроскопические кристаллики.

Большинство твердых тел состоит из кристаллов (горные породы и полезные ископаемые, металлы и различные химические пре­параты, многие продукты, идущие в пищу (сахар, соль), лекарства).

В природных условиях.сплошь и рядом правильная геометрическая форма кристаллов нарушается либо в связи с условиями об­разования (например, при медленном застывании огненно-жидкого расплава — магмы — возникают зерна кварца с криволинейными и неправильными контурами), либо под влиянием разрушения коренных пород и сноса водой их обломков (в песках легко можно увидеть под лупой скатанные кристаллы кварца, граната, магнетита). В результате этих процессов кристаллы могут приобрести уродливые формы, ненормально развитые, обломанные или окатанные грани.

Однако внешняя форма не единственный и не обязательный признак кристалла. Поэтому возникает вопрос об относительно характерных особенностях, присущих, всем без исключения кри­сталлам.

Пространственная решетка. Геометрическая правильность при­суща не только поверхности кристалла, но распространяется и на его внутреннее строение. Частицы (ионы, атомы, молекулы), составляющие кристаллы, не заполняют пространство сплошь, а находятся на некотором расстоянии друг от друга, т.е. располагаются в строго определенном для данного вещества порядке. Пример закономерной ориентировки атомов (ионов) в поваренной соли изображен на рисунке 2.

Геометрический образ строения кристалла мы можем получить, если каждую частицу заменим точкой (как бы отмечая факт ее существования). Тогда строение кристалла представится в виде пространства, заполненного правильно и закономерно расположенными точками. Расстояния между точками обозначим линиями. Получится так называемая пространственная решетка (рис. 3), элементами которой являются узлы, ряды и плоские сетки.

Узлы (см. рис. 3) — точки ре­шетки, соответствующие либо нейтральным атомам, либо заряженным атомам (ионам), либо группам атомов (молекулам) или ионов (радикалам) в кристалле. Строго говоря, с узлами прост­ранственной решетки совмещаются центры тяжести этих частиц.

Ряд (рис. 3а) — совокупность узлов, лежащих вдоль прямой и периодически повторя­ющихся через равные промежутки.

Промежуток, или период, ряда — расстояния между двумя равнозначными узлами. Эти расстояния ничтожны и измеряются ангстремами:

1А= 1 •10-8 см.

Плоская сетка (рис. 3б) — совокупность узлов и рядов, расположенных в одной плоскости.

Три построенные системы плоских сеток, взаимно пересекаясь, образуют совокупность параллелепипедов, которые принято назы­вать элементарными ячейками пространственной решетки. Форма элементарной ячейки зависит от ее параметров, т. е. от размеров отрезков а, b, с и углов между ними α, β, γ (рис. 3, в).

Для решетки поваренной соли (NаСl) а=b=c и α=β=γ= 90° (см. рис. 2). При таком соотношении параметров форма элементарной ячейки представляет собой куб. Если а=b≠c, а α=β=γ=90°, то форма ячейки представляет собой тетрагональную призму (рис. 4а); при а≠b ≠c и α=β=γ =90° — ромбическую призму (рис. 4б); при а≠b≠c и α=γ=90°, β≠90° – наклонный параллелепипед (рис. 4в); при а≠b≠c и α≠β≠γ≠90° — косоугольный параллелепипед (рис. 4г).

Основная особенность всех кристаллических веществ заключается в том, что их атомы, ионы или молекулы закономерно располагаются в узлах кристаллической решетки. Узлы соответствуют вершинам реальных кристаллов, ряды — ребрам, плоскости — граням.

Предположения о том, что внутреннее строение кристаллов упорядочено, высказывались еще М. В. Ломоносовым и X. Гюйгенсом. В конце XVIII в. французский ученый Р.Ж-Гаюи высказал мысль, что составляющие кристалл молекулы имеют форму параллелепипедов. Впоследствии эти идеи были развиты его соотечественником О.Бравэ.

С исчерпывающей полнотой на основе математического анализа теория расположения атомов в пространстве была разработана в конце прошлого века крупнейшим русским кристаллографом Е.С.Федоровым. Он вывел 230 видов симметрии расположения частиц внутри кристаллов (пространственных групп). Эта теория блестяще, подтвердилась после 1912 г, при изучении кристаллов с помощью рентгеновских лучей.

Однако в природе встречаются и такие твердые тела, в которых частицы (ионы, атомы, молекулы) расположены беспорядочно.

Эти тела называются аморфными («аморфный» в переводе с греческого означает «бесформенный»). Образуются они в условиях быстрого охлаждения, при котором резко уменьшается подвижность частиц, которые не успевают закономерно расположиться относительно друг друга. К аморфным образованиям относятся стекла, пластмассы, смолы, клей и др.

Аморфное вещество не является устойчивым и с течением времени обнаруживает тенденцию к кристаллизации. Это проявляется в процессах закристаллизовывания стекла, в явлении засахари­вания карамели или варенья, в потере каучуком свойства эластичности и т. д.

Кристаллическое состояние твердого тела по сравнению с аморфным более устойчиво.
^ ВАЖНЕЙШИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
Внутреннее строение кристалла определяет его основные свойства: анизотропность, однородность, способность к самоогранению и наличие постоянной температуры плавления.

Анизотропность (неравносвойственность) выражается в том, что физические свойства кристаллов (твердость, прочность, теплопроводность, электропроводность, скорость распространения света) неодинаковы по разным направлениям. Причины анизотропности станут ясны при рассмотрении рисунка 3, где изображена пространственная решетка кристалла.

Частицы, образующие кристаллическую структуру по непараллельным направлениям, отстоят друг от друга на разных расстояниях, вследствие чего и свойства кристаллического вещества по таким направлениям должны быть различными.

Характерным примером вещества с резко выраженной анизотропностью является слюда. Кристаллические пластинки этого минерала легко расщепляются лишь по плоскостям, параллельным его пластинчатости. В поперечных же направлениях расщепить пластинки слюды значительно труднее.

Другим примером анизотропности является кристалл минерала дистена (от греч. «ди» — двояко, «стенос» — сопротивляющийся).

В продольном направлении твер­дость его равна 4, 5, в поперечном — 6 (рис. 5).

Приведем третий пример. Из кристалла поваренной соли, имею­щего форму куба, можно вырезать стерженьки по самым различ­ным направлениям (рис. 6), например перпендикулярно граням куба (а), в направлении ребер (б) и в направлении трехгранных углов (в).

Оказывается, что для разрыва этих стерженьков необходимы раз­ные усилия: разрывающее усилие для первого стерженька составля­ет 570 г/мм2, для второго — 1150 г/мм2 и для третьего— 2150 г/мм2.

Аморфные вещества характеризуются изотропностью (равносвойственностью), физические свойства по всем направлениям проявляются одинаково.

Анизотропность проявляется и в том, что при воздействии на кристалл какого-либо растворителя скорость химических реакций различна по различным направлениям. В результате каждый кристалл при растворении приобретает свои характерные формы, носящие название фигур вытравления.

Однородность выражается в том, что любые элементарные объемы кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, массу, твердость и т.д.

Таким образом, всякий кристалл есть однородное, но в то же время и анизотропное тело.

Однородность присуща не только кристаллическим телам. Твердые аморфные образования также могут быть однородными. Но ни при каких условиях аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму.

Способность к самоогранению выражается в том, что любой обломок или выточенный из кристалла шарик в способствующей его росту, среде с течением времени покрывается характерными для данного кристалла гранями. Эта особенность связана с кристаллической структурой. Стеклянный же шарик, например, такой особенностью не обладает.

Постоянная температура плавления выражается в том, что при нагревании кристаллического тела температура его повышается до определенного предела; при дальнейшем же нагревании веще­ство начинает плавиться, а температура некоторое время остается постоянной, так как все тепло идет на разрушение кристаллической решетки. Температура, при ко­торой начинается плавление, называется температурой плавления.

Аморфные вещества в отличие от кристаллических не имеют чётко выраженной температуры плавления. Наблюдая кривые охлаждения (или нагревания) кристаллических и аморфных веществ (рис. .7), можно видеть, что в первом случае имеются два резких перегиба (точки а и б), соответствующие началу и концу кристаллизации; в случае же охлаждения аморфного вещества мы имеем плавную кривую. По этому признаку легко отличить кристаллические вещества от аморфных.
Контрольные вопросы:

1. Дайте определение понятия «кристалл».

2. Назовите важнейшие свойства кристаллических веществ.

3. Что такое пространственная решетка? Назовите ее элементы.

4. Какие тела называются аморфными?
Задание для самостоятельной работы в межсессионный период:

Свойства анизотропности кристаллов можно изучить, рассматривая теплопроводность гипса в разных кристаллографических направлениях.

Для опыта возьмите тонкую прозрачную пластинку гипса, прикоснитесь к ней раскаленной иглой. При нагревании гипс СаSО4•2Н2О теряет воду, превращаясь в мутный полуводный гипс 2СаSО4•Н2О. Так как теплота в гипсе распространяется по разным направлениям с различной скоростью, то помутнение вокруг иглы примет форму эллипса.

Для сравнения рассмотрим распространение тепла в аморфном теле. Для этого коснитесь раскаленной иглой стеклянной пластинки, покрытой парафином. Теплота от иглы распространяется по парафину и стеклу с одинаковой скоростью во все стороны, и участки остывшего парафина приобретают форму кружочков.
^ ОБРАЗОВАНИЕ И РОСТ КРИСТАЛЛОВ
Кристаллы возникают при переходе вещества из любого агре­гатного состояния в твердое. Главным условием образования кристаллов является понижение температуры до определенного уровня, ниже которого частицы (атомы, ионы), потеряв избыток тепло­вого движения, получают возможность проявить присущие им химические свойства и сгруппироваться в пространственную ре-щетку. При температурах, измеряемых тысячами градусов, ни одно из известных нам веществ в кристаллическом состоянии существо­вать не может. Вторым важным условием является давление. Температура (Т) и давление (Р) — это термодинамические условия существования кристаллического вещества. Высоконагретые системы при охлаждении могут проходить стадии газообразной смеси, жидкого расплава, твердого состояния (в устойчивом виде — кристаллического тела). Отсюда следует, что возможны три способа образования кристаллов.

1. Переход непосредственно из газообразного состояния к твердому — кристаллизация путем возгонки. В этом случае кристаллы образуются прямо из пара, минуя жидкую фазу. Примером могут служить возгонка и перекристаллизация йода. В природе этот процесс происходит в кратерах, вулканических трещинах (налеты кристаллов нашатыря, серы и др.). Зимой при ясной морозной погоде в воздухе образуются снежинки.

2. Раскристаллизация в твердом состоянии — переход из твердого состояния в твердое. Здесь возможны два процесса. Первый — кристаллическое вещество может образоваться из аморфного. Так, с течением времени раскристаллизовываются стекла и содержащие стекло вулканические породы.

Второй процесс — перекристаллизация: структура одних веществ разрушается и образуются новые кристаллы с иной структу­рой. Явления перекристаллизации широко распространены в природе и имеют важное значение для понимания процессов образования минералов и руд. Все метаморфические горные породы в той или иной степени являются перекристаллизованными. Под влия­нием температуры, давления и других факторов известняк, например, переходит в мрамор, глинистые породы — в филлиты и кри­сталлические сланцы, кварцевые песчаники — в кварциты.

3. Кристаллизация из расплавов и растворов — основной способ происхождения кристаллов как в природе, так и в технике: образование в больших масштабах из огненно-жидкого силикатного расплава — магмы массивных зернистых пород — гранита, базальта и др., отложения на дне озер, заливов и в море солей и других осадков, получение металлов из расплава при различных металлургических процессах, а также многих продуктов химических заводов, выращивание искусственных кристаллов из раствора.

Основное условие зарождения и роста кристаллов – переохлаждение или пересыщение. Зарождение кристаллов может быть самопроизвольным или вынужденным. В последнем случае необходима затравка, вводимая извне. В качестве затравки используются как мельчайшие кристаллики самого кристаллизуемого вещества, так и близкие к нему по строению частицы других твердых веществ. Процесс образования кристаллов проходит скачкообразно, с выделением энергии, с перегруппировкой частиц, с резким изменением первоначальных свойств.

Кристаллизационная способность у различных веществ неодинакова, она определяется количеством центров кристаллизации, образующихся в единицу времени в единице объема, и скоростью роста кристаллов. При большой скорости образования центров кристаллизации возникает много мелких кристаллов, при малом количестве центров возникают крупные кристаллы.

Наблюдение за кристаллизацией из растворов показало, что на растущем кристалле отлагаются слои вещества по плоскостям, параллельным плоским сеткам решетки. Отдельные грани, ограничивающие кристалл, перемещаются в процессе роста параллельно самим себе (рис. 8). Скорость роста данной грани определяется тем расстоянием по нормали к ней, на которое она отодвигается в единицу времени при росте кристалла. Не все грани растут с одинаковой скоростью. В процессе роста одни грани получают преимущественное развитие, а другие могут совсем исчезнуть. Исчезают гра­ни, обладающие большей скоростью роста (рис. 9) с наименьшей ретикулярной плотностью (Ретикулярная плотность – это число атомов или ионов, приходящееся на единицу площади).

Таким образом, реальным граням кристаллов могут соответствовать лишь те плоские сетки решетки, которые имеют наибольшую ретикулярную плотность. Очевидно, что, чем больше плотность сетки, тем большее количество беспорядочно плавающих в растворе частиц должно принять правильную ориентировку для образования сетки; для получения же сетки малой плотности небольшое количество частиц раствора должно правильно ориентироваться относительно друг друга.

На форму кристалла определенное влияние оказывают как силы внутреннего притяжения, так и условия роста. Так, например, каменная соль NаСl кристаллизуется из чистых водных растворов в форме кубов, а при добавлении к раствору мочевины образуются октаэдры — правильные восьмигранники с треугольными гранями. Форма кристалла в процессе роста изменяется.

Иногда встречаются так называемые зональные кристаллы. Зональность обусловливается перерывами в кристаллизации или какими-либо примесями и окрашивающими веществами, которые присутствовали в определенные моменты кристаллизации. Положение этих зон показывает перемещение граней кристалла при росте параллельно самим себе от центра к периферии. Изменяется только расстояние от центра роста, но не наклон грани. Изучение зональных кристаллов помогает выяснить условия их роста.

Каким же образом кристалл получает все новые порции вещества для построения пространственной решетки? Слой раствора, прилегающий к кристаллу, при отложении растворенного вещества становится более легким и поднимается вверх сквозь толщу жидкости, а на его место с боков и снизу притекает новая порция бо­лее концентрированного раствора. Эти перемещения (струи) называются концентрационными потоками, они сильно влияют на форму растущего кристалла. Облик кристалла также может совершенно измениться; образуются искаженные формы кристаллов, уплощенных или вытянутых, т.е. развитых лишь в некоторых определенных направлениях. Неизменными остаются лишь углы между соответствующими гранями.

Знакомство с условиями образования и роста кристаллов дает возможность глубже понять связь анизотропности кристаллических тел с пространственной решеткой. Частично эта тема будет затронута в дальнейшем при характеристике генезиса минералов.

В настоящее время известно много способов получения искусственных кристаллов из раствора и расплава (например, искусственные технические и драгоценные камни: пьезокварц, кар­борунд, рубин, алмаз, сапфир и др.).

^ Закон постоянства гранных углов. Кристаллы одного и того же вещества могут отличаться друг от друга своей величиной, числом граней, ребер и формой граней. Это зависит от условий образования кристалла. При неравномерном росте кристаллы получаются сплющенными, вытянутыми и т.д. На рисунке 10, а изображен неравномерно развитый октаэдрический кристалл квасцов, выросший на дне сосуда на рисунке 10б — равномерно развитый октаэдр квасцов, выращенный во вращающемся кристаллизаторе. Неизменными остаются углы между соответственными гранями растущего кристалла. На рисунке 11 показано несколько различных по облику кристаллов кварца. Одинаковыми буквами (a, b, с) обозначены соответствующие грани. Во всех кристаллах кварца на­ходим следующие постоянные значения углов между этими гранями ab=141°41'; ac=113°08'; bc=120°0' и т.д. Эта особенность кристаллов известна как закон постоянства гранных углов: величина и форма граней у различных кристаллов одного и того же вещества, расстояние между ними и даже их число могут меняться, но углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и того же вещества остаются постоянными при одинаковых условиях давления и температуры.

Закон постоянства гранных углов был установлен в конце XVII в. датским ученым Стено (1669) на кристаллах железного блеска и горного хрусталя; впоследствии этот закон был подтвержден М.В.Ломоносовым (1749) и французским ученым Роме де Лилем (1783). Закон постоянства граненых углов получил название первого закона кристаллографии.

Закон постоянства гранных углов объясняется тем, что все кристаллы одного вещества тождественны по внутреннему строению, т.е. имеют одну и ту же структуру.

Согласно этому закону кристаллы определенного вещества характеризуются своими определенными углами. Поэтому измерением углов можно доказать принадлежность исследуемого кристалла к тому или иному веществу. На этом основан один из мето­дов диагностики кристаллов.

Для измерения у кристаллов двугранных углов были изобретены специальные приборы — гониометры (от греч. «гониа» — угол).

Гониометр (рис. 12) состоит из транспортира ^ АВ, в центре которого прикреплена подвижная линейка СД, вращающаяся вокруг оси, перпендикулярной плоскости транспортира. Измеряемый кристалл устанавливают между основанием транспортира и ребром подвижной линейки, угол между гранями отсчитывают непосредственно по шкале транспортира. При помощи прикладно­го гониометра можно измерять, только относительно крупные кристаллы и при этом со срав­нительно малой точностью — не более 0,5°.

Более точные измерения даже мелких кристаллов. производятся на оптических, так называемых отражательных гониометрах. Е.С.Федоровым был изобретен двукружный гониометр.
  1   2   3

Похожие:

Петрографии. Цель их помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы iconМетодические указания по выполнению самостоятельной работы
Цель выполнения контрольной работы – раскрыть поставленный вопрос наиболее полно и емко на основе анализа материала, почерпнутого...
Петрографии. Цель их помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы iconСистемы рейтер
Цель пособия — выработать навыки понимания и перевода письменных материалов по специальности с последующим развитием разговорных...
Петрографии. Цель их помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы iconАдминистрирование системы "1С: Предприятие 8" Цель курса
Цель курса: сформировать целостное представление об администрировании системы "1С: Предприятие 8" и выработать практические навыки...
Петрографии. Цель их помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы iconТренинг-семинар «Финансовое благополучие и разумное управление личным капиталом»
Цель: Дать знания и выработать навыки управления личными финансами. Разработать стратегию достижения своих целей и оптимального использования...
Петрографии. Цель их помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы iconМетодические рекомендации по выполнению курсового проекта
Методические указания предназначены для студентов, выполняющих курсовой проект «Газоснабжение района города». Выполнение курсового...
Петрографии. Цель их помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы iconЛабораторная работа №1
Цель работы: приобрести навыки работы в системе программирования на примере интегрированной среды tp
Петрографии. Цель их помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы iconЛабораторная работа №5
Цель работы: получить навыки работы по созданию, редактированию и расчетам с помощью электронных таблиц
Петрографии. Цель их помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы iconПапка студента практиканта
Основная цель производственной практики систематизировать, закрепить и расширить приобретенные теоретические знания и практические...
Петрографии. Цель их помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы iconМетодические указания студентам по выполнению заданий Задание по...
Объем работы должен составлять 35 40 стр. 12 шрифтом Times New Roman через 1,5 интервал. Вторая часть – практические контрольные...
Петрографии. Цель их помочь в усвоении лекционного материала и выработать навыки самостоятельной работы iconИнструкция по выполнению лабораторной работы №1 по дисциплине «Архитектура компьютерных систем»
Цель работы: приобрести практические навыки по исследованию процесса функционирования триггеров rs, d и t типов, закрепить теоретические...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница