Неліктен минералдардың белгілі бір кристалдық пішіндері бар?
Егер сіз призма тәрізді кварцты, кішкентай текшелерге ұқсайтын ас тұзын немесе көбінесе алтын сүйектерге ұқсайтын пиритті көрген болсаңыз, сіз мынаны ойлауыңыз мүмкін: минералдардың неліктен белгілі бір кристалдық пішіндері бар? Минерал пішіндерінің сұлулығы кездейсоқтық емес. Олар минералдың атомдарының қалай орналасқанының және минералдың табиғатта қалай өсетінінің «іздері». Бұл мақалада минералдың кристалдық пішіндерінің ғылыми себептері, атомдық орналасудан бастап, түзілу процестерінен бастап, олардың соңғы пішініне әсер ететін қоршаған орта факторларына дейін талқыланады.
1. Минералдар мен кристалдар: олардың арасында қандай байланыс бар?
Минералдар – табиғи түрде пайда болатын қатты заттар (адамның араласуынсыз түзілген), әдетте бейорганикалық, белгілі бір химиялық құрамы және тұрақты ішкі құрылымы бар. Бұл тұрақты ішкі құрылым кристалдық құрылым деп аталады. Сондықтан, минералды «кристалды» деп айтқанда, біз оның тек бұрыштық сыртқы пішінін ғана емес, керісінше, оның атомдары қайталанатын үлгіде ұқыпты орналасқанын айтамыз.
Кристаллдың сыртқы пішіні (кристалл әдеті деп аталады) ішкі құрылымның көрінісі болып табылады, бірақ ол әрқашан мінсіз бола бермейді, себебі ол қалыптасу жағдайларына байланысты.
2. Негізгі себеп: кристалдық тордағы атомдардың орналасуы
Микроскопиялық деңгейде минералдардағы атомдар кристалдық тор деп аталатын қайталанатын үш өлшемді үлгіде орналасқан. Бұл үлгі келесідей анықталады:
– Құрамдас иондардың/атомдардың мөлшері мен заряды
Химиялық байланыстың түрі (иондық, коваленттік, металлдық немесе аралас)
– Кішкентай бірліктердің (мысалы, силикат тетраэдрлерінің) үлкен құрылымдарды қалыптастыру үшін қайталану тәсілі
Ішкі құрылымы тұрақты болғандықтан, минералдардың өсуі де тұрақты болуға бейім. Бұл тегіс беттердің (беттердің) және белгілі бір бұрыштардың пайда болуына әкеледі. Сондықтан кварц көбінесе алтыбұрышты призмаларды құрайды, ал галит (NaCl) текшелерді құрайды.
Қарапайым мысал
– Галит (тас тұзы, NaCl): Na⁺ және Cl⁻ иондары куб тәрізді орналасқан. Өсіру кезінде бұл орналасуға ең жақсы сәйкес келетін пішін - куб.
– Кварц (SiO₂): кремний диоксиді тетраэдрлерінің орналасуы алтыбұрышты симметрияны тудырады, сондықтан сыртқы пішіні көбінесе пирамидалық ұштары бар алты жақты призма болып табылады.
3. Кристалл симметриясы және форманың тұрақтылығының «заңдары»
Кристалдар симметрияны көрсетеді, яғни белгілі бір бағытта бұрылғанда немесе айналған кезде бірдей үлгінің қайталануы. Бұл симметрия кристалдарды кристаллографиялық жүйелерге бөледі. Жалпы алғанда, жеті негізгі кристалдық жүйе бар:
1. Кубтық (изометриялық)
2. Төртбұрышты
3. Орторомбикалық
4. Алтыбұрышты
5. Үшбұрыш
6. Моноклиникалық
7. Триклин
Әрбір жүйенің бұрыштар мен ось ұзындықтарына арналған өзіндік ерекше ережелері бар. Сондықтан, бір жүйедегі минералдар көбінесе ұқсас пішін үрдістерін көрсетеді. Мысалы, кубтық жүйедегі минералдар куб, октаэдр немесе додекаэдр пішіндерін көрсетуге бейім.
4. Неліктен кейбір аймақтар басымырақ? Беттік энергия
Кристалдық тор «негізгі дизайнды» қамтамасыз еткенімен, соңғы пішін қай жазықтықтардың энергетикалық тұрғыдан ең тұрақты екендігімен анықталады. Кристалдық өсуде:
– Беттік энергиясы төмен жазықтықтар кристалдық беттер ретінде сақталуға және көрінуге бейім.
– Беттік энергиясы жоғары өрістер тезірек өсіп, ақырында сыртқы пішіннен «жоғалып кетеді».
Басқаша айтқанда, кристалдар жалпы энергияны азайтатын пішінді «таңдайды». Бұл принцип бір минералдың белгілі бір симметрия шекараларын сақтай отырып, неліктен әртүрлі пішіндерге ие бола алатынын түсіндіруге көмектеседі.
5. Өсу шарттары: кеңістік, уақыт және материалдар қоры
Кристалл пішініне минералдың пайда болу ортасы үлкен әсер етеді. Ең маңызды факторлардың кейбірі:
а) Өсуге мүмкіндік
Егер минералда бос кеңістіктер болса (мысалы, жанартау жыныстарындағы немесе геодтардағы қуыстар), кристалдар еркін өсіп, әр түрлі кристалдық беттерді түзе алады. Дегенмен, егер олар шектеулі кеңістіктерде өссе, кристалдар бір-бірін тығыздап, дұрыс емес пішінге ие болады.
Мысал:
– Геодтардағы кварц кристалдары көбінесе өткір және айқын бетті болады.
– Қатты жыныстардағы кварц мөлдір призма пішінінсіз кристалды масса болуы мүмкін.
b) Салқындату немесе қалыптастыру жылдамдығы
– Баяу салқындату (мысалы, магма интрузияларында) атомдардың ұқыпты орналасуына мүмкіндік береді → үлкенірек кристалдар мен дұрыс пішіндер.
– Жылдам салқындату (мысалы, бетіндегі лава) атомдардың ұйымдасқанға дейін «құлыпталуына» әкеледі → ұсақ кристалдар немесе тіпті жанартау шынысы (кристалдарсыз).
c) Химиялық элементтердің концентрациясы және қоры
Егер құрамдас элементтер мол және тұрақты болса, кристалдар мінсіз өсе алады. Егер қоректендіру ауытқып тұрса, өсу біркелкі болмайды, нәтижесінде деформацияланған немесе қабатталған пішіндер пайда болады.
6. Температура, қысым және судың/ерітіндінің рөлі
Көптеген минералдар гидротермиялық ерітінділерден (ыстық, минералға бай су) немесе метаморфизмнен (температура мен қысымға байланысты тау жыныстарының өзгеруі) өседі. Температура мен қысым минералдарға бірнеше жолмен әсер етеді:
– Қандай минералдардың тұрақты екенін анықтаңыз (кейбір минералдар тек белгілі бір жағдайларда ғана пайда болады).
– Атомдық диффузия жылдамдығын өзгертеді, осылайша кристалдардың мөлшері мен сапасына әсер етеді.
– Ерігіштігіне әсер етеді: жағдайлар өзгергенде (мысалы, ерітінді салқындағанда немесе қысым төмендегенде) минералдар тұнбаға түседі.
Су кристалдардың түзілу процесін де жеделдете алады, себебі ол иондардың қозғалуын және тор түзу үшін жиналуын жеңілдетеді.
7. Қоспалар мен кристалдық ақаулар: пішіні өзгеруі мүмкін
Минералдар сирек жағдайда 100% таза болады. Басқа иондар кейбір атомдардың орнын басатын (алмастыратын) кристалдық торға енуі мүмкін. Бұл қоспалар:
– Түсінің өзгеруі (мысалы, аметист: микроэлементтер мен радиацияның әсерінен күлгін кварц).
– Кристалдардың пішіні «идеалды» болмайтындай етіп өсу тәсілін өзгерту.
– Жылтырлығы мен қаттылығына әсер ететін ақауларды (шығуларды) тудырады.
Ақаулықтар орын алса да, негізгі құрылым кристаллография ережелеріне бағынады, сондықтан жалпы пішінді әлі де тануға болады.
8. Егіздену және агрегаттар: кристалдар «таңқаларлық» болып көрінеді, бірақ әлі де тұрақты.
Кейде екі немесе одан да көп кристалдар бір-біріне белгілі бір тұрақты бағытта жабысып өседі. Бұл кристалдардың егізденуі деп аталады. Егіздену күрделі болып көрінетін, бірақ шын мәнінде симметрия ережелеріне бағынатын ерекше пішіндерді тудыруы мүмкін.
Сонымен қатар, минералдар көбінесе агрегаттар түрінде өседі: көптеген ұсақ кристалдардың жиынтығы. Агрегаттарда жеке кристалдардың пішінін ажырату қиын, бірақ микроскопиялық масштабта әлі де заңдылық бар.
9. Неліктен бір минералдың пішіндері әртүрлі болуы мүмкін?
Біз бірдей минералды табуымыз мүмкін, бірақ оның пішіні әртүрлі. Бұл келесі себептермен болады:
– Әртүрлі өсу жағдайлары (температура, қысым, ерітінді, кеңістік)
– Белгілі бір бағыттардағы өсу қарқынындағы айырмашылықтар
– Өсуге кедергі келтіретін қоспалардың немесе басқа минералдардың болуы
– Кристалл бетін өзгертетін үгілу немесе эрозия процестері
Дегенмен, сыртқы пішіні өзгеруі мүмкін болса да, сол минералдағы кристалдық жазықтықтар арасындағы бұрыштар тұрақты болып қалады. Классикалық кристаллографияда бұл берілген минерал кристалындағы жазықтықтар арасындағы бұрыштар тұрақты деген принцип ретінде белгілі, себебі олар бірдей ішкі құрылымнан бастау алады.
Қорытынды
Минералдардың кристалдық пішіндері, ең алдымен, кристалдық тордағы атомдардың тұрақты орналасуына және олардың ішкі құрылымының симметриясына байланысты болады. Біз көріп отырған сыртқы пішін осы ішкі «дизайн» мен өсу кеңістігі, температура, қысым, түзілу жылдамдығы, ерітінді құрамы мен қоспалары сияқты қоршаған орта факторларының өзара әрекеттесуінің нәтижесі болып табылады. Сондықтан минералды кристалдар атом деңгейіндегі физика мен химияның тұрақты заңдары мен олардың түзілу кезіндегі табиғат динамикасының үйлесімі болып табылады.
Кристалл пішіндері жинауға әдемі ғана емес, сонымен қатар ғылым үшін де маңызды: кристалдардың пішіні мен құрылымынан геологтар тау жыныстарының пайда болу жағдайларын, олардың геологиялық тарихын және тіпті аймақтың әлеуетті минералды ресурстарын анықтай алады. Минералдардың неліктен белгілі бір пішіндерге ие екенін түсіну арқылы біз негізінен атомдардың құрылымында сақталған табиғи процестердің «жазбасын» оқимыз.
