Кристаллические формы

Форма кристаллов следует топологии молекул, из которых они состоят так, что каждая новая молекула может закрепиться, как в конструкторе заданной формы, по направлениям межатомных связей.

Но то, сколько молекул закрепится и с какой стороны и грани, то, насколько непрерывно будет нарастать конструкция кристалла, какие молекулы примесей и сколько окажется включенным в кристалл или, при невозможности образовать связи с его конструкцией, внедрятся в него как кристалл другого типа, - все это зависит от внешних условий формирования кристаллов, приводя к невероятному разнообразию форм даже для "чистого" вещества (содержащего молекулы одного вида). Наибольшее влияние оказывают температура и химический состав окружающей среды.

Если направление роста кристалла от слоя к слою определяется ориентацией функциональных групп в молекуле, то скорость роста в данном направлении - от так называемой поверхностной энергии (термодинамическая энергия молекулярного взаимодействия на границах раздела фаз): там, где более остро - большая энергия, а в вогнутостях - наименьшая. Поэтому грани обладают меньшей поверхностной энергией, чем острые края и вершина.
Кристалл при своём росте принимает такую форму, при которой его поверхностная энергия имеет наименьшее назначение. Вследствие этого скорости роста граней пропорциональны поверхностным энергиям этих граней. Быстрорастущие грани кристалла в процессе роста постепенно исчезают. В результате кристалл всегда оказывается ограниченным гранями с малой поверхностной энергией.
Если спилить вершины кристалла, а затем погрузить его в пересыщенный раствор, то кристалл будет расти так, что его искусственно созданные грани с большим значением коэффициентом поверхностного натяжения начнут расти быстрее других, и будут уничтожаться. В результате кристалл «восстановит» свою форму.

В каждых данных условиях формируется и остается неизменным ("выживает") то, что соответствует этим условиям, а в противном случае претерпевает изменения.

Наиболее знакомо всем и постоянно наблюдается разнообразие кристаллов воды: Снежинки, Ледяные узоры, Кристаллы воды. Мистические легенды об этом: Живая вода Масару Эмото - здесь, в противовес мистике, размещена подборка фотографий снежинок, выполненных физиком Кеннетом Либрехтом (Kenneth Libbrecht) из Калифорнийского технологического института и его наблюдения за условиями их образования.

Но вокруг повсюду не менее разнообразны формы кристаллов окружающих веществ, видимые и микроскопические, непосредственно определяющие нашу жизнь и вообще делающие возможной жизнь на Земле. Ведь органические вещества и даже био-формы - так же определены в своей основе направленностью межатомных связей в молекулах.

Об этом более подробно было - в статье Про химию. Там же говорилось о возможности выращивани и наблюдения кристаллов в домашних условиях вплоть до технологии получения кристаллов сапфиров и рубинов.

Завораживающие кристаллические формы из коллекции минералогического музея им. Ферсмана (фото сделаны с любезного согласия главного хранителя музея) можно посмотреть в галерее:

Кристаллические формы

Про этот минералогический музей уже была обзорно-ознакомительная статья в стиле описания путешествия: Природные чудеса.

Невозможно рассказать про все минералы, хотя есть очень удобный ресурс, который публикует по очень многим из них фото и статьи: Каталог минералов и драгоценных камней. Рассмотрим условия образования некоторых из них.

Кристаллические формы карбоната кальция Ca-CO₃.

Углекислый газ CО₂ - активная группа атомов, которая при растворении в воде объединяется с ее молекулами с образованием катиона H (кислая среда) и аниона CO₃. При наличии в растворе (или вулканическом расплаве) ионов металлов может образовываться множество различных карбонатов: с литофильными (Na, Ca, Mg, Sr, Ba, TR), а также халькофильными (Zn, Сu, Pb, Bi) элементами образуют более 80 природных соединений (минералов). Карбонат кальция имеет наиболее важное для живых организмов значение, начиная с самых ранних этапов эволюции - в качестве опорных и защитных жестких форм. Существуют залежи остатков таких форм в породах, а в океанах - атоловые острова, построенные колониями микроорганизмов. Кроме этого в природе существуют огромные залежи карбоната кальция вулканического происхождения.

В любом случае, при воздействии воды, карбонат кальция постепенно растворяется, переносится с этой водой и осаждается в виде кристаллических форм, которые в пещерах поражают воображение красотой и разнообразием. Мне доводилось бывать в еще никем не посещенной и, соответственно, не разграбленной, не нарушенной пещере, и это - не преувеличение для эффектного словца: увиденное поражает воображение очень глубоко и сильно.

Кальцит - одна из природных форм карбоната кальция. По ссылке - более подробное описание и много фотографий его различных видов. Мрамор - одна из таких форм - результат перекристаллизации (растворений и новой кристаллизации) с некоторым количеством примесей, придающих цвет и узоры.

Кристаллические формы серы S и ее соединений.

Сера в природе встречается как в свободном виде, так и в виде огромного множества ее соединений. В свободном виде она образует красивые кристаллы на других породах. Из вулканических газов (фумарол) конденсируется сера и откладывается близ фумарольных жерел. В результате вокруг фумарол нарастают разнообразные по форме серные купола. Другой причиной образования серных отложений считается деятельность бактерий.

Важнейшие природные соединения серы FeS₂ — железный колчедан или пирит, ZnS — цинковая обманка или сфалерит (вюрцит), PbS — свинцовый блеск или галенит, HgS — киноварь, Sb₂S₃ — антимонит. Кроме того, сера присутствует в нефти, природном угле, природных газах и сланцах. Сера — шестой элемент по содержанию в природных водах, встречается в основном в виде сульфат-иона и обуславливает «постоянную» жёсткость пресной воды. Сера - жизненно важный элемент для высших организмов, составная часть многих белков, концентрируется в волосах.

Гипс - одна из форм соединений серы: Ca-SO₄•2H₂O - т.е.. Это - соль кальция и серной кислоты, каждая молекула которой связана с молекулой воды в кристаллах. На фото - кристаллы гипса со свободной серой на них.

Гипс может иметь формы кристаллов: таблитчатые, призматические, столбчатые, игольчатые. По ссылке - более подробное описание и много фотографий его различных видов.

Пирит или железный колчедан - соединение серы и железа Fe-S₂ Имеет металлический блеск и неопытные люди легко принимают его за золото.

Пирит — один из самых распространенных в Земной коре сульфидов. Большие его залежи сосредоточены в месторождениях гидротермального происхождения, колчеданных залежах, осадочных и метаморфических породах. Кроме того пирит в небольших количествах образуется в магматических процессах.

По ссылке - более подробное описание и много фотографий его различных видов.

Кристаллические формы окислов кремния Si-0₂.

Кремний имеет те же основные химические свойства, что и углерод, но обладает более низкой активностью в аналогичных соединениях (в таблице Менделеева он располагается под углеродом), что придает его соединениям разительно иные качества.

По распространённости в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на 27,6—29,5 % состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Больше всего распространен кремнезём — многочисленные формы диоксида кремния (IV) SiO₂ (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12 % земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается, хотя одна четвертая земли состоит из кремния.

Кварц - окись кремния Si-O₂.

Кварцевые кристаллы -  шестигранные призмы, с одного конца (реже с обоих) увенчанные шести- или трёхгранной пирамидальной головкой, сочетающей грани двух ромбоэдров. Часто по направлению к головке кристалл постепенно сужается.

Кварц образуется при различных геологических процессах: Непосредственно кристаллизуется из магмы кислого состава. Температура его выделения может превышать 1000 °C. Кварц кристализуется из обогащённых флюидом пегматитовых магм.

При гидротермальном процессе образуются кварцевые и хрусталеносные жилы. Нередки красивые жеоды из минералов кварца, часто с агатовой оболочкой.

В промышленности имеет место синтез кварца гидротермальным способом. Преимуществом синтетического кварца для промышленности является большая однородность по примесям, более высокая химическая чистота. Также преимуществом метода синтеза является то, что результатом выращивания являются монокристаллы, которые по своим свойствам более пригодны для использования в качестве пьезооптического кварца, чем широко распространённые в природе сдвойникованные кристаллы. Для ювелирной промышленности также метод синтеза является немаловажным, так как позволяет получать кварц практически любых цветов, самой разной насыщенности, при необходимости даже с переходами одной окраски в другую. Выращивают даже не существующий в природе синий кварц.

По ссылке - более подробное описание и много фотографий различных форм кристаллов кварца, в том числе - горного хрусталя.

Агат - скрытокристаллическая разновидность кварца, представляет собой тонковолокнистый агрегат халцедона со слоистой текстурой и полосчатым распределением окраски. Ювелиры называют агатом также разновидности халцедона без явной слоистости, но с различными включениями, создающими конкретный рисунок: моховой агат, агат звёздчатый и другие.

Агаты медленно формируется в условиях, обеспечивающих протекание периодических химических реакций, связанных с диффузией и пересыщением соединений кремния. Зоны агатов могут иметь толщину до 1,5 мкм. Концентрическая слоистость агатов формировалась в условиях избыточного гидростатического давления. Агаты формируются в закрытой системе — полости бывшего газового пузыря, изолированного в толще лавы. У глазковых (очковых) агатов концентрические круговые слои располагаются вокруг центральной точки (эта точка может содержать несколько кристалликов горного хрусталя), это самые ценные агаты. В некоторых агатах в зоне шириной 1 см может содержаться несколько тысяч различных слоев.

По ссылке - более подробное описание и много фотографий различных форм агата. Еще - про халцедон.

Аметист - синяя, синевато-розовая или красно-фиолетовая разновидность кварца. Встречается обычно в виде свободно сидящих в пустотах и жилах среди кристаллических горных пород кристаллов и их сростков.

Красивый фиолетовый или вишнёво-синий цвет аметиста, которым он только и отличается от простого кварца и горного хрусталя, обусловлен не следами окислов железа и марганца, как думали прежде, а примесью органического красящего вещества. Поэтому при прокаливании уже около 250° аметист теряет свою окраску, переходящую постепенно в жёлтую или зеленоватую, и становится бесцветным.

Аметист образуется в низкотемпературных гидротермальных условиях.

В природе аметист встречается в виде призматических кристаллов, увенчанных пирамидальной головкой, в виде скипетровидных кристаллов, а также щеток, друз, в сростках и параллельно-шестоватых кристаллических агрегатах.

По ссылке - более подробное описание и много фотографий кристаллов аметистов.

Кристаллические формы окислов металлов.

Берилл - Соединение окислов алюминия, бериллия и окиси кремния: (Al₂O₃)-(Be0)₃-(SiO₂)₆

однако состав благодаря постоянному наличию щелочей (Na, Cs, Rb), Li, Mn, Fe²⁺, Fe³⁺, Cr³⁺, присутствию воды, гелия и аргона гораздо более сложен.

По происхождению берилл является продуктом пневматолитовых и гидротермальных процессов. Чаще всего он встречается в пегматитовых жилах, грейзенах, а также в кристаллических сланцах.
А. Е. Ферсман установил связь некоторых особенностей берилла с условиями его образования. Так, по мере снижения температуры образования бериллов их окраска и габитус изменяются:
800-700" С - сине-зеленые бериллы с типично удлиненным призматическим габитусом кристаллов;
600° - желтовато-зеленые и бурые бериллы с укороченными призмами;
500° С - зеленовато-синие (аквамарины) и бесцветные бериллы с еще более укороченными призмами;
400° С - розовые (воробьевиты) и бесцветные (ростериты) бериллы, короткостолбчатые и даже таблитчатые. Понижение температуры образования бериллов благоприятствует обогащению их щелочами, и поэтому при повышении температуры образования плотность минерала уменьшается.
Бериллы связаны с кислыми породами (гранитами) и их пегматитами, в которых они особенно полно изучались П. П. Пятницким.
Бериллы находятся в ассоциации с кварцем, полевым шпатом, топазом, турмалином и флюоритом. В грейзенах они наблюдаются вместе с касситеритом, вольфрамитом, молибденитом.

В зависимости от цвета различают:

• Августит, или максис-берилл — тёмно-синий
• Аквамарин — голубой, голубовато-синий, зеленовато-голубой, голубовато-зелёный
• Баццит — бледно-голубой
• Берилл благородный — яблочно-зелёный; благородный обыкновенный — прозрачный, но с бледной окраской (термин употребляется гл. образом в ювелирном деле)
• Биксбит — красный (также называют «красным изумрудом»)
• Воробьевит (син:морганит, биксбит) — розовый, фиолетово-розовый, красный
• Гелиодор (син:давидсонит) — жёлтый, золотисто-жёлтый, оранжево-жёлтый
• Гошенит — бесцветный
• Изумруд — насыщенный и яркий густо-зелёный, травяно-зелёный до салатно-зелёного (чем бледнее цвет, тем меньше ценится)
• Ростерит — бесцветный или бледно-розовый

Несмотря на широкое распространение минералов группы берилла в геологических формациях, их ювелирные разности встречаются крайне редко, так как для этого необходимы условия свободного роста кристаллов в миароловых пустотах, что характерно только для завершающих стадий формирования вмещающих гранитоидных интрузивов.

По ссылке - более подробное описание и много фотографий кристаллов берилла. И еще ссылка - про изумруд.

Корунд - кристаллическая форма окиси алюминия Al₂-O₃. Мелкокристаллическая форма окиси алюминия - глинозем (в смеси в окислами калия, натрия, магния и т. д.).

Для образования корунда необходимы условия дефицита кремнезема и высокого содержания глинозема (именно из глинозема его получают искусственно). Магматический акцессорный корунд встречается в сиенитах и нефелиновых сиенитах, в более крупных кристаллах присутствует в щелочных пегматитах. Иногда образуется в результате десиликации (потери кварца) гранитных пегматитов, залегающих в ультраосновных породах. Известен как продукт метаморфизма бокситов и других высокоглиноземистых пород. Развит в глубокометаморфизированных породах типа гнейсов, кристаллических сланцев, гранатовых амфиболитов, а также в мраморах. В зонах контактового метаморфизма высокоглиноземистых осадочных пород могут образоваться наждаки — тонкозернистые смеси корунда с магнетитом, гематитом, иногда со шпинелью, диаспором, хрупкими слюдами, гранатом и другими минералами.

Корунд как минеральный вид имеет следующие разновидности:

• Рубин, «красный яхонт» — красного цвета; - драгоценный камень первой категории, цена прозрачных хорошо окрашенных экземпляров бывает больше, чем у алмазов.
• Сапфир, «синий яхонт» — синего цвета разной интенсивности. При умеренно-интенсивной васильково-синей окраске - драгоценный камень первой категории, но ценится значительно ниже рубина. Слишком тёмные или слишком светлые сапфиры довольно дёшевы.
• Звёздчатый рубин - экзотический драгоценный камень с эффектом астеризма, обрабатывается в виде кабошона, - на любителя.
• Лейкосапфир или «Восточный алмаз» — бесцветный и совершенно прозрачный корунд; недорогой драгоценный камень.
• «Восточный изумруд» — зелёного цвета;
• «Восточный аметист» — фиолетового цвета;
• Обыкновенный корунд — непрозрачный, крупно- или мелкозернистый, сероватого цвета.

По ссылке - более подробное описание и много фотографий кристаллов корунда.

Кристаллы органических веществ (веществ с костяком связанных углеродных атомов)

Кроме солей органических кислот, которые образуют кристаллы ионной форме, в основном, другие органические вещества связываются молекулами с помощью ковалентных связей (по типу алмаза - кристаллической формы углерода, а также других форм кристаллов чистого углерода: графита и искуственных: Углеродные нанотрубки, графен и т.п.).

Сахар - типичный и известный всем пример, кристаллы которого можно выращивать до неограниченной величины.

Кристаллы различных белков, выращенные на космической станции «Мир» и во время полётов шаттлов НАСА. Высокоочищенные белки при низкой температуре образуют кристаллы, которые используют для получения модели данного белка (источник).

И еще, - "жидкие кристаллы": почти все жидкие кристаллы, обнаруженные на сегодняшний день, представляют собой органические соединения .

Про жидкие кристаллы, плазменные кристаллы и даже волновые кристаллы можно прочесть в статье Монадные кристаллы (промистическое название настораживает :) но в начале идут довольно доброкачественные сведения, а про плазменные и т.п. кристаллы - уже мистика..).

Дополнительно:

·       Каталог минералов и драгоценных камней - иллюстрированный каталог со статьями

·       Мир минералов - каталог

Галереи фото из музея им. Ферсмана:

Кристаллические формы - самая последняя галерея.
Самое необычное и красивое
Кристаллы
Минеральные формы
Агат
Пещерные камни
Изделия из камня
Более старые галереи:
Выраженные кристаллические формы
Выраженные кристаллические формы, часть 2
Выраженные кристаллические формы, часть 3
Обработанные самоцветы
Пещерные образования
Разные минералы
Еще минералы