1.6 Химизм Земли

Для определения химического состава Земли и ее оболочек используют данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. Среднее содержание химического элемента в земной коре называется кларком (по имени американского ученого Ф. Кларка, начавшего изучение состава земной коры в конце XIX ст.). Он выражается в весовых, объемных или атомных процентах. На долю O + Si + Al + Fe + Ca + Mg приходится 94,14 % (рис. 5).

Особенности распространения элементов: 1) наиболее распространены от H до Zn (1-30); 2) кларки четных элементов больше нечетных (четные 86,4%); 3) из четных наиболее распространены отличающиеся разностью порядковых номеров 6 (O - 8; Si – 14; Ca – 20; Fe – 26…).

Химический состав земной коры изменяется во времени: 1) поступление метеоритного вещества; 2) рассеивание легких газов (H и He) в мировое пространство; 3) распад радиоактивных элементов; 4) перемещение химических элементов из одной оболочки в другую (вулканы и землетрясения) и др.

На основании анализа состава различных метеоритов, а также сведений, полученных в результате экспериментальных геохимических и геофизических данных и термодинамических расчетов. Повышенное распространение характерно только для четырех элементов — О, Fe, Si, Мg, в сумме составляющих 91 %. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Са, А1.

Рисунок 5 – Химический состав земной коры (А.П. Виноградов, 1962)

КРИСТАЛОГРАФІЯ

1.1 ПРЕДМЕТ КРИСТАЛОГРАФІЯ

Земна кора складається з кристалічної речовини на 95%. Метали, сплави, кераміка, бетон, фарфор, тверді шлаки мають кристалічну будову.

Кристаллография – наука о процессах образования, форме, структуре и физико-механических свойствах кристаллов. Перед кристаллографией стоят практические задачи: изучение образования, строения и свойств кристаллов реальной среды, получение искусственных кристаллов. Синтетические кристаллы реальной среды широко применяются в приборостроении, ювелирной промышленности, радиотехнике, оптике, акустике и т. д., состоит из следующих разделов:

1. Геометрическая – изучает внешнюю форму и симметрию кристаллов, геометрические законы кристаллографии.

2. Химическая – о внутреннем строении кристаллических веществ и их зависимости от химического состава.

3. Физическая – о физических свойствах кристаллов (механические, оптические, тепловые, электрические, магнитные и т.д.).

Кристаллы – твёрдые тела формы многогранника, с закономерным расположением в пространстве элементарных частиц (атомы, ионы, молекулы). Различают кристаллы природные и синтетические, полученные искусственным путём. Искусственные кристаллы – кристаллы, не имеющих аналогов в природе ввиду существующих определённых геохимических ассоциаций химических элементов и величины их концентрации.

Аморфное вещество характеризуется отсутствием кристаллического строения, физические свойства одинаковы во всех направлениях (стекло, газ, жидкость), вследствие хаотичного расположения атомов.

Свойства кристаллических веществ обусловлены их внутренним строением:

1. Однородность – свойство физического тела быть одинаковым во всём объёме. Свойства на разных участках кристалла в параллельных направлениях одинаковы (кристаллы кубической сингонии).

2. Анизотропия (неравносвойственность) – свойства различны в непараллельных направлен так как различны расстояния между материальными частицами (механические свойства слюды, графита, дистена).

3. Дискретность внутреннего строения – свойства кристалла не могут быть одинаковы там, где есть частицы и где их нет.

4. Способность самоограняться свойства кристаллов быть образовывать грани при свободном их росте. Если шарик галита поместить в пересыщенный раствор хлорида натрия, то этот шарик в конце концов обрастёт гранями куба.

Металлы в аморфном состоянии обладают специфическими свойствами, прежде всего тягучестью и пластичностью, что позволяет изготовлять из него головки магнитной записи, бритвы лезвия, получать металлическую фольгу толщиной 10мкм и проволоку диаметром 10мкм. Промежуточными звеньями между аморфным и кристаллическим состоянием вещества являются полимеры и жидкие кристаллы (рис.1). Мономерные цепи полимеров состоят из закономерно повторяющихся частиц, тогда как взаимное расположение этих цепей друг относительно друга может быть различным, так как связи между ними слабые и поэтому возможно проскальзывание этих цепей друг относительно друга. Жидкие кристаллы представляют собой жидкость, состоящую из вытянутых молекул, способных приобретать определённую ориентировку друг относительно друга под действием внешнего электрического поля. Таким образом и полимеры и жидкие кристаллы обладают лишь частично упорядоченным строением. Кристаллическое стекло – ситал более прочное по сравнению с аморфным стеклом.

(а

(б

(в

(г

Рис.1 – Двумерная схема расположения материальных частиц в кристаллах (а), полимерах (б), жидких кристаллах (в) и аморфных телах (г).

1.2.1 Просторові решітки

Геометрическая кристаллография – раздел кристаллографии, который изучает законы симметрии, формы кристаллов и их сочетаний, законы срастаний кристаллов.

Пространственная решётка

Мельчайшие частички любого кристаллического вещества закономерно располагаются в пространстве, образуя правильные ряды, которые в трёхмерном пространстве образуют кристаллическую решётку. Частицы колеблются около узлов кристаллической решётки. Узлы кристаллической решётки, лежащие вдоль прямой, образуют ряд решётки, а расстояние между ближайшими узлами а – промежуток ряда. Плоская сетка – совокупность частиц, лежащих в одной плоскости в вершинах системы равных параллелограммов параллельных и смежных по сторонам. Два ряда ОА_n и ОВ_n задают плоскую сетку (Рис. ). Возьмём узел С₁, расположенный вне плоскости сетки и проведём ряд О-С₁-С₂… и плоские сетки, в результате чего получим пространственную решётку (Рис. 1.2).

(а

(в

А_о А₁ А₂ А₃

а

(б

b С₂

В₃

С₁

В₂

0 А₁ А₂ А₃

В₁

0 А₁ А₂ А₃

Рисунок 1.2 – Просторові решітки (с) і їх елементи: одномірний ряд (а) і плоска сітка (б)

Пространственная решётка – система точек, расположенных в вершинах равных, параллельно ориентированных параллелепипедов без промежутка заполняющих пространство. Эти параллелепипеды называют элементарной ячейкой (рис. 1.3). Форма ячейки зависит от её параметров а, в, с и углов между ними α, β, γ. Так, для кубиков галита а=в=с, а α=β=γ=90⁰.

Грань – плоскость, ограничивающая кристалл. Ребро – линия пересечения граней. Вершина – точка пересечения рёбер.

_Z

_C

_Y

β α

_b

γ

_a

_X

Рисунок 1.3 – Элементарная ячейка