Minerały i Kamienie szlachetne

Już w XVIII w. wysunięto hipotezę, że prawidłowa zewnę­trzna postać kryształów jest wynikiem ich budowy wewnętrznej. Początkowo przypuszczano, że elementami struktury kryształów, ułożonymi w regularną sieć przestrzenną, są cząsteczki o kształ­tach geometrycznych: kule, elipsoidy, wielościany. W wyniku ba­dań przekonano się, że elementarnymi składnikami kryształów mogą być nie tylko cząsteczki chemiczne, ale także atomy i jony.

Eksperymentalnie potwierdzono także słuszność wyobrażenia bu­dowy wewnętrznej kryształów w postaci sieci przestrzennych, w których atomy, jony lub ich grupy powtarzają się w danym kierunku w dokładnie jednakowych odstępach.

Najprostszym elementem sieci przestrzennej jest punkt, zwa­ny węzłem sieci. Zbiór identycznych punktów powtarzających się w jednakowych odstępach d_t wzdłuż jakiegoś kierunku tworzy prostą sieciową. Przez obranie innego, nierównoległego kierunku oraz odstępu d₂ między punktami identycznymi otrzymujemy zbiór punktów powtarzających się prawidłowo w przestrzeni dwu­wymiarowej, czyli płaszczyzną sieciową lub sieć płaską. Jeśli pła­szczyznę sieciową przesuniemy o odstęp d₃ w trzecim, nierównoległym kierunku uzyskamy prawidłowy układ punktów w prze­strzeni, czyli sieć przestrzenną. Między siecią przestrzenną a ze­wnętrzną formą kryształów istnieje ścisły związek. Kryształy ograniczone są ścianami płaskimi, którym w sieci przestrzennej odpowiadają zbiory równoległych płaszczyzn sieciowych, każdej krawędzi kryształu odpowiada zbiór równoległych prostych sie­ciowych.

Najmniejszą jednostką objętościową sieci przestrzennej jest równoległościan elementarny, zwany również komórką jednost­kową lub celką. Ograniczony jest on krawędziami o długościach d₁ d₂ d₃,odpowiadającymi najmniejszym odległościom między atomami, jonami lub cząsteczkami znajdującymi się w węzłach sieci tworzących jego naroża, W najogólniejszym przypadku kąty między krawędziami równoległościanu elementarnego są różne (nierówne  90°), jak  również i odstępy punktów sieciowych w trzech kierunkach są różne. Są jednak sieci prostokątne, a od­stępy punktów sieciowych mogą być w dwóch lub trzech kierun­kach równe.

Sieć przestrzenna danej substancji różni się od sieci innych substancji długością krawędzi równoległościanu elementarnego oraz w wielu przypadkach również kątami między nimi. Każda substancja ma więc własną sieć przestrzenną. Do opisania tej sieci konieczna jest znajomość kształtu jej równoległościanu elemen­tarnego, który prawidłowo powtarza się w 3 kierunkach.

W celu zdefiniowania równoległościanu elementarnego przyj­muje się jeden z węzłów sieci przestrzennej za początek układu współrzędnych, a trzy wychodzące z niego proste sieciowe, za osie współrzędne x, y, z. Kąt między osiami y i z oznacza się literą a, między osiami x i z — P, a między osiami x i y — y. Najmniej­szą odległość między punktami sieciowymi w kierunku osi x oznacza się a, w kierunku osi y — b, a w kierunku osi z — c. Ze­spół kątów a, (3, y oraz odstępów sieciowych a, b, c nazywa się stałymi siecioiuymi, czyli stałymi sieci przestrzennych. Odstępy między punktami sieciowymi a, b, c mierzy się w nanometrach.

Prymitywna sieć przestrzenna składa się z równoległością-nów elementarnych, w których atomy, jony lub cząsteczki znaj­dują się jedynie w narożach, W bardziej złożonych sieciach prze­strzennych elementy te mogą znajdować się także w środku ścian lub w środku równoległościanów. Na podstawie badań różnych możliwych sposobów rozmieszczenia w kryształach ich najmniej­szych identycznych cząsteczek stwierdzono istnienie 14 rodzajów sieci przestrzennych. Od francuskiego krystalografa, który je wy­prowadził w połowie XIX w., nazywane są one sieciami Bravais^ygo.

W układzie trójskośnym występuje tylko sieć prosta, w któ­rej naroża są obsadzone punktami. W układzie jednoskośnym oprócz sieci prostej występuje sieć z obsadzoną podstawą. W ukła­dzie rombowym występuje sieć prosta oraz sieć z obsadzoną pod­stawą, sieć z obsadzonymi wszystkimi bokami oraz sieć z obsa­dzonym środkiem przestrzennym równoległościanu. W układzie tetragonalnym oprócz sieci prostej występuje sieć z obsadzonym środkiem równoległościanu. Sieć heksagonalna przedstawiona jest przez słup sześcioboczny o obsadzonych podstawach. Równoległościanem elementarnym w sieci romboedrycznej jest romboedr o jednakowych kątach między krawędziami i obsadzonych naro­żach. W układzie regularnym oprócz sieci prostej jest możliwa sieć o obsadzonym środku i obsadzonych bekach.

Czternaście rodzajów sieci przestrzennych wyczerpuje wszystkie możliwości rozmieszczenia identycznych punktów w prze­strzeni. Wszystkie struktury można wyprowadzić z opisanych ty­pów sieci prostych, wyobrażając sobie kilka jednakowych sieci wstawionych jedna w drugą.

Własności chemiczne i fizyczne ciał krystalicznych zależą od rodzaju i stosunków ilościowych budujących je atomów, sposobu ich rozmieszczenia w przestrzeni oraz rodzaju łączących je wią­zań chemicznych. Najważniejsze dla świata minerałów są wiąza­nia jonowe, będące wiązaniami między jonami o odmiennym ła­dunku, tj. między kationami i anionami, oraz wiązania atomowe, występujące między atomami. Stąd wyróżnia się sieci jonowe i atomowe oraz sieci mieszane, w których występują oba rodzaje wiązań. Minerały mają najczęściej mieszany typ wiązań jonowo-atomowych z przewagą wiązań jonowych.

Składniki sieci przestrzennej — atomy i jony — mają pewne wymiary i możemy wyobrazić je sobie jako kule o określonym promieniu, przedstawiającym strefę oddziaływania atomu czy jonu na sąsiednie składniki sieci przestrzennej. Wymiary promieni jo­nowych wynoszą 0,02—0,1 nm.

Przykładem prostej sieci jonowej jest sieć przestrzenna chlor­ku sodu NaCl. W modelu tej sieci uwzględniającym wielkość jo­nów są one przedstawione jako kule o różnych promieniach.

Pierwiastki o takich samych lub zbliżonych promieniach jo­nowych mogą zastępować się wzajemnie w sieciach przestrzen­nych. Im bardziej różnią się promienie jonowe pierwiastków, tym trudniej i w bardziej ograniczony sposób następuje wzajemna ich wymiana w sieciach przestrzennych. Przy dużych różnicach pro­mieni jonowych pierwiastki nie mogą w ogóle się zastępować. Dzięki zastępowaniu się jonów w sieciach przestrzennych związki o różnym składzie chemicznym mogą mieć tę samą lub bardzo podobną budowę wewnętrzną oraz postać kryształów. Zjawisko to nazywa się równopostaciowością lub izomorfizmem. Piękny przy­kład izomorfizmu wśród kamieni szlachetnych stanowi grupa gra­natów. Granaty o różnym składzie chemicznym mają tę samą po­stać geometryczną, związaną z podobieństwem budowy.

Najliczniejszymi przedstawicielami minerałów są krzemiany, do których należy również większość kamieni szlachetnych. We wszystkich krzemianach występują stale grupy krzemotlenowe [Sio] utworzone przez małe jony krzemu i duże jony tlenu. Gru­py krzemotlenowe, stanowiące zasadniczy składnik budowy krze­mianów, przedstawiane są często w postaci czworościanów, w na­rożach których znajdują się jony tlenu, a w środkach jony krze­mu. Drugą charakterystyczną cechą krzemianów jest możliwość zastępowania w ich sieciach krystalicznych jonów krzemu przez jony glinu. Krzemiany, w których część czworościanów [Si0₄] za­stąpiona jest przez czworościany [A1₂0₄] nazywane są glinokrze-mianami.

Czworościany krzemotlenowe mogą występować oddzielnie lub w grupach, w których poszczególne czworościany połączone są z sobą narożami. Tworzyć mogą one pierścienie, łańcuchy, wstęgi, warstwy. Najprostszą budowę mają krzemiany wyspowe, zawie­rające samodzielne, nie powiązane z sobą czworościany krzemo­tlenowe. W krzemianach grupowych czworościany [Si0₄] łączą się po dwa. W krzemianach pierścieniowych tworzą one trój-, czworo- i sześcioboczne pierścienie, w krzemianach łańcuchowych łączą się w pojedyncze łańcuchy, a w krzemianach wstęgowych dwa poje­dyncze łańcuchy łącząc się z sobą tworzą elementy strukturalne przypominające wstęgi. W krzemianach warstwowych czworo­ściany [Si0₄] tworzą płaskie warstwy, przy czym każdy czworo­ścian ma trzy wspólne naroża z sąsiednimi czworościanami. Naj­bardziej złożoną pudowe mają krzemiany przestrzenne, w któ­rych czworościany [Si0₄] są ze sobą powiązane w różnorodny spo­sób. Tego rodzaju budowę mają kwarc i skalenie; niektóre odmia­ny tych minerałów zaliczane są de kamieni szlachetnych.

Wyrazem prawidłowej wewnętrznej budowy kryształów jest ich zewnętrzna postać wypukłych wielościanów foremnych. Rozpatrując struktury różnych substancji krystalicznych można zau­ważyć, że jedne płaszczyzny są znacznie gęściej obsadzone atoma­mi niż inne. Te właśnie płaszczyzny, na których atomy są gęsto rozmieszczone, odpowiadają najczęściej występującym ścianom kryształu danego pierwiastka lub związku chemicznego.

Struktura kryształów wyjaśnia wiele zjawisk fizycznych, np. występującą u niektórych zdolność dzielenia się wzdłuż równo­ległych płaszczyzn, tj. łupliwość. W zależności od charakteru sieci przestrzennej danego pierwiastka lub związku chemicznego i od różnic gęstości rozmieszczenia najdrobniejszych cząstek ma­terii można strukturalnie uzasadnić stwierdzoną łupliwość. Struk­tura wewnętrzna grafitu, który ma doskonałą jednokierunkową łupliwość, odznacza się tym, że w płaszczyznach równoległych do powierzchni łatwo oddzielających się blaszek, tj. w płaszczyznach łupliwości, atomy węgla są bardzo gęsto rozmieszczone i odległości między poszczególnymi atomami są niewielkie; znacznie większe są one natomiast w kierunku prostopadłym do płaszczyzn łupli­wości. W podobny sposób są zbudowane i inne blaszkowate mi­nerały, w których równolegle do płaszczyzny łupliwości atomy występują znacznie gęściej niż w innych kierunkach.

Odmienną budowę wewnętrzną mają minerały o dwóch lub trzech płaszczyznach łupliwości. Sześcienna, kostkowa, doskonała łupliwość soli kamiennej znajduje uzasadnienie w strukturze tego związku chemicznego. Kryształy chlorku sodu mają bowiem wią­zania jonowe w trzech prostopadłych do siebie kierunkach.

Promienie jonowe pospolitych pierwiastków