Электронная структура и размеры атомов в кристаллах: ионные, атомные и ковалентные радиусы. Типы химической связи и координация атомов

Морфология и внутреннее строение кристаллов и их зависимость от условий роста.

Внешняя форма кристаллов в первую очередь является отражением их внутреннего строения. Грани кристалла растут со скоростями, обратно пропорциональными плотностям их узловых сеток – ретикулярным плотностям граней (закон Браве) -> минимальными скоростями роста обладают грани, параллельные тем атомным сеткам в структуре кристалла, расстояние между которыми наибольшее, а следовательно, сила связи между которыми наименьшая. Грани разных простых форм растут с различными скоростями, и некоторые из них неизбежно зарастают. Огранка кристалла определяется медленно растущими гранями (закон Кюри-Вульфа), а форма кристаллов – поверхность скоростей роста кристалла в конкретных данных условиях.
Форма кристалла часто бывает искажена из-за неодинаковых концентраций или неравномерного поступления питающего вещества к разным участкам кристалла (справедливо и для лежащих кристаллов, и для подвешенных). В результате роста-растворения кристалла возникают восходящие-нисходящие концентрационные тепловые конвекционные потоки, обеспечивающие неравномерное поступление вещества. Устранить этот фактор можно путем перемешивания раствора (динамический способ).
Также существует взаимосвязь между симметрией кристалла и симметрией среды, в которой он развивается: любой развивающийся объект (растущий кристалл) сохраняет лишь те элементы симметрии, которые оказываются общими как для него, так и для среды (питающего раствора), в которой он развивается (закон Кюри).
Кристаллы чутко реагируют на многочисленные внешние факторы (температуру, давление, симметрию и химический состав среды) не только изменением габитуса, но и появлением ряда других признаков, анализ которых может даь информацию об истории их развития – онтогении. Признаки, указывающие на историю развития кристалла, называются типоморфными признаками. Неравномерное распределение примесей по пирамидам роста приводит к секториальному строению. Зональное строение – результат периодических смен условий роста.
Кристаллы по-разному реагируют на присутствие примесей в кристаллобразующей среде – примесь, по законам термодинамики, смещает точку равновесия между кристаллом и средой. Наиболее сильным оказывается влияние на процессы кристаллизации на поверхности кристалла – излом, адсорбировавший примесь, лишается возможности присоединять новые частицы, слагающие кристалл – замедляется скорость роста грани. Скапливаясь у определенных гранией и этим уменьшая скорость их роста, примеси изменяют соотношение скоростей роста у разных граней, и, как следствие, саму форму кристалла.
На изменение внешних условий кристаллы реагируют не только изменением своей внешней формы, но и появлением на гранях различных образований в виде слоев, штриховки, фигур растворения (травления) и т.д. Такая скульптура может отражать симметрию грани, на которой она возникла, и являться чутким индикатором условий кристаллизации. Наиболее распространенная морфологическая особенность кристаллов – штриховка на гранях. Иногда на поверхности граней образуются пологие холмики роста, появление которых объясняется наличием механических примесей, выходом винтовых дислокаций и другими факторами. Реальную симметрию кристаллов можно выявить не только по фигурам роста, но и по фигурам растворения, образующимся под действием природных растворов.
Анизотропия скоростей роста граней кристалла приводит к образованию выпуклых многогранников, тогда как анизоторпия скоростей растворения – к образованию отрицательных форм – многогранных углублений – фигур растворения.
При малых пересыщениях и переохлаждениях на фронте роста возникают совершенные – гранные – формы кристаллов. С увеличением отклонения от равновесия кристаллы меняют свой облик, превращаясь в скелеты, дендриты, нитевидные образования или кристаллы сферической формы.
Скелетные кристаллы развиваются в условиях быстрого роста и высокой степени пересыщения. Главной причиной образования таких форм является то, что к выступающим частям кристалла – вершинам и ребрам – подток питающего вещества более интенсивен, чем к граням, которые в результате отстают в росте.
Одна из распространенных форм – нитевидные образования – монокристаллы, сечение которых в сотни раз меньше их длины. Особенность – высокая прочность, во много раз превышающая прочность обычных кристаллов тех же веществ, и химическая стойкость. Причина этого – низкая дефектность.
Своебразные формы минеральных выделений – радиально-лучистые агрегаты. Образование одной из них – сферокристаллов – связывают, как правило, с расщеплением монокристаллов в процессе роста, других – сферолитов, состоящих из многочисленных волокон – кристаллитов – также с ростом, но уже отдельных монокристальных волокон, выходящих радиально из одного центра кристаллизации, каждое из которых – ограненный самостоятельный индивид.
6. Искаженные формы кристаллов. Закономерные сростки кристаллов: двойники, топо-, син- и эпитаксические сростки.
Искаженные формы кристаллов еще называют скелетными или пустотелыми. Они являются как бы каркасом кристалла, выросшего параллельно ребрам, граням, или по направлениям вершин правильного многогранника. При резкой разнице скоростей роста по различным направлениям реальный кристалл заполняет не все тело воображаемого многогранника, а только часть его. В условиях ускоренного роста, в частности в вязкой среде или из поверхностных плёнок, поступающее вещество успевает наращивать только выступающие части кристалла (вершины и рёбра), массоперенос к которым может осуществляться с максимальной скоростью. При их опережающем росте происходит также отгон поверхностных примесей от вершин и рёбер на грани, что тормозит рост последних. Если сильное пересыщение, повышение вязкости среды, накопление примесей по фронту кристаллизации, приводят к тому, что часть форм роста на кристаллах начинают развиваться как отрицательные, - то там, где должны быть пирамиды роста, образуются пирамидальные полости. Зарождение на вершинах и рёбрах новых слоёв роста опережает их разрастание по граням, отчего возникают незаросшие промежутки в теле кристалла в виде параллельных рёбрам пустот - щелей, каналов, желобков. Так возникают формы кристаллов, которые относят к скелетным. Это энергетически неустойчивые, стабильные только в момент их роста индивиды с высокой поверхностной энергией. При смене условий внешней среды на более стабильные (спокойные) они способны дорастать до полногранных кристаллов или перекристаллизовываться в последние.
Двойники - закономерные сростки двух или более кристаллов, имеющих непараллельную закономерную ориентировку.
Двойники, в отличие от параллельных сростков, представляют собой результат нарушения правильности упаковки частиц в структуре минерала. Это нарушение выражается в симметричном отражении или повороте одной части кристалла по отношению к другой. Из этого следует, что индивиды двойника можно вывести друг из друга операциями симметрии. Единственное фундаментальное ограничение здесь заключается в том, что двойниковый сросток должен иметь собственные элементы симметрии, отличающиеся от элементов симметрии кристаллов, по крайней мере по своей ориентировке. 
Ориентировка двойниковых элементов симметрии по отношению к граням, ребрам или элементам симметрии кристаллов определяет закон двойникования. Плоскость, по которой контактируют индивиды двойника, называют плоскостью срастания, а ее проекция на поверхность двойника – двойниковым швом. Важно отметить, что как и в параллельных сростках, плоскость срастания индивидов не является фазовой границей. Вдоль этой плоскости происходит симметричный разворот или отображение структуры кристалла, но не происходит разрыва химических связей. Плоскость двойникования, как и грань кристалла, соответствует какой-либо плоской сетке кристаллической решетки.
Выделяют двойники роста, деформационные и трансформационные двойники.