การศึกษาผลึกและโครงสร้างแร่

การศึกษาผลึกและโครงสร้างแร่เป็นการศึกษาการจัดเรียงตัวที่เป็นระเบียบภายในของอะตอมในแร่ ความสมมาตรของผลึก และวิธีที่พันธะอะตอมควบคุมรูปร่างและคุณสมบัติของแร่

Definition

สาขาหนึ่งของแร่วิทยาที่เกี่ยวข้องกับการจัดเรียงตัวของอะตอมในแร่แบบสามมิติเป็นคาบ ความสมมาตรที่การจัดเรียงตัวนั้นกำหนดขึ้น และเครื่องมือเชิงทดลองและทฤษฎีที่ใช้ในการกำหนดและให้เหตุผล

Scope

สาขาวิชานี้ครอบคลุมหลักการทางเรขาคณิตและเคมีที่อธิบายสสารผลึก: เรขาคณิตของแลตทิซ, ความสมมาตรของจุดและกลุ่มช่องว่าง, สถาปัตยกรรมที่เป็นระบบของโครงสร้างซิลิเกตและไม่ใช่ซิลิเกต, และวิธีการเลี้ยวเบนที่ใช้ในการระบุตำแหน่งของอะตอม. เป็นการเชื่อมโยงระหว่างการศึกษาผลึกเชิงเรขาคณิต (ความสมมาตรภายนอกและสัณฐานวิทยา) กับเคมีของผลึก (บทบาทของขนาดไอออน, ประจุ, การประสานงาน, และพันธะ) เพื่ออธิบายว่าทำไมแร่จึงมีโครงสร้างเช่นนั้น

Sub-topics

• Crystal Chemistry of Minerals
• Mineral Crystallography and Symmetry
• Silicate Mineral Structures and Classification
• X-ray Diffraction in Mineralogy

Core questions

• การจัดเรียงตัวของอะตอมระยะยาวของแร่ถูกอธิบายโดยแลตทิซ เซลล์หน่วย และการดำเนินการสมมาตรได้อย่างไร?
• แร่ที่กำหนดจัดอยู่ในกลุ่มผลึก 32 ชนิดและกลุ่มช่องว่าง 230 ชนิดใด และกำหนดได้อย่างไร?
• รัศมีไอออน เลขโคออร์ดิเนชัน และลักษณะพันธะควบคุมชนิดโครงสร้างที่องค์ประกอบหนึ่งจะรับได้อย่างไร?
• การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์เผยให้เห็นขนาดเซลล์หน่วยและตำแหน่งอะตอมได้อย่างไร?
• ทำไมซิลิเกตจึงถูกจำแนกตามการเกิดพอลิเมอร์ของเตตระฮีดรา SiO4?

Key theories

ทฤษฎีแลตทิซและกลุ่มช่องว่าง

ของแข็งผลึกถูกอธิบายโดยหนึ่งใน 14 แลตทิซบราเวส์รวมกับความสมมาตรของจุด ทำให้เกิดกลุ่มผลึก 32 ชนิดและกลุ่มช่องว่าง 230 ชนิด ซึ่งครอบคลุมการจัดเรียงตัวของอะตอมที่มีสมมาตรเป็นคาบที่เป็นไปได้ทั้งหมด

กฎของ Pauling ในเคมีของผลึก

กฎเชิงประจักษ์ที่เชื่อมโยงอัตราส่วนรัศมีแคตไอออน-แอนไอออนกับโพลีฮีดราการประสานงาน ทำนายว่าโพลีฮีดรามีการใช้มุม ขอบ และหน้าอย่างไร และจำกัดสมดุลประจุไฟฟ้าสถิต ซึ่งอธิบายความเสถียรของโครงสร้างแร่ไอออนิก

กฎของ Bragg และการวิเคราะห์การเลี้ยวเบน

การแทรกสอดแบบเสริมกันของรังสีเอกซ์ที่กระจัดกระจายโดยระนาบแลตทิซเกิดขึ้นเมื่อ nlambda = 2d sin(theta) ทำให้การเลี้ยวเบนเป็นรากฐานสำหรับการกำหนดพารามิเตอร์เซลล์หน่วยและโครงสร้างอะตอมทั้งหมดของแร่

Clinical relevance

ความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างแร่เป็นพื้นฐานสำหรับการระบุโดยการเลี้ยวเบน การตีความคุณสมบัติทางกายภาพ (การแตกตัว, ความแข็ง, พฤติกรรมทางแสง) การออกแบบสารสังเคราะห์ที่คล้ายกัน เช่น ซีโอไลต์ และความเข้าใจว่าธาตุและไอโซโทปปริมาณน้อยถูกจัดเก็บในตำแหน่งผลึกได้อย่างไร

History

การศึกษาผลึกสมัยใหม่พัฒนามาจากกฎของดัชนีเชิงตรรกะของ Haüy ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 ผ่านการอนุพันธ์ของ 230 กลุ่มช่องว่างโดย Fedorov, Schoenflies และ Barlow ในทศวรรษ 1890 ไปจนถึงการกำหนดโครงสร้างแร่แรกโดย W. H. และ W. L. Bragg หลังปี 1912 โดยใช้การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ กฎของ Pauling ในปี 1929 ได้จัดระบบเคมีของโครงสร้างเหล่านี้

Key figures

• William Lawrence Bragg
• Linus Pauling
• René Just Haüy
• Auguste Bravais

Seminal works

• klein2007
• hahn2002
• bragg1937

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างการศึกษาผลึกและแร่วิทยาคืออะไร?

การศึกษาผลึกคือการศึกษาลำดับผลึกและความสมมาตรในของแข็งใดๆ; แร่วิทยาประยุกต์ใช้กับแร่ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติโดยเฉพาะ โดยรวมโครงสร้างเข้ากับเคมี การเกิด และคุณสมบัติ

ทำไมจึงมีกลุ่มช่องว่าง 230 กลุ่มพอดี?

เป็นการนับทางคณิตศาสตร์ที่สมบูรณ์ของวิธีการที่แตกต่างกันทั้งหมดที่การดำเนินการสมมาตรเป็นคาบ (การเลื่อน, การหมุน, การสะท้อน, แกนเกลียว, ระนาบเลื่อน) สามารถรวมกันได้ในสามมิติ