Základní pojmy

Hmota a látka, plynné, kapalné a pevné látky

Hmota ve vesmíru se vyskytuje ve dvou základních formách: jako záření (pole) a jako látka. Látka (hmota složená z atomů) se v podmínkách blízkých životnímu prostředí člověka vyskytuje ve třech skupenských stavech – plynném, kapalném a pevném. Skupenský stav každé látky je přitom závislý na podmínkách prostředí, především na teplotě a tlaku. Teoreticky se tedy každá látka bez ohledu na chemické složení může vyskytovat v každém z těchto skupenství (viz příklad na obr. 1.1). Plynné skupenství je charakterizováno relativně malým množstvím částic na jednotku prostoru, malým počtem srážek mezi nimi a tedy jejich dlouhou střední drahou (obr. 1.2). Pro kapaliny je typický větší počet částic v jednotce prostoru, větší počet jejich srážek a střední volné dráhy. Pevné látky se ve srovnání s plynnými a kapalnými látkami vyznačují nejtěsnějším směstnáním stavebních částic. Pohyby těchto částic jsou omezeny na relativně malý prostor v okolí jistých bodů (rovnovážných poloh), protože energie vzájemné vazby mezi částicemi převažuje nad energií jejich tepelného pohybu. V pevných látkách je vzdálenost mezi sousedními atomy řádově 10^–10 m, jeden krychlový centimetr libovolné pevné látky tedy obsahuje obrovské množství 10²² až 10²³ atomů.

Látky krystalické a amorfní, krystaly

Pevné látky jsou charakterizovány omezeným pohybem základních stavebních částic (atomů, iontů, molekul) kolem rovnovážných poloh (obr. 1.3). Podle uspořádání těchto poloh v prostoru můžeme pevné látky rozdělit do dvou skupin: na látky krystalické a látky amorfní (beztvaré). Rovnovážné polohy stavebních částic krystalických látek jsou v prostoru rozmístěny pravidelně, v pravidelné prostorové síti či mříži (obr. 1.4). Takovému tělesu, tedy pevnému tělesu s trojrozměrně periodickým uspořádáním základních stavebních částic (atomů, iontů, molekul), říkáme krystal. Konkrétní způsob rozmístění základních stavebních částic v krystalu se nazývá krystalová struktura. Naproti tomu prostorové rozložení stavebních částic amorfních látek je neperiodické, nepravidelné. Z tohoto hlediska se pevné amorfní látky podobají kapalinám. Mezi amorfní látky patří např. skla.

Zde je třeba zdůraznit skutečnost, že krystal je definován na základě periodicity struktury, ne na základě vnějšího omezení. Krystaly tedy nejsou jen ona dokonalá, hladkými plochami omezená tělesa známá z muzeí, ale i jejich úlomky, valounky, nepravidelně omezená zrna atd. Rovné plochy jsou vyvinuty pouze na krystalech, které nebyly při růstu omezovány okolním prostředím. Naopak kdybychom vybrousili dokonalý krystalový tvar z amorfní látky (např. ze skla), nebyl by výsledkem krystal, protože by nebyla splněna podmínka trojrozměrně periodické vnitřní stavby (obr. 1.5).

Struktura krystalu a krystalová mřížka

Strukturou krystalu rozumíme způsob rozmístění základních stavebních částic (atomů, iontů či molekul) v prostoru. Geometrickým vyjádřením periodicity struktury krystalu je krystalová mřížka. Je to v podstatě prostorové (trojrozměrné) “lešení”, jehož každá buňka obsahuje stejnou skupinu stavebních částic. V krystalu se tyto buňky periodicky opakují ve všech směrech ve vzájemně rovnoběžné poloze a lze je vzájemně převádět pouhou translací (posunutím).

Představme si, že na stole leží ubrus s vyobrazeným vzorem (obr. 1.6). Celý vzor lze rozstříhat na několik zcela obdobných částí. Je zřejmé, že máme-li i jen jednu tuto část, můžeme zpětně zrekonstruovat celý vzor ubrusu prostě tak, že ústřižek opakovaně posuneme o určitou vzdálenost určitým směrem tak, aby se nezměnila orientace ústřižku. Zcela obdobně postupujeme při popisování struktur krystalických látek. Tyto struktury jsou ovšem trojrozměrné, tím se však na věci nic nemění – trojrozměrnou strukturu lze “rozstříhat” na množství totožných trojrozměrných hranolů (buněk), pravidelně se opakujících v rovnoběžné poloze ve třech rozměrech. Dokážeme-li určit druh a rozmístění stavebních částic uvnitř jedné buňky, známe strukturu celého krystalu (obr. 1.7). Vedle obrovského množství rozmanitých krystalových struktur existuje pouze omezený počet typů krystalových mřížek. O krystalových mřížkách bude podrobněji pojednáno v kapitole 3.1.1.

Ideální, dokonalý a reálný krystal

Pro popis krystalů je výhodné zavést pojmy ideální a dokonalý krystal. Ideální krystal je nekonečný a jeho struktura je zcela pravidelná, bez poruch. I když žádný ideální krystal v reálném světě neexistuje a zjevně existovat nemůže, je představa ideálního krystalu užitečná pro popis zákonitostí struktury krystalů a pro vysvětlení jejich fyzikálních vlastností. Krystal konečných rozměrů se zcela dokonalou strukturou je někdy označován jako dokonalý krystal. Podobně jako ideální krystal je i dokonalý krystal pouze myšlenkovou konstrukcí, ve skutečnosti neexistuje. Dokonalému krystalu se nejvíce blíží krystaly vypěstované v beztížném stavu. Na obrázku 1.8 je schematicky znázorněn rozdíl mezi dokonalým a reálným krystalem. Reálný krystal je konečný a vykazuje více či méně četné odchylky od ideální struktury. K reálným krystalům náleží všechny skutečně existující krystaly. O morfologii a struktuře reálných krystalů bude pojednáno na příslušných místech (kapitoly 2.6 a 3.4).

Minerály a horniny

Mineralogie je věda zabývající se všestranným studiem minerálů (nerostů). V obecné rovině je za minerál pokládán prvek nebo chemická sloučenina, která je za normálních podmínek krystalická a která vznikla jako produkt geologických procesů. Tato definice zahrnuje naprostou většinu látek, které jsou všeobecně za minerály považovány. Existují ovšem některé výjimky, které tuto formulaci porušují, přesto jsou ale za minerály tradičně pokládány. Za minerály považujeme mimo jiné i:

– rtuť (která je za normálních podmínek kapalná),
– některé amorfní látky (např. opál),
– látky obdobné pozemským minerálům, ale pocházející z jiných kosmických těles (Měsíc, Mars, meteority),
– biogenní materiály, pokud se na jejich formování podílely geologické procesy (např. minerály guana).

Naopak za minerály nepovažujeme:

– vodu v kapalném stavu (led je obvykle řazen mezi minerály), atmosférické plyny atd.,
– ropu a nekrystalické bitumenní látky (např. uhlí),
– antropogenní (člověkem vytvořené) materiály,
– geologickými procesy modifikované antropogenní materiály,
– látky vzniklé zásahem člověka do přírody (např. produkty hoření uhelných hald),
– biogenní materiály, pokud nejsou modifikovány geologickými procesy (žlučové kameny, schránky měkkýšů apod.),
– směsi minerálů (horniny).

Horniny jsou obvykle mechanické směsi různých minerálů (např. žuly se skládají z křemene, živců a slíd a dalších minerálů). Výjimkou jsou monominerální horniny, jež jsou tvořeny jen jedním minerálem (např. mramor se skládá pouze ze zrn kalcitu).

Minerální druh

Z předešlé kapitoly víme, které látky můžeme považovat za minerály. Aby bylo možno orientovat se ve velkém množství minerálů, je třeba definovat minerální druh (specii), který se nějak liší od ostatních druhů. Aniž bychom se zde zabývali detaily, můžeme říci, že minerální druh je vymezen:

a) specifickým chemickým složením nebo:
b) specifickým uspořádáním stavebních částic (specifickou strukturou) nebo:
c) specifickým složením i strukturou (současně).

Minerály, které mají obdobnou strukturu, avšak odlišné chemické složení, označujeme jako izotypní (např. rutil – kasiterit). Má-li dva nebo více minerálů totožné chemické složení, ale různou strukturu, hovoříme o polymorfních modifikacích (např. rutil – brookit – anatas).

V současné době je známo a v mineralogické literatuře popsáno bezmála 4000 různých minerálních druhů, přičemž každoročně je objeveno několik desítek (cca 30 – 50) nových, dosud neznámých. Z tohoto počtu se ovšem jen asi 300 minerálů vyskytuje častěji, ostatní jsou vzácné nebo velmi vzácné. Skutečně běžně se v přírodě vyskytuje jen několik málo desítek minerálů.

Mineralogie a krystalografie

Jaký je vztah mezi pojmy krystalografie a mineralogie? Krystal vzniklý geologickými procesy je minerál. Většina minerálů jsou krystaly (existují však i minerály amorfní). Naopak člověk dnes umí vypěstovat krystaly uměle, a to jak krystaly analogické minerálům, tak krystaly, které v přírodě nalezeny nebyly. Mineralogie a krystalografie se tedy částečně, ne však zcela překrývají. Oba obory se dále dělí na následující disciplíny:

Mineralogie:

mineralogie všeobecná (mineralogická krystalografie) – viz níže Krystalografie,
mineralogie speciální (systematická) studuje jednotlivé minerální druhy,
mineralogie genetická studuje vznik a výskyt minerálů v přírodě,
mineralogie užitá (technická) využívá mineralogických poznatků v průmyslu, při vyhledávání, těžbě a úpravě nerostných surovin. Obor zabývají se drahými kameny se nazývá gemologie.

Krystalografie:

krystalografie morfologická studuje zákonitosti vnějšího tvaru krystalů,
krystalografie strukturní se zabývá vnitřní stavbou krystalů,
krystalografie fyzikální (krystalofyzika, krystalová fyzika) studuje fyzikální vlastnosti krystalů, tedy vzájemný účinek mezi krystaly a různými druhy energie. Např. optické vlastnosti krystalů (krystalooptika, krystalová optika), mechanické, elektromagnetické vlastnosti atd.,
krystalografie chemická (krystalochemie, krystalová chemie) sleduje zákonitosti chemického složení krystalů, fyzikálně-chemické podmínky jejich vzniku, vztahy mezi složením a vnitřní stavbou krystalů,
krystalografie užitá využívá fyzikální vlastnosti krystalů pro technické účely. Zabývá se rovněž pěstováním syntetických krystalů pro technické využití.

další »»