Ch− ơng II:
2.5.3.trật tự trong tinh thể khoáng vật:
Trong quá trình kết tinh, các nguyên tố (ion) th−ờng có xu h−ớng tìm những vị trí cấu trúc mμ tại đó sự có mặt của chúng tạo nên sự giảm lớn nhất năng l−ợng tự do. Những nơi đó chắc chắn lμ những vị trí có ph−ơng cách bố trí vμ không gian có quy luật. Mặt khác cả việc chuyển động nhiệt vμ lớn nhanh của tinh thể đã thúc đẩy việc chiếm vị trí một cách ngẫu nhiên tại tất cả các nơi có thể dẫn đến ph−ơng cách không có quy luật. Lấy một ví dụ minh họa sự t−ơng tác của các yếu tố đó: giả sử có một số chỗ nμo đó đang sẵn sμng trên bề mặt của tinh thể vμ có một số ít hơn các ion sẽ chiếm các vị trí đó. Khi phản ứng kết thúc, các vị trí có các ion chiếm giữ vμ vị trí trống sẽ theo ph−ơng cách có quy luật nếu sự lựa chọn hoμn toμn tùy thuộc vμo việc các ion tìm cách giảm tối thiểu năng l−ợng tự do, hoặc lμ sẽ có một số sắp xếp ngẫu nhiên nếu chuyển động hỗn loạn nhiệt khống chế hay khi trận m−a các ion lao tới bề mặt tinh thể diễn ra nhanh chóng. Trong các khoáng vật ph−ơng cách có quy luật đ−ợc hiểu nh− lμ một cách sắp xếp có thứ tự hay lμ trật tự. Đó lμ cách sắp xếp đ−ợc h−ớng tới vì chúng cung cấp năng l−ợng tự do thấp nhất cho cấu trúc. Sự sắp xếp ngẫu nhiên hay không có quy luật đ−ợc hiểu lμ không (vô) trật tự. Một sắp xếp hoμn toμn ngẫu nhiên lμ một trong những vô trật tự hoμn toμn. Tất cả các mức độ trung gian giữa trật tự vμ vô trật tự đều có thể xảy ra. Vô trật tự có thể xảy ra trong bất cứ tổ phần cấu trúc nμo: giữa ion với ion, giữa ion vμ những chỗ trống hay giữa các nhóm cấu trúc (hình 2.23).
_______________________________________________________________ 63
a b c
Hình 2.23: Mô hình biểu diễn trật tự (a) vμ không trật tự (b) vμ tái sắp xếp lại theo kiểu song tinh (c)
Khả năng có hoặc vô trật tự không dừng lại khi tinh thể đ−ợc hình thμnh vì có thể có sự biến đổi t−ơng hỗ ngay trong các thể cứng. Các cấu trúc kết tinh th−ờng có các khung của các anion có kích th−ớc t−ơng đối lớn vμ các cation với kích th−ớc nhỏ hơn phân bố ở bên trong. Các kênh nối giữa các vị trí lỗ hổng tạo nên bởi các nhóm các anion nμy với các lỗ hổng tạo nên bởi các nhóm anion khác th−ờng quá hẹp để có thể cho phép các cation đi qua đ−ợc, nh−ng khi xem xét khía cạnh chuyển động nhiệt lại cho kết quả khác. Thể tích giả định của các anion bị dao động nhiệt của các anion quanh vị trí cấu trúc của chúng lμm thay đổi vμ th−ờng lớn hơn thể tích thực của các ion. Thể tích đó th−ờng có dạng elipxoit vμ sẽ tăng lên theo nhiệt độ. Chỉ ở nhiệt độ không tuyệt đối thì thể tích tĩnh vμ thể tích cấu trúc hay thể tích chồng khít mới giống nhau (xem hình 2.24). Có lẽ các ion quá khổ đó sẽ đi qua các rμo cản của các anion bằng việc di chuyển tại những thời điểm thích hợp. Do chuyển động nhiệt các ion có thể di động xuyên qua cấu trúc đó vμ sẽ diễn ra khi năng l−ợng nhiệt tăng lên đủ để phá vỡ liên kết vμ lμm tăng thể tích chồng khít.
Khi một ion thay đổi vị trí nó có thể đi đến một vị trí đã bị chiếm giữ hoặc t−ơng tác với ion khác, th−ờng lμ thông qua một chuỗi các chuyển động. Tại bất kỹ mức độ nμo, sắp xếp trật tự nguyên thủy cũng bị phá hủy dần dần cho đến khi việc chiếm giữ vị trí đó lμ ngẫu nhiên hoμn toμn. Việc thay đổi từ trật tự hoμn toμn sang vô trật tự hoμn toμn đ−ợc bắt đầu từ việc tăng nhiệt độ đến nhiệt độ tới hạn (ng−ỡng) (critical temperature) mμ trên nhiệt độ nμy không tồn tại các quy luật về vị trí.
Đặc điểm của quá trình vô trật tự lμ việc giảm tính đặc thù của tinh thể. Ví dụ khi xem xét các thông số của các khoáng vật có cấu trúc vô trật tự khi so sánh với các khoáng vật trật tự ở bảng 2. vμ hình 2.2. Độ vô trật tự có thể l−u lại trong cấu trúc nh− một vô trật tự ngẫu nhiên nếu nh− tinh thể bị nguội lạnh nhanh hay bị đông cứng lại. Nguội lạnh từ từ cho phép khôi phục lại độ trật tự, mặc dù chủ yếu mang tính cục bộ hơn lμ trong toμn bộ tinh thể (xem hình 2.24).
Hình 2.24: Các vị trí trong trật tự-vô trật tự: a- phân bố có trật tự của Cu vμ Fe trong chancopyrit. b- phân bố ngẫu nhiên (vô trật tự) của Cu vμ Fe trong chancopyrit.
Hiện t−ợng trật tự-vô trật tự rất phổ biến trong khoáng vật. Khái niệm nμy có thể đ−ợc dùng để đ−a ra nhiều mô hình của các quan hệ khoáng vật học, chẳng hạn quá trình kết tinh hóa (trật tự hóa các dung dịch), song tính vμ đa hình. Vμ trong những tr−ờng hợp nhất định, lμ sự đảm bảo đủ hiệu quả của việc tạo nên đặc tr−ng của các biến thể của khoáng vật. Một ví dụ lμ các biến thể đa hình của nhóm fenspat kiềm. Nhóm fenspat kali có ba biến thể (Sanidin, octocla, microclin) có cùng một công thức K[AlSi3O8] khác nhau một cách cơ bản vì lμ những kiểu kết hợp trật tự –vô trật tự khác nhau giữa nhôm vμ silic. Trong bốn vị trí có thể có cho nhóm AlSi3. Việc chiếm giữ các vị trí nμy của nhóm AlSi3 lμ có trật tự hoμn toμn trong microclin vμ vô trật tự hoμn toμn trong sadinin. Trong octocla: hai vị trí do Si có trật tự chiếm giữa, hai vị trí do cặp Al-Si vô trật tự chiếm giữ.
2.5.4. Song tinh.
2.5.4.1. Khái niệm
Song tinh lμ hiện t−ợng cùng phát triển một cách đồng bộ vμ có tính đối xứng của hai hay nhiều đơn tinh thể của cùng một loại khoáng vật. Đồng bộ có nghĩa lμ hai phần của song tinh có cùng chung một điểm, một đ−ờng hay một mặt. Có tính đối xứng có nghĩa lμ các tinh thể song tinh có quan hệ về ph−ơng diện đối xứng tinh thể chẳng hạn nh− tính chất phản xạ, biến dạng hoặc xoay góc.