При разглеждане на кристали и скъпоценни камъни човек иска да разбере как е могла да се появи тази мистериозна красота, как се създават такива удивителни произведения на природата. Има желание да научите повече за техните свойства. В крайна сметка, специалната, никъде в природата повтаряща се структура на кристалите позволява те да се използват навсякъде: от бижута до най-новите научни и технически изобретения.
Изследване на кристални минерали
Структурата и свойствата на кристалите са толкова многостранни, че отделна наука, минералогията, се занимава с изучаването и изучаването на тези явления. Известният руски академик Александър Евгениевич Ферсман беше толкова погълнат и изненадан от разнообразието и безкрайността на света на кристалите, че се опита да завладее колкото се може повече умове с тази тема. В книгата си Entertaining Mineralogy той ентусиазирано и горещо призова да се запознае с тайните на минералите и да се потопи в света на скъпоценните камъни:
Наистина те искампленявам. Искам да започнете да се интересувате от планини и кариери, мини и мини, така че да започнете да събирате колекции от минерали, така че да искате да отидете с нас от по-далечния град, до течението на реката, където има са високи скалисти брегове, до върховете на планините или до скалистия морски бряг, където се чупят камък, се добива пясък или се взривява руда. Там, навсякъде аз и вие ще намерим какво да правим: и в мъртвите скали, пясъци и камъни ще се научим да четем някои велики природни закони, които управляват целия свят и според които е изграден целият свят.
Физика изучава кристалите, като твърди, че всяко наистина твърдо тяло е кристал. Химията изследва молекулярната структура на кристалите, стигайки до заключението, че всеки метал има кристална структура.
Изследването на невероятните свойства на кристалите е от голямо значение за развитието на съвременната наука, технологии, строителната индустрия и много други индустрии.
Основни закони на кристалите
Първото нещо, което хората забелязват, когато гледат кристал, е неговата идеална многостранна форма, но това не е основната характеристика на минерал или метал.
Когато един кристал се счупи на малки фрагменти, нищо няма да остане от идеалната форма, но всеки фрагмент, както преди, ще остане кристал. Отличителна черта на кристала не е неговият външен вид, а характерните особености на вътрешната му структура.
Симетрично
Първото нещо, което трябва да запомните и да отбележите, когато изучавате кристали, е феноменътсиметрия. Той е широко разпространен в ежедневието. Крилата на пеперудата са симетрични, отпечатък на петно върху лист хартия, сгънат наполовина. Симетрични снежни кристали. Шестоъгълната снежинка има шест равнини на симетрия. Чрез огъване на картината по която и да е линия, изобразяваща равнината на симетрия на снежинката, можете да комбинирате двете й половини една с друга.
Оста на симетрия има такова свойство, че чрез завъртане на фигура под известен ъгъл около нея е възможно да се комбинират подходящи части от фигурата една с друга. В зависимост от размера на подходящ ъгъл, на който фигурата трябва да се завърти, в кристалите се определят оси от 2-ри, 3-ти, 4-ти и 6-ти ред. Така в снежинките има една ос на симетрия от шести порядък, която е перпендикулярна на равнината на чертежа.
Центърът на симетрията е такава точка в равнината на фигурата, на същото разстояние от която в обратната посока са същите структурни елементи на фигурата.
Какво има вътре?
Вътрешната структура на кристалите е вид комбинация от молекули и атоми в ред, присъщ само на кристалите. Как познават вътрешната структура на частиците, ако не се виждат дори с микроскоп?
рентгенови лъчи се използват за това. Използвайки ги за полупрозрачни кристали, немският физик М. Лауе, английските физици баща и син Браг и руският професор Ю. Волф установяват законите, според които се изучава структурата и структурата на кристалите.
Всичко беше изненадващо и неочаквано. Самоконцепцията за структурата на молекулата се оказа неприложима към кристалното състояние на материята.
Например, такова добре познато вещество като готварската сол има химическия състав на молекулата на NaCl. Но в кристал отделните атоми на хлор и натрий не се събират в отделни молекули, а образуват определена конфигурация, наречена пространствена или кристална решетка. Най-малките частици хлор и натрий са електрически свързани. Кристалната решетка на солта се образува по следния начин. Един от валентните електрони на външната обвивка на натриевия атом се въвежда във външната обвивка на хлорния атом, която не е напълно запълнена поради отсъствието на осмия електрон в третата обвивка на хлора. Така в кристала всеки йон на натрия и хлора не принадлежи на една молекула, а на целия кристал. Поради факта, че хлорният атом е едновалентен, той може да прикрепи само един електрон към себе си. Но структурните особености на кристалите водят до факта, че хлорният атом е заобиколен от шест натриеви атома и е невъзможно да се определи кой от тях ще споделя електрон с хлора.
Оказва се, че химическата молекула на готварската сол и нейният кристал изобщо не са едно и също нещо. Целият монокристал е като една гигантска молекула.
Решетка - само модел
Грешката трябва да се избягва, когато пространствената решетка се приема като реален модел на кристалната структура. Решетка - вид условно изображение на пример за свързване на елементарни частици в структурата на кристалите. Точки за свързване на мрежата под формата на топкивизуално ви позволяват да изобразите атоми, а линиите, които ги свързват, са приблизително изображение на силите на свързване между тях.
В действителност пролуките между атомите вътре в кристала са много по-малки. Това е плътна опаковка от съставните му частици. Топката е конвенционално обозначение на атом, чието използване дава възможност за успешно отразяване на свойствата на плътното опаковане. В действителност не става дума за прост контакт на атомите, а за тяхното взаимно частично припокриване един с друг. С други думи, изображението на топка в структурата на кристалната решетка е, за по-голяма яснота, изобразената сфера с такъв радиус, която съдържа основната част от електроните на атома.
Залог за сила
Има електрическа сила на привличане между два противоположно заредени йона. Той е свързващо вещество в структурата на йонни кристали като готварска сол. Но ако приближите йоните много близо, тогава техните електронни орбити ще се припокриват и ще се появят отблъскващи сили на подобни заредени частици. Вътре в кристала разпределението на йоните е такова, че силите на отблъскване и привличане са в баланс, осигурявайки кристална сила. Тази структура е типична за йонните кристали.
А в кристалните решетки на диаманта и графита има връзка на атоми с помощта на общи (колективни) електрони. Близко разположените атоми имат общи електрони, които се въртят около ядрото на единия и съседните атоми.
Подробно изследване на теорията на силите с такива връзки е доста трудно и се намира в областта на квантовата механика.
Метални разлики
Структурата на металните кристали е по-сложна. Поради факта, че металните атоми лесно даряват наличните външни електрони, те могат свободно да се движат в целия обем на кристала, образувайки така наречения електронен газ вътре в него. Благодарение на такива "блуждащи" електрони се създават сили, които осигуряват здравината на металния слитък. Изследването на структурата на истинските метални кристали показва, че в зависимост от метода на охлаждане на метален слитък той може да съдържа несъвършенства: повърхностни, точкови и линейни. Размерът на такива дефекти не надвишава диаметъра на няколко атома, но те изкривяват кристалната решетка и влияят на дифузионните процеси в металите.
Crystal Growth
За по-удобно разбиране растежът на кристално вещество може да бъде представен като издигане на тухлена структура. Ако една тухла от незавършена зидария е представена като неразделна част от кристал, тогава е възможно да се определи къде ще расте кристалът. Енергийните свойства на кристала са такива, че тухлата, поставена върху първата тухла, ще изпита привличане от едната страна - отдолу. При полагане на втората - от две страни, а от третата - от три. В процеса на кристализация - преминаването от течно в твърдо състояние - се отделя енергия (топлина на синтез). За най-голяма здравина на системата, нейната възможна енергия трябва да се стреми към минимум. Следователно растежът на кристалите се случва слой по слой. Първо ще бъде завършен ред от самолета, след това цялата равнина и едва след това ще започне да се строи следващият.
Наука закристали
Основният закон на кристалографията - науката за кристалите - казва, че всички ъгли между различните равнини на кристалните лица са винаги постоянни и едни и същи. Без значение колко изкривен е растящият кристал, ъглите между неговите лица запазват същата стойност, присъща на този тип. Независимо от размера, формата и броя, лицата на една и съща кристална равнина винаги се пресичат под същия предварително определен ъгъл. Законът за постоянство на ъглите е открит от M. V. Ломоносов през 1669 г. и изиграва основна роля в изследването на структурата на кристалите.
Анизотропия
Особеността на процеса на образуване на кристали се дължи на явлението анизотропия - различни физически характеристики в зависимост от посоката на растеж. Единичните кристали провеждат електричество, топлина и светлина по различен начин в различни посоки и имат неравна сила.
По този начин един и същ химичен елемент с едни и същи атоми може да образува различни кристални решетки. Например въглеродът може да кристализира в диамант и в графит. В същото време диамантът е пример за максимална здравина сред минералите, а графитът лесно напуска своите люспи, когато пише с молив върху хартия.
Измерването на ъглите между лицата на минералите е от голямо практическо значение за определяне на тяхната природа.
Основни функции
Научихме структурните особености на кристалите, можем накратко да опишем основните им свойства:
- Анизотропия - неравномерни свойства в различни посоки.
- Еднородност - елементарносъставките на кристалите, разположени на еднакво разстояние, имат едни и същи свойства.
- Възможност за самонарязване - всеки фрагмент от кристал в среда, подходяща за растежа му, ще придобие многостранна форма и ще бъде покрита с лица, съответстващи на този тип кристали. Именно това свойство позволява на кристала да поддържа своята симетрия.
- Неизменността на точката на топене. Разрушаването на пространствената решетка на минерала, тоест преминаването на кристално вещество от твърдо в течно състояние, винаги се случва при една и съща температура.
Кристалите са твърди тела, които са взели естествената форма на симетричен полиедър. Структурата на кристалите, характеризираща се с образуването на пространствена решетка, послужи като основа за развитието във физиката на теорията за електронната структура на твърдото тяло. Изучаването на свойствата и структурата на минералите е от голямо практическо значение.
