Patrząc na kryształy i klejnoty, chce się zrozumieć, jak mogło pojawić się to tajemnicze piękno, jak powstają tak niesamowite dzieła natury. Istnieje chęć poznania ich właściwości. W końcu wyjątkowa, nigdzie w naturze powtarzalna struktura kryształów pozwala na ich zastosowanie wszędzie: od biżuterii po najnowsze wynalazki naukowe i techniczne.
Badanie minerałów krystalicznych
Struktura i właściwości kryształów są tak wieloaspektowe, że odrębna nauka, mineralogia, zajmuje się badaniem tych zjawisk. Słynny rosyjski akademik Aleksander Jewgieniewicz Fersman był tak pochłonięty i zaskoczony różnorodnością i nieskończonością świata kryształów, że starał się zachwycić tym tematem jak najwięcej umysłów. W swojej książce Entertaining Mineralogy entuzjastycznie i gorąco zachęcał do zapoznania się z tajnikami minerałów i zanurzenia się w świat klejnotów:
Naprawdę cię chcęUrzec. Chcę, żebyście zainteresowali się górami i kamieniołomami, kopalniami i kopalniami, żebyście zaczęli zbierać kolekcje minerałów, żebyście chcieli z nami pojechać z miasta dalej, do biegu rzeki, gdzie tam to wysokie skaliste brzegi, do szczytów gór lub do skalistego wybrzeża, gdzie łamie się kamień, wydobywa się piasek lub eksploduje ruda. Tam, gdziekolwiek ty i ja znajdziemy coś do zrobienia: aw martwych skałach, piaskach i kamieniach nauczymy się czytać wspaniałe prawa natury, które rządzą całym światem i zgodnie z którymi cały świat jest zbudowany.
Fizyka bada kryształy, argumentując, że każde naprawdę stałe ciało jest kryształem. Chemia bada strukturę molekularną kryształów, dochodząc do wniosku, że każdy metal ma strukturę krystaliczną.
Badanie niesamowitych właściwości kryształów ma ogromne znaczenie dla rozwoju nowoczesnej nauki, technologii, budownictwa i wielu innych gałęzi przemysłu.
Podstawowe prawa kryształów
Pierwszą rzeczą, jaką ludzie zauważają patrząc na kryształ, jest jego idealny, wielopłaszczyznowy kształt, ale nie jest to główna cecha minerału lub metalu.
Kiedy kryształ zostanie rozbity na małe fragmenty, nic nie pozostanie z idealnej formy, ale każdy fragment, tak jak poprzednio, pozostanie kryształem. Cechą wyróżniającą kryształ nie jest jego wygląd, ale charakterystyczne cechy jego struktury wewnętrznej.
Symetryczna
Pierwszą rzeczą do zapamiętania i odnotowania podczas badania kryształów jest zjawiskosymetria. Jest szeroko rozpowszechniony w życiu codziennym. Skrzydła motyla są symetryczne, odcisk plamy na kartce złożonej na pół. Symetryczne kryształki śniegu. Sześciokątny płatek śniegu ma sześć płaszczyzn symetrii. Wyginając obrazek wzdłuż dowolnej linii przedstawiającej płaszczyznę symetrii płatka śniegu, możesz połączyć ze sobą jego dwie połówki.
Oś symetrii ma taką właściwość, że obracając figurę o pewien znany kąt wokół niej, można połączyć ze sobą odpowiednie części figury. W zależności od wielkości odpowiedniego kąta, o jaki figura ma zostać obrócona, w kryształach wyznaczane są osie drugiego, trzeciego, czwartego i szóstego rzędu. Tak więc w płatkach śniegu występuje pojedyncza oś symetrii szóstego rzędu, która jest prostopadła do płaszczyzny rysowania.
Środkiem symetrii jest taki punkt na płaszczyźnie figury, w tej samej odległości, od którego w przeciwnym kierunku znajdują się te same elementy konstrukcyjne figury.
Co jest w środku?
Wewnętrzna struktura kryształów jest rodzajem połączenia cząsteczek i atomów w kolejności właściwej tylko kryształom. Skąd znają wewnętrzną strukturę cząstek, jeśli nie są one widoczne nawet pod mikroskopem?
Wykorzystywane są do tego promienie rentgenowskie. Używając ich do półprzezroczystych kryształów, niemiecki fizyk M. Laue, angielski fizyk ojciec i syn Bragg oraz rosyjski profesor Yu Wolf ustanowili prawa, według których bada się strukturę i strukturę kryształów.
Wszystko było zaskakujące i nieoczekiwane. Samokoncepcja budowy molekuły okazała się nie mieć zastosowania do krystalicznego stanu materii.
Na przykład tak dobrze znana substancja jak sól kuchenna ma skład chemiczny cząsteczki NaCl. Jednak w krysztale poszczególne atomy chloru i sodu nie sumują się w oddzielne molekuły, ale tworzą pewną konfigurację zwaną siecią przestrzenną lub krystaliczną. Najmniejsze cząsteczki chloru i sodu są połączone elektrycznie. Sieć krystaliczna soli powstaje w następujący sposób. Jeden z elektronów walencyjnych zewnętrznej powłoki atomu sodu jest wprowadzany do zewnętrznej powłoki atomu chloru, która nie jest całkowicie wypełniona z powodu braku ósmego elektronu w trzeciej powłoce chloru. Tak więc w krysztale każdy jon sodu i chloru nie należy do jednej cząsteczki, ale do całego kryształu. Ze względu na to, że atom chloru jest jednowartościowy, może przyłączyć do siebie tylko jeden elektron. Ale cechy strukturalne kryształów prowadzą do tego, że atom chloru jest otoczony przez sześć atomów sodu i nie można określić, który z nich będzie dzielił elektron z chlorem.
Okazuje się, że chemiczna cząsteczka soli kuchennej i jej kryształ to nie to samo. Cały monokryształ jest jak jedna gigantyczna cząsteczka.
Kratka - tylko model
Błędu należy unikać, gdy sieć przestrzenną traktuje się jako rzeczywisty model struktury krystalicznej. Krata - rodzaj warunkowego obrazu przykładu połączenia cząstek elementarnych w strukturze kryształów. Punkty połączenia z siatką w postaci kulekwizualnie pozwalają na zobrazowanie atomów, a łączące je linie są przybliżonym obrazem sił wiązania między nimi.
W rzeczywistości szczeliny między atomami w krysztale są znacznie mniejsze. Jest to gęste upakowanie jego składowych cząstek. Kula to konwencjonalne oznaczenie atomu, którego użycie pozwala z powodzeniem odzwierciedlić właściwości ciasnego upakowania. W rzeczywistości nie jest to prosty kontakt atomów, ale ich wzajemne częściowe nakładanie się na siebie. Innymi słowy, obraz kuli w strukturze sieci krystalicznej to dla jasności przedstawiona kula o takim promieniu, która zawiera główną część elektronów atomu.
Przyrzeczenie siły
Pomiędzy dwoma przeciwnie naładowanymi jonami istnieje elektryczna siła przyciągania. Jest spoiwem w strukturze kryształów jonowych, takich jak sól kuchenna. Ale jeśli zbliżysz jony bardzo blisko, ich orbity elektronowe będą się nakładać na siebie i pojawią się odpychające siły cząstek o podobnym ładunku. Wewnątrz kryształu rozkład jonów jest taki, że siły odpychania i przyciągania są w równowadze, zapewniając krystaliczną wytrzymałość. Ta struktura jest typowa dla kryształów jonowych.
A w sieci krystalicznej diamentu i grafitu występuje połączenie atomów za pomocą wspólnych (zbiorowych) elektronów. Atomy znajdujące się blisko siebie mają wspólne elektrony, które krążą wokół jądra zarówno jednego, jak i sąsiednich atomów.
Szczegółowe badanie teorii sił z takimi wiązaniami jest dość trudne i leży w dziedzinie mechaniki kwantowej.
Różnice metalowe
Struktura kryształów metalu jest bardziej złożona. Dzięki temu, że atomy metalu z łatwością oddają dostępne elektrony zewnętrzne, mogą one swobodnie poruszać się po całej objętości kryształu, tworząc w nim tzw. gaz elektronowy. Dzięki takim „wędrującym” elektronom powstają siły, które zapewniają wytrzymałość metalowego wlewka. Z badań struktury prawdziwych kryształów metalu wynika, że w zależności od sposobu chłodzenia wlewka metalowego może on zawierać niedoskonałości: powierzchniowe, punktowe i liniowe. Wielkość takich defektów nie przekracza średnicy kilku atomów, ale zniekształcają one sieć krystaliczną i wpływają na procesy dyfuzji w metalach.
Rozrost kryształu
Dla wygodniejszego zrozumienia, wzrost substancji krystalicznej można przedstawić jako wznoszenie struktury z cegły. Jeśli jedna cegła z niedokończonego muru jest przedstawiana jako integralna część kryształu, to można określić, gdzie kryształ będzie rósł. Właściwości energetyczne kryształu są takie, że cegła umieszczona na pierwszej cegle będzie przyciągana z jednej strony - od dołu. Podczas układania na drugim - z dwóch stron, a na trzecim - od trzech. W procesie krystalizacji - przejścia ze stanu ciekłego do stanu stałego - uwalniana jest energia (ciepło topnienia). Aby system był jak największy, jego możliwa energia powinna sprowadzać się do minimum. Dlatego wzrost kryształów następuje warstwa po warstwie. Najpierw zostanie ukończony rząd samolotu, potem cały samolot, a dopiero potem zacznie się budowa następnego.
Nauka okryształy
Podstawowe prawo krystalografii - nauka o kryształach - mówi, że wszystkie kąty pomiędzy różnymi płaszczyznami ścian kryształów są zawsze stałe i takie same. Bez względu na to, jak zniekształcony jest rosnący kryształ, kąty między jego ścianami zachowują tę samą wartość właściwą dla tego typu. Niezależnie od wielkości, kształtu i liczby, ściany tej samej płaszczyzny kryształu zawsze przecinają się pod tym samym, z góry określonym kątem. Prawo stałości kątów odkrył M. V. Łomonosowa w 1669 roku i odegrał ważną rolę w badaniu struktury kryształów.
Anizotropia
Specyfika procesu tworzenia się kryształów wynika ze zjawiska anizotropii - różnej charakterystyki fizycznej w zależności od kierunku wzrostu. Monokryształy w różny sposób przewodzą prąd, ciepło i światło w różnych kierunkach i mają nierówną siłę.
Tak więc ten sam pierwiastek chemiczny z tymi samymi atomami może tworzyć różne sieci krystaliczne. Na przykład węgiel może krystalizować w diament i grafit. Jednocześnie diament jest przykładem maksymalnej wytrzymałości wśród minerałów, a grafit łatwo pozostawia łuski podczas pisania ołówkiem po papierze.
Pomiar kątów między ścianami minerałów ma ogromne znaczenie praktyczne dla określenia ich natury.
Podstawowe funkcje
Po poznaniu cech strukturalnych kryształów możemy krótko opisać ich główne właściwości:
- Anizotropia - nierówne właściwości w różnych kierunkach.
- Jednolitość - elementarnyskładniki kryształów, rozmieszczone w równych odstępach, mają te same właściwości.
- Zdolność do samodzielnego cięcia - każdy fragment kryształu w podłożu odpowiednim do jego wzrostu przybierze wielopłaszczyznowy kształt i zostanie pokryty ściankami odpowiadającymi temu rodzajowi kryształów. To właśnie ta właściwość pozwala kryształowi zachować symetrię.
- Niezmienność temperatury topnienia. Zniszczenie sieci przestrzennej minerału, czyli przejście substancji krystalicznej ze stanu stałego w ciekły, następuje zawsze w tej samej temperaturze.
Kryształy to ciała stałe, które przybrały naturalny kształt symetrycznego wielościanu. Struktura kryształów, charakteryzująca się tworzeniem sieci przestrzennej, posłużyła jako podstawa do rozwoju w fizyce teorii struktury elektronowej ciała stałego. Badanie właściwości i struktury minerałów ma ogromne znaczenie praktyczne.
