Όταν κοιτάζει κανείς κρύσταλλα και πετράδια, θέλει να καταλάβει πώς θα μπορούσε να εμφανιστεί αυτή η μυστηριώδης ομορφιά, πώς δημιουργούνται τέτοια εκπληκτικά έργα της φύσης. Υπάρχει η επιθυμία να μάθουμε περισσότερα για τις ιδιότητές τους. Εξάλλου, η ειδική, πουθενά στη φύση επαναλαμβανόμενη δομή των κρυστάλλων τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται παντού: από κοσμήματα μέχρι τις πιο πρόσφατες επιστημονικές και τεχνικές εφευρέσεις.
Μελέτη κρυσταλλικών ορυκτών
Η δομή και οι ιδιότητες των κρυστάλλων είναι τόσο πολύπλευρες που μια ξεχωριστή επιστήμη, η ορυκτολογία, ασχολείται με τη μελέτη και τη μελέτη αυτών των φαινομένων. Ο διάσημος Ρώσος ακαδημαϊκός Alexander Evgenievich Fersman ήταν τόσο απορροφημένος και έκπληκτος από την ποικιλομορφία και το άπειρο του κόσμου των κρυστάλλων που προσπάθησε να αιχμαλωτίσει όσο το δυνατόν περισσότερα μυαλά με αυτό το θέμα. Στο βιβλίο του Entertaining Minerology, με ενθουσιασμό και θερμά προέτρεψε να εξοικειωθεί με τα μυστικά των ορυκτών και να βουτήξει στον κόσμο των πολύτιμων λίθων:
Σε θέλω πολύσαγηνεύω. Θέλω να αρχίσετε να ενδιαφέρεστε για βουνά και λατομεία, ορυχεία και ορυχεία, ώστε να αρχίσετε να συλλέγετε συλλογές ορυκτών, ώστε να θέλετε να πάτε μαζί μας από την πόλη πιο μακριά, στην πορεία του ποταμού, όπου εκεί είναι ψηλές βραχώδεις όχθες, στις κορυφές των βουνών ή στη βραχώδη ακτή, όπου σπάνε πέτρα, εξορύσσεται άμμος ή εκρήγνυται μετάλλευμα. Εκεί, παντού, εσύ κι εγώ θα βρούμε κάτι να κάνουμε: και σε νεκρούς βράχους, άμμους και πέτρες, θα μάθουμε να διαβάζουμε μερικούς μεγάλους νόμους της φύσης που διέπουν ολόκληρο τον κόσμο και σύμφωνα με τους οποίους είναι χτισμένος ολόκληρος ο κόσμος.
Η Φυσική μελετά τους κρυστάλλους, υποστηρίζοντας ότι κάθε πραγματικά στερεό σώμα είναι κρύσταλλος. Η χημεία ερευνά τη μοριακή δομή των κρυστάλλων, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι κάθε μέταλλο έχει κρυσταλλική δομή.
Η μελέτη των εκπληκτικών ιδιοτήτων των κρυστάλλων έχει μεγάλη σημασία για την ανάπτυξη της σύγχρονης επιστήμης, της τεχνολογίας, της κατασκευαστικής βιομηχανίας και πολλών άλλων βιομηχανιών.
Βασικοί νόμοι των κρυστάλλων
Το πρώτο πράγμα που προσέχουν οι άνθρωποι όταν κοιτάζουν έναν κρύσταλλο είναι το ιδανικό πολύπλευρο σχήμα του, αλλά δεν είναι το κύριο χαρακτηριστικό ενός ορυκτού ή μετάλλου.
Όταν ένας κρύσταλλος σπάσει σε μικρά θραύσματα, τίποτα δεν θα παραμείνει στην ιδανική μορφή, αλλά οποιοδήποτε θραύσμα, όπως και πριν, θα παραμείνει κρύσταλλος. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό ενός κρυστάλλου δεν είναι η εμφάνισή του, αλλά τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της εσωτερικής του δομής.
Συμμετρικό
Το πρώτο πράγμα που πρέπει να θυμάστε και να σημειώσετε όταν μελετάτε τους κρυστάλλους είναι το φαινόμενοσυμμετρία. Είναι ευρέως διαδεδομένο στην καθημερινή ζωή. Τα φτερά της πεταλούδας είναι συμμετρικά, ένα αποτύπωμα μιας κηλίδας σε ένα κομμάτι χαρτί διπλωμένο στη μέση. Συμμετρικοί κρύσταλλοι χιονιού. Η εξαγωνική νιφάδα χιονιού έχει έξι επίπεδα συμμετρίας. Λυγίζοντας την εικόνα κατά μήκος οποιασδήποτε γραμμής που απεικονίζει το επίπεδο συμμετρίας της νιφάδας χιονιού, μπορείτε να συνδυάσετε τα δύο μισά της μεταξύ τους.
Ο άξονας συμμετρίας έχει τέτοια ιδιότητα ώστε, περιστρέφοντας ένα σχήμα κατά κάποια γνωστή γωνία γύρω του, είναι δυνατός ο συνδυασμός κατάλληλων τμημάτων του σχήματος μεταξύ τους. Ανάλογα με το μέγεθος μιας κατάλληλης γωνίας με την οποία πρέπει να περιστραφεί το σχήμα, προσδιορίζονται στους κρυστάλλους άξονες 2ης, 3ης, 4ης και 6ης τάξης. Έτσι, στις νιφάδες χιονιού, υπάρχει ένας μόνο άξονας συμμετρίας έκτης τάξης, ο οποίος είναι κάθετος στο επίπεδο σχεδίασης.
Το κέντρο συμμετρίας είναι ένα τέτοιο σημείο στο επίπεδο του σχήματος, στην ίδια απόσταση από το οποίο στην αντίθετη κατεύθυνση βρίσκονται τα ίδια δομικά στοιχεία του σχήματος.
Τι υπάρχει μέσα;
Η εσωτερική δομή των κρυστάλλων είναι ένα είδος συνδυασμού μορίων και ατόμων με μια σειρά που χαρακτηρίζει μόνο τους κρυστάλλους. Πώς γνωρίζουν την εσωτερική δομή των σωματιδίων αν δεν είναι ορατά ούτε με μικροσκόπιο;
Για αυτό χρησιμοποιούνταιακτινογραφίες. Χρησιμοποιώντας τους σε ημιδιαφανείς κρυστάλλους, ο Γερμανός φυσικός M. Laue, οι Άγγλοι φυσικοί πατέρας και γιος Bragg και ο Ρώσος καθηγητής Yu. Wolf καθιέρωσαν τους νόμους σύμφωνα με τους οποίους μελετάται η δομή και η δομή των κρυστάλλων.
Όλα ήταν εκπληκτικά και απροσδόκητα. Σάμοη έννοια της δομής του μορίου αποδείχθηκε ότι δεν ήταν εφαρμόσιμη στην κρυσταλλική κατάσταση της ύλης.
Για παράδειγμα, μια τόσο γνωστή ουσία όπως το επιτραπέζιο αλάτι έχει τη χημική σύνθεση του μορίου NaCl. Αλλά σε έναν κρύσταλλο, μεμονωμένα άτομα χλωρίου και νατρίου δεν αθροίζονται σε ξεχωριστά μόρια, αλλά σχηματίζουν μια συγκεκριμένη διαμόρφωση που ονομάζεται χωρικό ή κρυσταλλικό πλέγμα. Τα μικρότερα σωματίδια χλωρίου και νατρίου συνδέονται ηλεκτρικά. Το κρυσταλλικό πλέγμα του αλατιού σχηματίζεται ως εξής. Ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους του εξωτερικού κελύφους του ατόμου νατρίου εισάγεται στο εξωτερικό περίβλημα του ατόμου χλωρίου, το οποίο δεν είναι πλήρως γεμάτο λόγω της απουσίας του όγδοου ηλεκτρονίου στο τρίτο κέλυφος του χλωρίου. Έτσι, σε έναν κρύσταλλο, κάθε ιόν νατρίου και χλωρίου δεν ανήκει σε ένα μόριο, αλλά σε ολόκληρο τον κρύσταλλο. Λόγω του γεγονότος ότι το άτομο χλωρίου είναι μονοσθενές, μπορεί να προσκολλήσει μόνο ένα ηλεκτρόνιο στον εαυτό του. Αλλά τα δομικά χαρακτηριστικά των κρυστάλλων οδηγούν στο γεγονός ότι το άτομο χλωρίου περιβάλλεται από έξι άτομα νατρίου και είναι αδύνατο να προσδιοριστεί ποιο από αυτά θα μοιράζεται ένα ηλεκτρόνιο με το χλώριο.
Αποδεικνύεται ότι το χημικό μόριο του επιτραπέζιου αλατιού και ο κρύσταλλός του δεν είναι καθόλου το ίδιο πράγμα. Ολόκληρος ο μονοκρύσταλλος είναι σαν ένα γιγάντιο μόριο.
Γρίλια - μόνο μοντέλο
Το σφάλμα πρέπει να αποφεύγεται όταν το χωρικό πλέγμα λαμβάνεται ως πραγματικό μοντέλο της κρυσταλλικής δομής. Πλέγμα - ένα είδος υπό όρους εικόνας ενός παραδείγματος σύνδεσης στοιχειωδών σωματιδίων στη δομή των κρυστάλλων. Σημεία σύνδεσης πλέγματος με τη μορφή μπάλεςσας επιτρέπουν οπτικά να απεικονίσετε άτομα και οι γραμμές που τα συνδέουν είναι μια κατά προσέγγιση εικόνα των δυνάμεων δέσμευσης μεταξύ τους.
Στην πραγματικότητα, τα κενά μεταξύ των ατόμων μέσα σε έναν κρύσταλλο είναι πολύ μικρότερα. Είναι μια πυκνή συσκευασία των συστατικών σωματιδίων του. Μια μπάλα είναι μια συμβατική ονομασία ενός ατόμου, η χρήση του οποίου καθιστά δυνατή την επιτυχή αντανάκλαση των ιδιοτήτων της στενής συσκευασίας. Στην πραγματικότητα, δεν υπάρχει μια απλή επαφή των ατόμων, αλλά η αμοιβαία μερική επικάλυψη μεταξύ τους. Με άλλα λόγια, η εικόνα μιας σφαίρας στη δομή του κρυσταλλικού πλέγματος είναι, για λόγους σαφήνειας, η απεικονιζόμενη σφαίρα μιας τέτοιας ακτίνας που περιέχει το κύριο μέρος των ηλεκτρονίων του ατόμου.
Υπόσχεση δύναμης
Υπάρχει ηλεκτρική δύναμη έλξης μεταξύ δύο αντίθετα φορτισμένων ιόντων. Είναι συνδετικό στη δομή ιοντικών κρυστάλλων όπως το επιτραπέζιο αλάτι. Αλλά αν φέρετε τα ιόντα πολύ κοντά, τότε οι τροχιές των ηλεκτρονίων τους θα επικαλύπτονται μεταξύ τους και θα εμφανιστούν απωστικές δυνάμεις σωματιδίων με παρόμοια φορτία. Μέσα στον κρύσταλλο, η κατανομή των ιόντων είναι τέτοια ώστε οι απωστικές και ελκτικές δυνάμεις να βρίσκονται σε ισορροπία, παρέχοντας κρυσταλλική δύναμη. Αυτή η δομή είναι χαρακτηριστική για τους ιοντικούς κρυστάλλους.
Και στα κρυσταλλικά πλέγματα του διαμαντιού και του γραφίτη υπάρχει σύνδεση ατόμων με τη βοήθεια κοινών (συλλογικών) ηλεκτρονίων. Τα άτομα σε κοντινή απόσταση έχουν κοινά ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα του ενός και των γειτονικών ατόμων.
Μια λεπτομερής μελέτη της θεωρίας των δυνάμεων με τέτοιους δεσμούς είναι αρκετά δύσκολη και βρίσκεται στο πεδίο της κβαντικής μηχανικής.
Μεταλλικές Διαφορές
Η δομή των μεταλλικών κρυστάλλων είναι πιο περίπλοκη. Λόγω του γεγονότος ότι τα άτομα μετάλλων δωρίζουν εύκολα τα διαθέσιμα εξωτερικά ηλεκτρόνια, μπορούν να κινηθούν ελεύθερα σε όλο τον όγκο του κρυστάλλου, σχηματίζοντας το λεγόμενο αέριο ηλεκτρονίων μέσα σε αυτόν. Χάρη σε τέτοια «περιπλανώμενα» ηλεκτρόνια δημιουργούνται δυνάμεις που εξασφαλίζουν την αντοχή του μεταλλικού πλινθώματος. Η μελέτη της δομής των κρυστάλλων πραγματικών μετάλλων δείχνει ότι, ανάλογα με τη μέθοδο ψύξης ενός μεταλλικού πλινθώματος, μπορεί να περιέχει ατέλειες: επιφάνεια, σημειακή και γραμμική. Το μέγεθος τέτοιων ελαττωμάτων δεν υπερβαίνει τη διάμετρο πολλών ατόμων, αλλά παραμορφώνουν το κρυσταλλικό πλέγμα και επηρεάζουν τις διαδικασίες διάχυσης στα μέταλλα.
Crystal Growth
Για μια πιο εύκολη κατανόηση, η ανάπτυξη μιας κρυσταλλικής ουσίας μπορεί να αναπαρασταθεί ως η ανέγερση μιας δομής από τούβλα. Εάν ένα τούβλο μιας ημιτελούς τοιχοποιίας παρουσιάζεται ως αναπόσπαστο μέρος ενός κρυστάλλου, τότε είναι δυνατό να προσδιοριστεί πού θα αναπτυχθεί ο κρύσταλλος. Οι ενεργειακές ιδιότητες του κρυστάλλου είναι τέτοιες που το τούβλο που τοποθετείται στο πρώτο τούβλο θα έχει έλξη από τη μία πλευρά - από κάτω. Όταν βάζετε στη δεύτερη - από δύο πλευρές, και στην τρίτη - από τρεις. Κατά τη διαδικασία της κρυστάλλωσης - η μετάβαση από μια υγρή σε μια στερεή κατάσταση - απελευθερώνεται ενέργεια (θερμότητα σύντηξης). Για τη μεγαλύτερη ισχύ του συστήματος, η πιθανή ενέργειά του θα πρέπει να τείνει στο ελάχιστο. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη των κρυστάλλων συμβαίνει στρώμα προς στρώμα. Πρώτα, θα ολοκληρωθεί μια σειρά του αεροπλάνου, μετά ολόκληρο το αεροπλάνο και μόνο τότε θα αρχίσει να χτίζεται το επόμενο.
Science ofκρύσταλλα
Ο βασικός νόμος της κρυσταλλογραφίας - η επιστήμη των κρυστάλλων - λέει ότι όλες οι γωνίες μεταξύ διαφορετικών επιπέδων όψεων κρυστάλλων είναι πάντα σταθερές και ίδιες. Ανεξάρτητα από το πόσο παραμορφωμένος είναι ένας αναπτυσσόμενος κρύσταλλος, οι γωνίες μεταξύ των όψεών του διατηρούν την ίδια αξία που είναι εγγενής σε αυτόν τον τύπο. Ανεξάρτητα από το μέγεθος, το σχήμα και τον αριθμό, οι όψεις του ίδιου κρυσταλλικού επιπέδου τέμνονται πάντα στην ίδια προκαθορισμένη γωνία. Ο νόμος της σταθερότητας των γωνιών ανακαλύφθηκε από τον M. V. Lomonosov το 1669 και έπαιξε σημαντικό ρόλο στη μελέτη της δομής των κρυστάλλων.
Ανισοτροπία
Η ιδιαιτερότητα της διαδικασίας σχηματισμού κρυστάλλων οφείλεται στο φαινόμενο της ανισοτροπίας - διαφορετικά φυσικά χαρακτηριστικά ανάλογα με την κατεύθυνση ανάπτυξης. Οι μονοκρυστάλλοι μεταφέρουν τον ηλεκτρισμό, τη θερμότητα και το φως διαφορετικά σε διαφορετικές κατευθύνσεις και έχουν άνιση δύναμη.
Έτσι, το ίδιο χημικό στοιχείο με τα ίδια άτομα μπορεί να σχηματίσει διαφορετικά κρυσταλλικά πλέγματα. Για παράδειγμα, ο άνθρακας μπορεί να κρυσταλλωθεί σε διαμάντι και σε γραφίτη. Ταυτόχρονα, το διαμάντι είναι ένα παράδειγμα της μέγιστης αντοχής μεταξύ των ορυκτών και ο γραφίτης αφήνει εύκολα τα λέπια του όταν γράφει με μολύβι σε χαρτί.
Η μέτρηση των γωνιών μεταξύ των επιφανειών των ορυκτών έχει μεγάλη πρακτική σημασία για τον προσδιορισμό της φύσης τους.
Βασικά χαρακτηριστικά
Έχοντας μάθει τα δομικά χαρακτηριστικά των κρυστάλλων, μπορούμε να περιγράψουμε εν συντομία τις κύριες ιδιότητές τους:
- Ανισοτροπία - ανομοιόμορφες ιδιότητες σε διαφορετικές κατευθύνσεις.
- Ομοιομορφία - δημοτικήτα συστατικά των κρυστάλλων, σε ίση απόσταση, έχουν τις ίδιες ιδιότητες.
- Ικανότητα αυτοκοπής - οποιοδήποτε θραύσμα κρυστάλλου σε μέσο κατάλληλο για την ανάπτυξή του θα πάρει πολύπλευρο σχήμα και θα καλυφθεί με όψεις που αντιστοιχούν σε αυτόν τον τύπο κρυστάλλων. Αυτή είναι η ιδιότητα που επιτρέπει στον κρύσταλλο να διατηρεί τη συμμετρία του.
- Η μεταβλητότητα του σημείου τήξης. Η καταστροφή του χωρικού πλέγματος ενός ορυκτού, δηλαδή η μετάβαση μιας κρυσταλλικής ουσίας από στερεά σε υγρή κατάσταση, συμβαίνει πάντα στην ίδια θερμοκρασία.
Οι κρύσταλλοι είναι στερεά που έχουν πάρει το φυσικό σχήμα ενός συμμετρικού πολυέδρου. Η δομή των κρυστάλλων, που χαρακτηρίζεται από το σχηματισμό ενός χωρικού πλέγματος, χρησίμευσε ως βάση για την ανάπτυξη στη φυσική της θεωρίας της ηλεκτρονικής δομής ενός στερεού. Η μελέτη των ιδιοτήτων και της δομής των ορυκτών έχει μεγάλη πρακτική σημασία.
