Când ne uităm la cristale și pietre prețioase, cineva vrea să înțeleagă cum ar fi putut apărea această frumusețe misterioasă, cum sunt create astfel de lucrări uimitoare ale naturii. Există dorința de a afla mai multe despre proprietățile lor. La urma urmei, structura specială, care se repetă nicăieri în natură, a cristalelor le permite să fie folosite peste tot: de la bijuterii până la cele mai recente invenții științifice și tehnice.
Studiul mineralelor cristaline
Structura și proprietățile cristalelor sunt atât de multiple încât o știință separată, mineralogia, este angajată în studiul și studiul acestor fenomene. Celebrul academician rus Alexander Evgenievich Fersman a fost atât de absorbit și surprins de diversitatea și infinitatea lumii cristalelor încât a încercat să captiveze cât mai multe minți cu această temă. În cartea sa Entertaining Mineralogy, el a îndemnat cu entuziasm și căldură să se familiarizeze cu secretele mineralelor și să se cufunde în lumea pietrelor:
Te vreau cu adevăratcaptiva. Vreau să începi să fii interesat de munți și cariere, mine și mine, ca să începi să strângi colecții de minerale, ca să vrei să mergi cu noi din orașul mai departe, până la cursul râului, unde există sunt maluri stâncoase în alte, până la vârfurile munților sau la țărmul stâncos, unde se sparge piatra, se extrage nisip sau explodează minereul. Acolo, peste tot, tu și cu mine vom găsi ceva de făcut: și în stânci moarte, nisipuri și pietre, vom învăța să citim niște mari legi ale naturii care guvernează întreaga lume și după care este construită întreaga lume.
Fizica studiază cristalele, argumentând că orice corp cu adevărat solid este un cristal. Chimia investighează structura moleculară a cristalelor, ajungând la concluzia că orice metal are o structură cristalină.
Studiul proprietăților uimitoare ale cristalelor este de mare importanță pentru dezvoltarea științei moderne, a tehnologiei, a industriei construcțiilor și a multor alte industrii.
Legile de bază ale cristalelor
Primul lucru pe care oamenii îl observă atunci când privesc un cristal este forma lui multifațetată ideală, dar nu este caracteristica principală a unui mineral sau metal.
Când un cristal este spart în fragmente mici, nimic nu va rămâne în forma ideală, dar orice fragment, ca înainte, va rămâne un cristal. O trăsătură distinctivă a unui cristal nu este aspectul său, ci trăsăturile caracteristice ale structurii sale interne.
Simetric
Primul lucru de reținut și de remarcat atunci când studiezi cristalele este fenomenulsimetrie. Este larg răspândită în viața de zi cu zi. Aripile de fluture sunt simetrice, o amprentă a unei pete pe o bucată de hârtie îndoită în jumătate. Cristale de zăpadă simetrice. Fulgul de nea hexagonal are șase planuri de simetrie. Îndoind imaginea de-a lungul oricărei linii care ilustrează planul de simetrie al fulgului de zăpadă, puteți combina cele două jumătăți ale acestuia una cu ceal altă.
Axa de simetrie are o astfel de proprietate încât, prin rotirea unei figuri cu un unghi cunoscut în jurul ei, este posibil să se combine părți adecvate ale figurii între ele. În funcție de dimensiunea unghiului potrivit cu care figura trebuie să fie rotită, în cristale sunt determinate axe de ordinul 2, 3, 4 și 6. Astfel, în fulgii de zăpadă, există o singură axă de simetrie de ordinul al șaselea, care este perpendiculară pe planul de desen.
Centrul de simetrie este un astfel de punct în planul figurii, la aceeași distanță față de care în sens opus se află aceleași elemente structurale ale figurii.
Ce este înăuntru?
Structura internă a cristalelor este un fel de combinație de molecule și atomi într-o ordine specifică doar cristalelor. Cum știu ei structura internă a particulelor dacă nu sunt vizibile nici măcar cu un microscop?
Raze X sunt folosite pentru aceasta. Folosindu-le la cristale translucide, fizicianul german M. Laue, fizicienii englezi tatăl și fiul Bragg și profesorul rus Yu. Wolf au stabilit legile conform cărora se studiază structura și structura cristalelor.
Totul a fost surprinzător și neașteptat. Samoconceptul de structură a moleculei s-a dovedit a fi inaplicabil stării cristaline a materiei.
De exemplu, o astfel de substanță binecunoscută precum sarea de masă are compoziția chimică a moleculei de NaCl. Dar într-un cristal, atomii individuali de clor și sodiu nu se adună în molecule separate, ci formează o anumită configurație numită rețea spațială sau cristalină. Cele mai mici particule de clor și sodiu sunt legate electric. Rețeaua cristalină de sare se formează după cum urmează. Unul dintre electronii de valență ai învelișului exterior al atomului de sodiu este introdus în învelișul exterior al atomului de clor, care nu este complet umplut din cauza absenței celui de-al optulea electron în al treilea înveliș de clor. Astfel, într-un cristal, fiecare ion atât de sodiu, cât și de clor nu aparține unei molecule, ci întregului cristal. Datorită faptului că atomul de clor este monovalent, acesta poate atașa doar un electron. Dar caracteristicile structurale ale cristalelor duc la faptul că atomul de clor este înconjurat de șase atomi de sodiu și este imposibil să se determine care dintre ei va împărți un electron cu clorul.
Se pare că molecula chimică a sării de masă și cristalul ei nu sunt deloc același lucru. Întregul cristal unic este ca o moleculă uriașă.
Grătar - numai model
Eroarea ar trebui evitată atunci când rețeaua spațială este luată ca un model real al structurii cristaline. Latice - un fel de imagine condiționată a unui exemplu de conexiune a particulelor elementare în structura cristalelor. Puncte de conectare la rețea sub formă de bilevizual vă permit să descrieți atomi, iar liniile care îi leagă sunt o imagine aproximativă a forțelor de legare dintre ei.
În realitate, golurile dintre atomi din interiorul unui cristal sunt mult mai mici. Este un ambalaj dens al particulelor sale constitutive. O minge este o denumire convențională a unui atom, a cărei utilizare face posibilă reflectarea cu succes a proprietăților de ambalare apropiată. În realitate, nu există un simplu contact al atomilor, ci suprapunerea lor parțială reciprocă. Cu alte cuvinte, imaginea unei bile din structura rețelei cristaline este, pentru claritate, sfera reprezentată cu o astfel de rază care conține partea principală a electronilor atomului.
Angajament de putere
Există o forță electrică de atracție între doi ioni încărcați opus. Este un liant în structura cristalelor ionice, cum ar fi sarea de masă. Dar dacă aduceți ionii foarte aproape, atunci orbitele lor de electroni se vor suprapune și vor apărea forțe de respingere ale particulelor încărcate asemănătoare. În interiorul cristalului, distribuția ionilor este astfel încât forțele de respingere și de atracție sunt în echilibru, oferind rezistență cristalină. Această structură este tipică pentru cristalele ionice.
Și în rețelele cristaline de diamant și grafit există o legătură de atomi cu ajutorul electronilor comuni (colectivi). Atomii strâns distanțați au electroni comuni care se rotesc în jurul nucleului unuia și al atomilor vecini.
Un studiu detaliat al teoriei forțelor cu astfel de legături este destul de dificil și se află în domeniul mecanicii cuantice.
Diferențe de metal
Structura cristalelor metalice este mai complexă. Datorită faptului că atomii de metal donează cu ușurință electronii externi disponibili, aceștia se pot mișca liber în întregul volum al cristalului, formând așa-numitul gaz de electroni în interiorul acestuia. Datorită unor astfel de electroni „rătăcitori”, se creează forțe care asigură rezistența lingoului de metal. Studiul structurii cristalelor metalice reale arată că, în funcție de metoda de răcire a unui lingou de metal, acesta poate conține imperfecțiuni: de suprafață, punctiforme și liniare. Dimensiunea unor astfel de defecte nu depășește diametrul mai multor atomi, dar ele distorsionează rețeaua cristalină și afectează procesele de difuzie în metale.
Creșterea cristalelor
Pentru o înțelegere mai convenabilă, creșterea unei substanțe cristaline poate fi reprezentată ca ridicarea unei structuri de cărămidă. Dacă o cărămidă dintr-o zidărie neterminată este prezentată ca parte integrantă a unui cristal, atunci este posibil să se determine unde va crește cristalul. Proprietățile energetice ale cristalului sunt astfel încât cărămida plasată pe prima cărămidă va experimenta atracție dintr-o parte - de jos. Când se așează pe a doua - din două părți, iar pe a treia - din trei. În procesul de cristalizare - trecerea de la starea lichidă la starea solidă - se eliberează energie (căldura de fuziune). Pentru cea mai mare putere a sistemului, energia sa posibilă ar trebui să tindă la minim. Prin urmare, creșterea cristalelor are loc strat cu strat. Mai întâi, va fi completat un rând al avionului, apoi întregul avion și abia apoi va începe să fie construit următorul.
Știința acristale
Legea de bază a cristalografiei - știința cristalelor - spune că toate unghiurile dintre diferitele planuri ale fețelor cristalului sunt întotdeauna constante și aceleași. Indiferent cât de distorsionat este un cristal în creștere, unghiurile dintre fețele sale păstrează aceeași valoare inerentă acestui tip. Indiferent de dimensiune, formă și număr, fețele aceluiași plan de cristal se intersectează întotdeauna la același unghi predeterminat. Legea constanței unghiurilor a fost descoperită de M. V. Lomonosov în 1669 și a jucat un rol major în studiul structurii cristalelor.
Anizotropie
Particularitatea procesului de formare a cristalelor se datorează fenomenului de anizotropie - caracteristici fizice diferite în funcție de direcția de creștere. Cristalele simple conduc electricitatea, căldura și lumina în mod diferit în direcții diferite și au o putere inegală.
Astfel, același element chimic cu aceiași atomi poate forma rețele cristaline diferite. De exemplu, carbonul se poate cristaliza în diamant și în grafit. În același timp, diamantul este un exemplu de rezistență maximă dintre minerale, iar grafitul își părăsește solzii când scrie cu creionul pe hârtie.
Măsurarea unghiurilor dintre fețele mineralelor este de mare importanță practică pentru determinarea naturii lor.
Funcții de bază
După ce am învățat caracteristicile structurale ale cristalelor, le putem descrie pe scurt principalele proprietăți:
- Anizotropie - proprietăți neuniforme în direcții diferite.
- Uniformitate - elementarconstituenții cristalelor, la distanță egală, au aceleași proprietăți.
- Capacitatea de auto-tăiere - orice fragment de cristal într-un mediu potrivit creșterii sale va lua o formă multifațetă și va fi acoperit cu fețe corespunzătoare acestui tip de cristale. Această proprietate este cea care permite cristalului să-și mențină simetria.
- Invarianța punctului de topire. Distrugerea rețelei spațiale a unui mineral, adică trecerea unei substanțe cristaline de la starea solidă la starea lichidă, are loc întotdeauna la aceeași temperatură.
Cristalele sunt solide care au luat forma naturală a unui poliedru simetric. Structura cristalelor, caracterizată prin formarea unei rețele spațiale, a servit drept bază pentru dezvoltarea în fizică a teoriei structurii electronice a unui solid. Studiul proprietăților și structurii mineralelor are o mare importanță practică.
