Будова кристалів: особливості та фізичні властивості

При погляді на кристали і вироби з самоцвітів хочеться зрозуміти, як могла з`явитися ця загадкова краса, яким чином створюються такі дивовижні твори природи. З`являється бажання більше дізнатися про їх властивості. Адже особливе, ніде в природі не повторюється будова кристалів дозволяє використовувати їх повсюдно: від ювелірних прикрас до новітніх наукових і технічних винаходів.

Вивчення кристалічних мінералів

Будова і властивості кристалів настільки багатогранні, що вивченням і дослідженням цих явищ займається окрема наука-мінералогія. Знаменитий російський академік Олександр Євгенович Ферсман настільки був поглинений і здивований різноманітністю і безмежністю світу кристалів, що прагнув захопити якомога більше умів цією темою. У своїй книзі "цікава мінералогія" він з ентузіазмом і теплотою закликав познайомитися з таємницями мінералів і зануритися в світ самоцвітів:

Я дуже хочу вас захопити. Хочу, щоб ви почали цікавитися горами і каменоломнями, рудниками і копальнями, щоб ви почали збирати колекції мінералів, щоб ви захотіли відправитися разом з нами з міста подалі, до течії річки, де високі кам`янисті береги, до вершин гір або до скелястого берега моря, туди, де ламають камінь, добувають пісок або підривають руду. Там усюди ми з вами знайдемо, чим зайнятися: і в мертвих скелях, Пісках і каменях ми з вами навчимося читати якісь великі закони природи, які керують усім світом і за якими побудований весь світ.

Вивченням кристалів займається Фізика, стверджуючи, що всяке дійсно тверде тіло є кристалом. Хімія досліджує молекулярну будову кристалів, приходячи до висновку, що будь-який метал має кристалічну будову.

Вивчення дивовижних властивостей кристалів має величезне значення для розвитку сучасних науки, техніки, будівельної промисловості та багатьох інших галузей.

Основні закони кристалів

Перше, на що звертають увагу при погляді на кристал-це ідеальна багатогранна форма, але не вона є головною особливістю мінералу або металу.

При розбиванні кристала на маленькі осколки від ідеальної форми нічого не залишиться, але при цьому будь-який осколок, як і раніше, буде залишатися кристалом. Відмінною рисою кристала є не його зовнішній вигляд, а характерна риса його внутрішньої будови.

Симетричність

Перше, що варто згадати і відзначити при вивченні кристалів-це явище симетрії. Воно широко поширене в навколишньому повсякденному житті. Симетричні крила метелика, відбиток плями на аркуші паперу, зігнутому навпіл. Симетричні снігові кристали. Шестикутна сніжинка має шість площин симетрії. Згинаючи малюнок по будь-якій лінії, що зображає площину симетрії сніжинки, можна поєднати один з одним дві її половини.

Вісь симетрії має таку властивість, що, повертаючи фігуру на деякий відомий кут навколо неї, можна поєднати між собою відповідні частини фігури. Залежно від розміру відповідного кута, на який потрібно повернути фігуру, в кристалах визначають осі 2-го, 3-го, 4-го і 6-го порядку. Таким чином, в сніжинках спостерігається єдина вісь симетрії шостого порядку, яка є перпендикулярною до креслярської площини.

Центром симетрії вважається така точка в площині фігури, на однаковій відстані від якої в протилежному напрямку знаходяться однакові елементи будови фігури.

А що всередині?

Внутрішня будова кристалів-це своєрідне з`єднання молекул і атомів у властивому тільки кристалам порядку. Яким чином дізнаються внутрішню будову частинок, якщо вони не видимі навіть в мікроскоп?

Для цього використовуються рентгенівські промені. Застосовуючи їх для просвічування кристалів, німецький фізик М. Лауе, англійські фізики батько і син Брегг, російський професор Ю. Вульф встановили закони, згідно з якими вивчається структура і будова кристалів.

Все виявилося дивно і несподівано. Саме уявлення про будову молекули виявилося непридатним до кристалічного стану речовини.

Наприклад, таке відоме всім речовина, як кухонна сіль, має хімічний склад молекули NaCl. Але в кристалі окремі атоми хлору та натрію не складаються в окремі молекули, а утворюють певну конфігурацію, яка називається просторовою або кристалічною решіткою. Найдрібніші частинки хлору і натрію мають електричний зв`язок. Кристалічна решітка солі складається наступним чином. Один з валентних електронів зовнішньої оболонки атома натрію впроваджується в зовнішню оболонку атома хлору, яка не повністю заповнена через відсутність в третій оболонці хлору восьмого електрона. Таким чином, в кристалі кожен іон як натрію, так і хлору належать не одній молекулі, а всьому кристалу. Через те, що атом хлору одновалентний, він може приєднати до себе тільки один електрон. Але особливості будови кристалів призводять до того, що атом хлору оточений шістьма атомами натрію, і неможливо визначити, який з них поділиться з хлором електроном.

Виходить, що хімічна молекула кухонної солі і її кристал-зовсім не одне і те ж. Весь монокристал – це як б одна гігантська молекула.

Решітка - тільки модель

Слід уникати помилки, коли просторову решітку приймають за дійсну модель кристалічної будови. Решітка-своєрідне умовне зображення прикладу з`єднання елементарних частинок в будові кристалів. Місця з`єднання решітки у вигляді кульок наочно дозволяють зобразити атоми, а лінії, їх з`єднують - це зразкове зображення сполучних сил між ними.

В реальності проміжки між атомами всередині кристала набагато менше. Він є щільною упаковкою складових його частинок. Кулька-умовне позначення атома, використання якого дозволяє вдало відобразити властивості щільної упаковки. В реальності має місце не просте зіткнення атомів, а взаємне їх часткове перекривання один одним. Іншими словами, зображення кулі в будові кристалічної решітки-це для наочності зображена сфера такого радіуса, яка вміщує основну частину електронів атома.

Запорука міцності

Між двома протилежно зарядженими іонами виникає електрична сила тяжіння. Вона є сполучною в будові іонних кристалів, таких як кухонна сіль. Але якщо сильно наблизити іони, то їх електронні орбіти стануть перекривати один одного, з`являться відразливі сили однойменно заряджена частинка. Усередині кристала розподіл іонів такий, що відштовхуючі та притягуючі сили знаходяться в рівновазі, забезпечуючи кристалічну міцність. Така будова характерно для іонних кристалів.

А в кристалічних решітках алмазу і графіту має місце з`єднання атомів за допомогою загальних (колективних) електронів. У близько розташованих атомів є загальні електрони, які обертаються навколо ядра як одного, так і сусіднього атомів.

Детальне вивчення теорії сил при таких зв`язках досить складно і лежить в області квантової механіки.

Відмінності металів

Будова кристалів металів більш складно. У зв`язку з тим, що атоми металу легко віддають наявні зовнішні електрони, вони можуть вільно переміщатися по всьому об`єму кристала, утворюючи всередині нього так званий електронний газ. Завдяки таким» блукаючим " електронам створюються сили, що забезпечують міцність металевого злитка. Вивчення будови реальних кристалів металу показує, що в залежності від способу охолодження металевого злитка в ньому можуть бути недосконалості: поверхневі, точкові і лінійні. Розміри таких дефектів не перевищують діаметр декількох атомів, але вони спотворюють кристалічну решітку і впливають на дифузійні процеси в металах.

Ріст кристала

Для більш зручного розуміння зростання кристалічної речовини можна уявити як зведення цегляної будівлі. Якщо одна цегла незакінченої кладки уявити як складову частина кристала, то можна визначити, куди буде рости кристал. Властивості енергетики кристала такі, що покладений на першу цеглу буде відчувати тяжіння з однієї сторони - знизу. При укладанні на другий - з двох сторін, а на третій - з трьох. В процесі кристалізації-переході з рідкого стану в тверде-відбувається виділення енергії (теплоти плавлення). Для найбільшої міцності системи її можлива енергія повинна прагнути до мінімальної. Тому зростання кристалів відбувається шар за шаром. Спочатку буде добудований ряд площині, потім вся площину, і тільки тоді починає будуватися наступна.

Наука про кристали

Основний закон кристалографії - науки про кристали-говорить про те, що всі кути між різними площинами кристалічних граней завжди постійні і однакові. Як би не спотворювався зростаючий кристал, кути між його гранями зберігають одне і те ж значення, властиве даному виду. Незалежно від розміру, форми та числа, грані однієї площини кристала завжди перетинаються під однаковим заздалегідь визначеним кутом. Закон сталості кутів був відкритий М.В. Ломоносовим в 1669 році і зіграв велику роль у вивченні будови кристалів.

Анізотропія

Своєрідність процес формування кристалів обумовлено явищем анізотропії-розрізняються фізичними характеристиками в залежності від напрямку росту. Монокристали в різних напрямках по-різному проводять електрику, тепло і світло і мають неоднакову міцність.

Таким чином, один і той же хімічний елемент з однаковими атомами може утворювати різні кристалічні решітки. Наприклад, вуглець може кристалізуватися в алмаз і в графіт. При цьому алмаз є прикладом максимальної міцності серед мінералів, а графіт легко залишає свої лусочки при листі олівцем на папері.

Вимірювання кутів між гранями мінералів має велике практичне значення для визначення їх природи.

Основні властивості

Дізнавшись особливості будови кристалів, коротко можна описати їх основні властивості:

• Анізотропність-неоднаковість властивостей в різних напрямках.
• Однорідність-елементарні складові кристалів, однаково розташовані в просторі, мають однакові властивості.
• Здатність до самоогранке - будь-який уламок кристала в підходящої для його зростання середовищі прийме багатогранну форму і покриється відповідними даному виду кристалів гранями. Саме ця властивість дозволяє кристалу зберігати свою симетричність.
• Незмінність температури плавлення. Руйнування просторової решітки мінералу, тобто перехід кристалічної речовини з твердого стану в рідкий, завжди відбувається при одній і тій же температурі.

Кристали-тверді речовини, які прийняли природну форму симетричного багатогранника. Будова кристалів, що характеризується формуванням просторової решітки, послужило основою для розвитку у фізиці теорії електронної структури твердого тіла. Вивчення властивостей і будови мінералів має важливе практичне значення.