När man tittar på kristaller och ädelstenar vill man förstå hur denna mystiska skönhet kunde ha framstått, hur sådana fantastiska naturverk skapas. Det finns en önskan att lära sig mer om deras fastigheter. Trots allt tillåter den speciella, ingenstans i naturen återkommande strukturen hos kristaller att de kan användas överallt: från smycken till de senaste vetenskapliga och tekniska uppfinningarna.
Studier av kristallina mineraler
Kristallernas struktur och egenskaper är så mångfacetterade att en separat vetenskap, mineralogi, är engagerad i studier och studier av dessa fenomen. Den berömda ryske akademikern Alexander Evgenievich Fersman var så absorberad och överraskad av mångfalden och oändligheten i kristallvärlden att han försökte fängsla så många sinnen som möjligt med detta ämne. I sin bok Entertaining Mineralogy uppmanade han entusiastiskt och varmt att bekanta sig med mineralernas hemligheter och kasta sig in i ädelstenarnas värld:
Jag vill verkligen ha digfängsla. Jag vill att du börjar intressera dig för berg och stenbrott, gruvor och gruvor, så att du börjar samla samlingar av mineraler, så att du vill följa med oss från staden längre bort, till flodens lopp, där det finns är höga steniga banker, till toppen av berg eller till den steniga stranden, där sten bryts, sand bryts eller malm exploderar. Där, överallt kommer du och jag att hitta något att göra: och i döda klippor, sandar och stenar kommer vi att lära oss att läsa några stora naturlagar som styr hela världen och enligt vilka hela världen är byggd.
Fysik studerar kristaller och argumenterar för att alla riktigt solida kroppar är en kristall. Kemi undersöker den molekylära strukturen hos kristaller och kommer till slutsatsen att vilken metall som helst har en kristallin struktur.
Studeringen av kristallers fantastiska egenskaper är av stor betydelse för utvecklingen av modern vetenskap, teknik, byggindustrin och många andra industrier.
Kristallernas grundläggande lagar
Det första folk lägger märke till när de tittar på en kristall är dess idealiska mångfacetterade form, men det är inte huvuddraget hos ett mineral eller en metall.
När en kristall bryts i små fragment, kommer ingenting att finnas kvar av den ideala formen, men vilket fragment som helst, som tidigare, kommer att förbli en kristall. Ett utmärkande drag för en kristall är inte dess utseende, utan de karakteristiska egenskaperna hos dess inre struktur.
Symmetrisk
Det första att komma ihåg och notera när man studerar kristaller är fenomenetsymmetri. Det är utbrett i vardagen. Fjärilsvingar är symmetriska, ett avtryck av en fläck på ett papper vikt på mitten. Symmetriska snökristaller. Den sexkantiga snöflingan har sex symmetriplan. Genom att böja bilden längs vilken linje som helst som visar snöflingans symmetriplan kan du kombinera dess två halvor med varandra.
Symmetriaxeln har en sådan egenskap att det, genom att rotera en figur med någon känd vinkel runt den, är möjligt att kombinera lämpliga delar av figuren med varandra. Beroende på storleken på en lämplig vinkel med vilken figuren behöver roteras, bestäms axlar av 2:a, 3:e, 4:e och 6:e ordningen i kristallerna. I snöflingor finns det alltså en enda symmetriaxel av sjätte ordningen, som är vinkelrät mot ritningsplanet.
Symmetricentrum är en sådan punkt i figurens plan, på samma avstånd från vilken i motsatt riktning finns samma strukturella element i figuren.
Vad finns inuti?
Den inre strukturen hos kristaller är en slags kombination av molekyler och atomer i en ordning som bara är speciell för kristaller. Hur vet de partiklarnas inre struktur om de inte är synliga ens med ett mikroskop?
Röntgenstrålar används för detta. Genom att använda dem till genomskinliga kristaller fastställde den tyske fysikern M. Laue, de engelska fysikernas far och son Bragg och den ryske professorn Yu. Wolf de lagar enligt vilka strukturen och strukturen hos kristaller studeras.
Allt var överraskande och oväntat. Samokonceptet med molekylens struktur visade sig vara otillämpligt på materiens kristallina tillstånd.
Ett så välkänt ämne som bordss alt har till exempel den kemiska sammansättningen av NaCl-molekylen. Men i en kristall sammanfogar inte enskilda atomer av klor och natrium till separata molekyler, utan bildar en viss konfiguration som kallas ett rumsligt eller kristallgitter. De minsta partiklarna av klor och natrium är elektriskt bundna. Kristallgittret av s alt bildas enligt följande. En av valenselektronerna i det yttre skalet av natriumatomen införs i det yttre skalet av kloratomen, som inte är helt fyllt på grund av frånvaron av den åttonde elektronen i det tredje skalet av klor. I en kristall hör alltså varje jon av både natrium och klor inte till en molekyl, utan till hela kristallen. På grund av det faktum att kloratomen är envärd kan den bara fästa en elektron till sig själv. Men de strukturella egenskaperna hos kristallerna leder till att kloratomen är omgiven av sex natriumatomer, och det är omöjligt att avgöra vilken av dem som kommer att dela en elektron med klor.
Det visar sig att den kemiska molekylen av bordss alt och dess kristall inte alls är samma sak. Hela enkristallen är som en gigantisk molekyl.
Grill - endast modell
Felet bör undvikas när det rumsliga gittret tas som en riktig modell av kristallstrukturen. Gitter - en slags villkorlig bild av ett exempel på anslutningen av elementära partiklar i strukturen av kristaller. Gridanslutningspunkter i form av kulorvisuellt låter dig avbilda atomer, och linjerna som förbinder dem är en ungefärlig bild av bindningskrafterna mellan dem.
I verkligheten är gapen mellan atomer inuti en kristall mycket mindre. Det är en tät packning av dess ingående partiklar. En boll är en konventionell beteckning för en atom, vars användning gör det möjligt att framgångsrikt återspegla egenskaperna hos tät packning. I verkligheten finns det inte en enkel kontakt mellan atomer, utan deras ömsesidiga partiella överlappning med varandra. Med andra ord, bilden av en kula i strukturen av kristallgittret är för tydlighetens skull den avbildade sfären med en sådan radie som innehåller huvuddelen av atomens elektroner.
styrkelöfte
Det finns en elektrisk attraktionskraft mellan två motsatt laddade joner. Det är ett bindemedel i strukturen av joniska kristaller som bordss alt. Men om du för jonerna väldigt nära, kommer deras elektronbanor att överlappa varandra, och frånstötande krafter av lika laddade partiklar kommer att uppstå. Inuti kristallen är fördelningen av joner sådan att de frånstötande och attraktionskrafterna är i balans, vilket ger kristallin styrka. Denna struktur är typisk för jonkristaller.
Och i kristallgittren av diamant och grafit finns en koppling av atomer med hjälp av vanliga (kollektiva) elektroner. Nära åtskilda atomer har gemensamma elektroner som kretsar kring kärnan av både en och närliggande atomer.
En detaljerad studie av teorin om krafter med sådana bindningar är ganska svår och ligger inom området kvantmekanik.
Metal Differences
Strukturen av metallkristaller är mer komplex. På grund av det faktum att metallatomer lätt donerar de tillgängliga externa elektronerna, kan de fritt röra sig genom hela kristallens volym och bilda den så kallade elektrongasen inuti den. Tack vare sådana "vandrande" elektroner skapas krafter som säkerställer styrkan hos metallgötet. Studiet av strukturen hos riktiga metallkristaller visar att det, beroende på metoden för att kyla ett metallgöt, kan innehålla brister: yta, punkt och linjär. Storleken på sådana defekter överstiger inte diametern på flera atomer, men de förvränger kristallgittret och påverkar diffusionsprocesser i metaller.
Crystal Growth
För en mer bekväm förståelse kan tillväxten av en kristallin substans representeras som uppförandet av en tegelstruktur. Om en tegelsten av ett ofärdigt murverk presenteras som en integrerad del av en kristall, är det möjligt att bestämma var kristallen kommer att växa. Kristallens energiegenskaper är sådana att tegelstenen som placeras på den första tegelstenen kommer att uppleva attraktion från ena sidan - underifrån. När du lägger på den andra - från två sidor och på den tredje - från tre. I kristallisationsprocessen - övergången från flytande till fast tillstånd - frigörs energi (fusionsvärme). För största möjliga styrka av systemet bör dess möjliga energi tendera till ett minimum. Därför sker tillväxten av kristaller lager för lager. Först kommer en rad av planet att färdigställas, sedan hela planet, och först därefter kommer nästa att börja byggas.
Science ofkristaller
Kristallografins grundläggande lag - vetenskapen om kristaller - säger att alla vinklar mellan olika plan av kristallytor alltid är konstanta och lika. Oavsett hur förvrängd en växande kristall är, behåller vinklarna mellan dess ytor samma värde som är inneboende i denna typ. Oavsett storlek, form och antal, skär ytorna på samma kristallplan alltid i samma förutbestämda vinkel. Lagen om vinklarnas beständighet upptäcktes av M. V. Lomonosov 1669 och spelade en stor roll i studiet av kristallernas struktur.
Anisotropy
Det speciella med kristallbildningsprocessen beror på fenomenet anisotropi - olika fysiska egenskaper beroende på tillväxtriktningen. Enkristaller leder elektricitet, värme och ljus olika i olika riktningar och har olika styrka.
Samma kemiska grundämne med samma atomer kan alltså bilda olika kristallgitter. Till exempel kan kol kristallisera till diamant och till grafit. Samtidigt är diamant ett exempel på den maximala styrkan bland mineraler, och grafit lämnar lätt sina fjäll när man skriver med en penna på papper.
Att mäta vinklarna mellan ytorna på mineraler är av stor praktisk betydelse för att bestämma deras natur.
Grundläggande funktioner
Efter att ha lärt oss de strukturella egenskaperna hos kristaller kan vi kort beskriva deras huvudsakliga egenskaper:
- Anisotropi - ojämna egenskaper i olika riktningar.
- Enhetlighet - elementärbeståndsdelarna i kristaller, jämnt fördelade, har samma egenskaper.
- Förmågan till självskärning - alla fragment av en kristall i ett medium som är lämpligt för dess tillväxt kommer att få en mångfacetterad form och kommer att täckas med ytor som motsvarar denna typ av kristaller. Det är denna egenskap som gör att kristallen kan behålla sin symmetri.
- Smältpunktens invarians. Förstörelsen av ett minerals rumsliga gitter, det vill säga övergången av ett kristallint ämne från ett fast till ett flytande tillstånd, sker alltid vid samma temperatur.
Kristaller är fasta ämnen som har antagit den naturliga formen av en symmetrisk polyeder. Strukturen av kristaller, kännetecknad av bildandet av ett rumsligt gitter, fungerade som grunden för utvecklingen i fysiken av teorin om den elektroniska strukturen hos ett fast ämne. Studiet av minerals egenskaper och struktur är av stor praktisk betydelse.
