Каким кристаллическим строением и свойствами будут обладать
Всем специалистам в области кристаллографии или физики твердого тела совершенно ясно, что в случае кристалла мы имеем дело с упорядоченным расположением в пространстве атомов или ионов. В некоторых случаях, например в кристаллах льда или отвержденных газов, речь может идти о молекулах. Для краткости далее будем говорить только об атомах, в том числе ионизированных (ионах), если не оговаривается что-нибудь другое.
Итак, кристалл — это упорядоченная в пространстве система атомов. Они расположены правильным образом и чаще всего так, чтобы максимально плотно заполнить объем пространства. Попытавшись расположить вплотную друг к другу стальные шарики от шарикоподшипника, мы получим вполне приличную модель кристаллического строения и быстро убедимся, что число способов, которыми можно разместить шарики, ограничено. В зависимости от того, как расположены относительно друг друга атомные ряды и атомные плоскости, могут быть получены разные типы кристаллов. В свою очередь тип расположения атомов определяется их взаимодействием между собой, природой связи между частицами.
Аккуратное разламывание кристаллов приводит к появлению необычных структур с интересными свойствами. Сначала появляются крупные области с положительным или отрицательным поверхностным зарядом, создающие мощное электрическое поле, а затем они переходят в лабиринты шириной всего в несколько атомов.
Многие свойства ионных кристаллов обусловлены их структурой на атомарном масштабе: положительно и отрицательно заряженные атомы притягиваются друг к другу и образуют прочную периодическую решетку. Однако на поверхности кристалла заряды должны быть скомпенсированы. «Если расщепить кристалл с кубической решеткой вдоль определенных направлений, то можно получить заряды только одного типа, — поясняет один из авторов работы Ульрих Дибольд из Венского университета. — Такая конфигурация крайне нестабильна». Потенциально такой слой мог бы на крошечном образце создавать поле с напряжением в миллионы вольт. Такую ситуацию ученые называют «поляризационной катастрофой».
В новом исследовании физики пытались понять, как именно атомы реорганизуются, чтобы не допустить поляризационной катастрофы. «Поверхность может по-разному измениться в ответ на разлом, — говорит первый автор статьи Мартин Сетвин. — Электроны могут начать накапливаться в определенных местах, кристаллическая решетка может исказиться или молекулы из воздуха могут налипнуть на поверхность, меняя ее свойства».
Ученые раскалывали кристаллы танталата калия KTaO3 при низких температурах и получали сколы, при которых половина атомов из слоя с одинаковыми зарядами оставалось на одном обломке, а вторая — на другом. Области с ионами одинакового заряда формировали «островки», хотя в среднем поверхность оказывалась нейтральной. «Тем не менее, островки достаточно велики, поэтому поляризационной катастрофы не удается полностью избежать — создаваемое ими поле настолько велико, что оно меняет свойства нижележащих слоев», — рассказал Сетвин.
При небольшом повышении температуры островки распались на лабиринт из ломаных линий, причем его «стены» были высотой всего в один атом и шириной в 4-5 атомов.
«Лабиритнообразные структуры не только прекрасны, но и потенциально полезны, — подытожил Дибольд. — Этот как раз то, что нужно — сильные электрические поля на атомном масштабе». Одним из возможных применений авторы называют проведение химических реакций, которые не проходят в других условиях, например, расщепление воды для получения водорода.
Основные свойства кристаллов – анизотропность, однородность, способность к самоогоранению и наличие постоянной температуры плавления определяются их внутренним строением.
Анизотропность
Это свойство называется еще неравносвойственностью. Выражается она в том, что физические свойства кристаллов (твердость, прочность, теплопроводность, электропроводность, скорость распространения света) неодинаковы по разным направлениям. Частицы, образующие кристаллическую структуру по непараллельным направлениям, отстоят друг от друга на разных расстояниях, вследствие чего и свойства кристаллического вещества по таким направлениям должны быть различными. Характерным примером вещества с ярко выраженной анизотропностью является слюда. Кристаллические пластинки этого минерала легко расщепляются лишь по плоскостям, параллельным его пластинчастости. В поперечных же направлениях расщепить пластинки слюды значительно труднее.
Анизотропность проявляется и в том, что при воздействии на кристалл какого-либо растворителя скорость химических реакций различна по различным направлениям. В результате каждый кристалл при растворении приобретает свои характерные формы, носящие название фигур вытравливания.
Аморфные вещества характеризуются изотропностью (равносвойственностью) – физические свойства по всем направлениям проявляются одинаково.
Однородность
Выражается в том, что любые элементарные объемы кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, массу, твердость и т.д. таким образом, всякий кристалл есть однородное, но в то же время и анизотропное тело.
Однородность присуща не только кристаллическим телам. Твердые аморфные образования также могут быть однородными. Но аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму.
Способность к самоогранению
Способность к самоогранению выражается в том, что любой обломок или выточенный из кристалла шарик в соответствующей для его роста среде с течением времени покрывается характерными для данного кристалла гранями. Эта особенность связана с кристаллической структурой. Стеклянный же шарик, например, такой особенностью не обладает.
Кристаллы одного и того же вещества могут отличаться друг от друга своей величиной, числом граней, ребер и формой граней. Это зависит от условий образования кристалла. При неравномерном росте кристаллы получаются сплющенными, вытянутыми и т.д. Неизменными остаются углы между соответственными гранями растущего кристалла. Эта особенность кристаллов известна как закон постоянства гранных углов. При этом величина и форма граней у различных кристаллов одного и того же вещества, расстояние между ними и даже их число могут меняться, но углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и того же вещества остаются постоянными при одинаковых условиях давления и температуры.
Закон постоянства гранных углов было установлен в конце XVII века датским ученым Стено (1699) на кристаллах железного блеска и горного хрусталя, впоследствии этот закон был подтвержден М.В. Ломоносовым (1749) и французским ученым Роме де Лиллем (1783). Закон постоянства гранных углов получил название первого закона кристаллографии.
Закон постоянства гранных углов объясняется тем, что все кристаллы одного вещества тождественны по внутреннему строению, т.е. имеют одну и ту же структуру.
Согласно этому закону кристаллы определенного вещества характеризуются своими определенными углами. Поэтому измерением углов можно доказать принадлежность исследуемого кристалла к тому или иному веществу. На этом основан один из методов диагностики кристаллов.
Для измерения у кристаллов двугранных углов были изобретены специальные приборы – гониометры.
Постоянная температура плавления
Выражается в том, что при нагревании кристаллического тела температура повышается до определенного предела; при дальнейшем же нагревании вещество начинает плавиться, а температура некоторое время остается постоянной, так как все тепло идет на разрушение кристаллической решетки. Температура, при которой начинается плавление, называется температурой плавления.
Аморфные вещества в отличие от кристаллических не имеют четко выраженной температуры плавления. На кривых охлаждения (или нагревания) кристаллических и аморфных веществ, можно видеть, что в первом случае имеются два резких перегиба, соответствующие началу и концу кристаллизации; в случае же охлаждения аморфного вещества мы имеем плавную кривую. По этому признаку легко отличить кристаллические вещества от аморфных.
Прочность кристаллов
Проблема прочности кристаллов была и остается одной из самых важных в современных технике. Дело в том, что широко используемые конструкционные материалы в большей части представляют собой сплавы железа (сталь), алюминия (силумин, дюралюминий), меди (латунь, бронза) и некоторых других металлов, и все они имеют кристаллическое строение. В случае металлов мы редко имеем дело с такими правильными и красивыми кристаллами, о которых шла речь раньше. Металлические сплавы имеют так называемое поликристаллическое строение, то есть состоят из отдельных зерен — кристаллов, несколько развернутых друг относительно друга.
Шаг за шагом человек переходил от менее прочного материала к более прочному, это вело к совершенствованию всей используемой техники и расширению ее возможностей. Сейчас в борьбе за прочность счет идет уже только на проценты; из технических материалов выжато практически все, что можно, и каждый последующий шаг дается со все большим трудом.
Лет двадцать назад казалось, что если научиться выращивать бездефектные кристаллы большого размера, то проблема прочности будет полностью решена, а расход металла в сотни раз сократится. К сожалению, эти надежды не сбылись. Вырастить идеальный кристалл большого размера или очень дорого, или невозможно. Только в таких областях, как радиоэлектроника, это можно себе позволить. Например, полупроводниковые кристаллы Ge и Si выращиваются практически бездефектными. Такими же являются и рубиновые кристаллы для лазеров. Что же касается конструкционных материалов, то здесь пока приходится достигать высоких значений прочности, идя традиционным путем.
И еще одно важное заключение. Оказывается, что многие физические свойства кристаллов, в первую очередь их прочность, определяются не идеальной кристаллической решеткой, а отклонениями от идеальности — дефектной структурой. Умелое использование таких пороков кристалла позволяет управлять его свойствами и приспосабливать их к разнообразным требованиям современной техники. Для физика или инженера дефекты являются очень важной составной частью кристалла, без которой он практически не может существовать. Но тема дефектов в кристаллах заслуживает более глубокого и всестороннего обсуждения, чем то, которое возможно в этой статье.
[источники]
Источники:
https://www.geolib.net/crystallography/vazhneyshie-svoystva-kristallov.html
https://indicator.ru/news/2018/02/02/labirinty-na-skolah-kristallov/?utm_source=indivk&utm_medium=social&utm_campaign=eta-zamyslovataya-struktura—ne-rezulta
https://biofile.ru/geo/3307.html
Это копия статьи, находящейся по адресу https://masterokblog.ru/?p=2285.
Источник
При взгляде на кристаллы и изделия из самоцветов хочется понять, как могла появиться эта загадочная красота, каким образом создаются такие удивительные произведения природы. Появляется желание больше узнать об их свойствах. Ведь особенное, нигде в природе не повторяющееся строение кристаллов позволяет использовать их повсеместно: от ювелирных украшений до новейших научных и технических изобретений.
Изучение кристаллических минералов
Строение и свойства кристаллов столь многогранны, что изучением и исследованием этих явлений занимается отдельная наука – минералогия. Знаменитый российский академик Александр Евгеньевич Ферсман настолько был поглощен и удивлен разнообразием и безграничностью мира кристаллов, что стремился увлечь как можно больше умов этой темой. В своей книге «Занимательная минералогия» он с энтузиазмом и теплотой призывал познакомиться с тайнами минералов и окунуться в мир самоцветов:
Я очень хочу вас увлечь. Хочу, чтобы вы начали интересоваться горами и каменоломнями, рудниками и копями, чтобы вы начали собирать коллекции минералов, чтобы вы захотели отправиться вместе с нами из города подальше, к течению реки, где высокие каменистые берега, к вершинам гор или к скалистому берегу моря, туда, где ломают камень, добывают песок или взрывают руду. Там всюду мы с вами найдем, чем заняться: и в мертвых скалах, песках и камнях мы с вами научимся читать какие-то великие законы природы, которые управляют всем миром и по которым построен весь мир.
Изучением кристаллов занимается физика, утверждая, что всякое действительно твердое тело является кристаллом. Химия исследует молекулярное строение кристаллов, приходя к выводу, что любой металл имеет кристаллическое строение.
Изучение удивительных свойств кристаллов имеет огромное значение для развития современных науки, техники, строительной промышленности и многих других отраслей.
Основные законы кристаллов
Первое, на что обращают внимание при взгляде на кристалл – это идеальная многогранная форма, но не она является главной особенностью минерала или металла.
При разбивании кристалла на маленькие осколки от идеальной формы ничего не останется, но при этом любой осколок, как и прежде, будет оставаться кристаллом. Отличительной чертой кристалла является не его внешний вид, а характерные черты его внутреннего строения.
Симметричность
Первое, что стоит вспомнить и отметить при изучении кристаллов – это явление симметрии. Оно широко распространено в окружающей повседневной жизни. Симметричны крылья бабочки, отпечаток кляксы на листе бумаги, согнутом пополам. Симметричны снежные кристаллы. Шестиугольная снежинка имеет шесть плоскостей симметрии. Сгибая рисунок по любой линии, изображающей плоскость симметрии снежинки, можно совместить друг с другом две ее половины.
Ось симметрии обладает таким свойством, что, поворачивая фигуру на некоторый известный угол вокруг нее, можно совместить между собой подходящие части фигуры. В зависимости от размера подходящего угла, на который нужно повернуть фигуру, в кристаллах определяют оси 2-го, 3-го, 4-го и 6-го порядка. Таким образом, в снежинках наблюдается единственная ось симметрии шестого порядка, которая является перпендикулярной к чертежной плоскости.
Центром симметрии считается такая точка в плоскости фигуры, на одинаковом расстоянии от которой в противоположном направлении находятся одинаковые элементы строения фигуры.
А что внутри?
Внутреннее строение кристаллов – это своеобразное соединение молекул и атомов в свойственном только кристаллам порядке. Каким образом узнают внутреннее строение частиц, если они не видимы даже в микроскоп?
Для этого используются рентгеновские лучи. Применяя их для просвечивания кристаллов, немецкий физик М. Лауэ, английские физики отец и сын Брэгг, российский профессор Ю. Вульф установили законы, согласно которым изучается структура и строение кристаллов.
Все оказалось удивительно и неожиданно. Само представление о строении молекулы оказалось неприменимым к кристаллическому состоянию вещества.
Например, такое известное всем вещество, как поваренная соль, имеет химический состав молекулы NaCl. Но в кристалле отдельные атомы хлора и натрия не складываются в отдельные молекулы, а образуют определенную конфигурацию, называемую пространственной или кристаллической решеткой. Мельчайшие частицы хлора и натрия имеют электрическую связь. Кристаллическая решетка соли складывается следующим образом. Один из валентных электронов внешней оболочки атома натрия внедряется во внешнюю оболочку атома хлора, которая не полностью заполнена из-за отсутствия в третьей оболочке хлора восьмого электрона. Таким образом, в кристалле каждый ион как натрия, так и хлора принадлежат не одной молекуле, а всему кристаллу. Из-за того, что атом хлора одновалентен, он может присоединить к себе только один электрон. Но особенности строения кристаллов приводят к тому, что атом хлора окружен шестью атомами натрия, и невозможно определить, какой из них поделится с хлором электроном.
Получается, что химическая молекула поваренной соли и ее кристалл – совсем не одно и то же. Весь монокристалл – это как бы одна гигантская молекула.
Решетка – только модель
Следует избегать ошибки, когда пространственную решетку принимают за действительную модель кристаллического строения. Решетка – своеобразное условное изображение примера соединения элементарных частиц в строении кристаллов. Места соединения решетки в виде шариков наглядно позволяют изобразить атомы, а линии, их соединяющие – это примерное изображение связующих сил между ними.
В реальности промежутки между атомами внутри кристалла гораздо меньше. Он является плотной упаковкой составляющих его частиц. Шарик – условное обозначение атома, использование которого позволяет удачно отразить свойства плотной упаковки. В реальности имеет место не простое соприкосновение атомов, а взаимное их частичное перекрывание друг другом. Иными словами, изображение шара в строении кристаллической решетки – это для наглядности изображенная сфера такого радиуса, которая вмещает основную часть электронов атома.
Залог прочности
Между двумя противоположно заряженными ионами возникает электрическая сила притяжения. Она является связующей в строении ионных кристаллов, таких как поваренная соль. Но если сильно приблизить ионы, то их электронные орбиты станут перекрывать друг друга, появятся отталкивающие силы одноименно заряженных частиц. Внутри кристалла распределение ионов таково, что отталкивающие и притягивающие силы находятся в равновесии, обеспечивая кристаллическую прочность. Такое строение характерно для ионных кристаллов.
А в кристаллических решетках алмаза и графита имеет место соединение атомов с помощью общих (коллективных) электронов. У близко расположенных атомов имеются общие электроны, которые вращаются вокруг ядра как одного, так и соседнего атомов.
Детальное изучение теории сил при таких связях довольно сложно и лежит в области квантовой механики.
Отличия металлов
Строение кристаллов металлов более сложно. В связи с тем, что атомы металла легко отдают имеющиеся внешние электроны, они могут свободно перемещаться по всему объему кристалла, образуя внутри него так называемый электронный газ. Благодаря таким «блуждающим» электронам создаются силы, обеспечивающие прочность металлического слитка. Изучение строения реальных кристаллов металла показывает, что в зависимости от способа охлаждения металлического слитка в нем могут иметься несовершенства: поверхностные, точечные и линейные. Размеры таких дефектов не превышают диаметр нескольких атомов, но они искажают кристаллическую решетку и влияют на диффузионные процессы в металлах.
Рост кристалла
Для более удобного понимания рост кристаллического вещества можно представить как возведение кирпичного строения. Если один кирпич незаконченной кладки представить как составную часть кристалла, то можно определить, куда будет расти кристалл. Свойства энергетики кристалла таковы, что положенный на первый кирпич будет испытывать притяжение с одной стороны – снизу. При укладке на второй – с двух сторон, а на третий – с трех. В процессе кристаллизации – переходе из жидкого состояния в твердое – происходит выделение энергии (теплоты плавления). Для наибольшей прочности системы ее возможная энергия должна стремиться к минимальной. Поэтому рост кристаллов происходит слой за слоем. Сначала будет достроен ряд плоскости, затем вся плоскость, и только тогда начинает строиться следующая.
Наука о кристаллах
Основной закон кристаллографии – науки о кристаллах – говорит о том, что все углы между различными плоскостями кристаллических граней всегда постоянны и одинаковы. Как бы ни искажался растущий кристалл, углы между его гранями сохраняют одно и то же значение, присущее данному виду. Независимо от размера, формы и числа, грани одной плоскости кристалла всегда пересекаются под одинаковым предопределенным углом. Закон постоянства углов был открыт М.В. Ломоносовым в 1669 году и сыграл большую роль в изучении строения кристаллов.
Анизотропия
Своеобразие процесса формирования кристаллов обусловлено явлением анизотропии – различающимися физическими характеристиками в зависимости от направления роста. Монокристаллы в разных направлениях по-разному проводят электричество, тепло и свет и имеют неодинаковую прочность.
Таким образом, один и тот же химический элемент с одинаковыми атомами может образовывать различные кристаллические решетки. Например, углерод может кристаллизоваться в алмаз и в графит. При этом алмаз является примером максимальной прочности среди минералов, а графит легко оставляет свои чешуйки при письме карандашом на бумаге.
Измерение углов между гранями минералов имеет большое практическое значение для определения их природы.
Основные свойства
Узнав особенности строения кристаллов, кратко можно описать их основные свойства:
- Анизотропность – неодинаковость свойств в разных направлениях.
- Однородность – элементарные составляющие кристаллов, одинаково расположенные в пространстве, имеют одинаковые свойства.
- Способность к самоогранке – любой обломок кристалла в подходящей для его роста среде примет многогранную форму и покроется соответствующими данному виду кристаллов гранями. Именно это свойство позволяет кристаллу сохранять свою симметричность.
- Неизменность температуры плавления. Разрушение пространственной решетки минерала, то есть переход кристаллического вещества из твердого состояния в жидкое, всегда происходит при одной и той же температуре.
Кристаллы – твердые вещества, принявшие естественную форму симметричного многогранника. Строение кристаллов, характеризующееся формированием пространственной решетки, послужило основой для развития в физике теории электронной структуры твердого тела. Изучение свойств и строения минералов имеет важное практическое значение.
Источник