Når man ser på krystaller og edelstener, ønsker man å forstå hvordan denne mystiske skjønnheten kunne ha dukket opp, hvordan slike fantastiske naturverk skapes. Det er et ønske om å lære mer om deres eiendommer. Tross alt gjør den spesielle, ingensteds i naturen gjentakende strukturen til krystaller som gjør at de kan brukes over alt: fra smykker til de siste vitenskapelige og tekniske oppfinnelsene.
Studie av krystallinske mineraler
Strukturen og egenskapene til krystaller er så mangefasetterte at en egen vitenskap, mineralogi, er engasjert i studier og studier av disse fenomenene. Den berømte russiske akademikeren Alexander Evgenievich Fersman ble så absorbert og overrasket over mangfoldet og uendeligheten i krystallverdenen at han prøvde å fengsle så mange sinn som mulig med dette emnet. I sin bok Entertaining Mineralogy oppfordret han entusiastisk og varmt til å bli kjent med mineralenes hemmeligheter og stupe inn i edelstenenes verden:
Jeg vil virkelig ha degfange. Jeg vil at du skal begynne å interessere deg for fjell og steinbrudd, gruver og gruver, slik at du begynner å samle samlinger av mineraler, slik at du vil bli med oss fra byen lenger bort, til elveløpet, hvor det er er høye steinete bredder, til toppen av fjell eller til den steinete kysten, hvor stein brytes, sand utvinnes eller malm eksploderer. Der, over alt vil du og jeg finne noe å gjøre: og i døde steiner, sand og steiner vil vi lære å lese noen store naturlover som styrer hele verden og som hele verden er bygget etter.
Fysikk studerer krystaller, og argumenterer for at enhver virkelig solid kropp er en krystall. Kjemi undersøker den molekylære strukturen til krystaller, og kommer til den konklusjon at ethvert metall har en krystallinsk struktur.
Undersøkelsen av de fantastiske egenskapene til krystaller er av stor betydning for utviklingen av moderne vitenskap, teknologi, byggeindustrien og mange andre industrier.
Grunnleggende lover for krystaller
Det første folk legger merke til når de ser på en krystall er dens ideelle mangefasetterte form, men det er ikke hovedtrekket til et mineral eller metall.
Når en krystall brytes i små fragmenter, vil ingenting være igjen av den ideelle formen, men ethvert fragment, som før, vil forbli en krystall. Et særtrekk ved en krystall er ikke dens utseende, men de karakteristiske trekkene ved dens indre struktur.
symmetrisk
Det første du må huske og merke deg når du studerer krystaller er fenomenetsymmetri. Det er utbredt i hverdagen. Sommerfuglvinger er symmetriske, et avtrykk av en flekk på et stykke papir brettet i to. Symmetriske snøkrystaller. Det sekskantede snøfnugget har seks symmetriplan. Ved å bøye bildet langs en hvilken som helst linje som viser snøfnuggets symmetriplan, kan du kombinere dets to halvdeler med hverandre.
Symmetriaksen har en slik egenskap at ved å rotere en figur med en kjent vinkel rundt den, er det mulig å kombinere passende deler av figuren med hverandre. Avhengig av størrelsen på en passende vinkel som figuren skal roteres med, bestemmes akser av 2., 3., 4. og 6. orden i krystallene. I snøfnugg er det altså en enkelt symmetriakse av sjette orden, som er vinkelrett på tegneplanet.
Symmetrisenteret er et slikt punkt i figurens plan, i samme avstand som i motsatt retning er de samme strukturelle elementene i figuren.
Hva er inni?
Den indre strukturen til krystaller er en slags kombinasjon av molekyler og atomer i en rekkefølge som bare er særegen for krystaller. Hvordan vet de den indre strukturen til partikler hvis de ikke er synlige selv med et mikroskop?
Røntgenstråler brukes til dette. Ved å bruke dem til gjennomskinnelige krystaller, etablerte den tyske fysikeren M. Laue, de engelske fysikernes far og sønn Bragg, og den russiske professoren Yu. Wolf lovene som strukturen og strukturen til krystaller studeres i henhold til.
Alt var overraskende og uventet. Samokonseptet med strukturen til molekylet viste seg å være uanvendelig for materiens krystallinske tilstand.
For eksempel har et så kjent stoff som bords alt den kjemiske sammensetningen til NaCl-molekylet. Men i en krystall legger ikke individuelle atomer av klor og natrium seg sammen til separate molekyler, men danner en viss konfigurasjon som kalles et romlig eller krystallgitter. De minste partiklene av klor og natrium er elektrisk bundet. Krystallgitteret av s alt dannes som følger. En av valenselektronene til det ytre skallet av natriumatomet blir introdusert i det ytre skallet av kloratomet, som ikke er helt fylt på grunn av fraværet av det åttende elektronet i det tredje skallet av klor. I en krystall tilhører altså ikke hvert ion av både natrium og klor ett molekyl, men hele krystallen. På grunn av det faktum at kloratomet er monovalent, kan det bare feste ett elektron til seg selv. Men de strukturelle trekkene til krystallene fører til at kloratomet er omgitt av seks natriumatomer, og det er umulig å bestemme hvilket av dem som vil dele et elektron med klor.
Det viser seg at det kjemiske molekylet av bords alt og dets krystall ikke er det samme i det hele tatt. Hele enkeltkrystallen er som ett gigantisk molekyl.
Grill - bare modell
Feilen bør unngås når det romlige gitteret tas som en reell modell av krystallstrukturen. Gitter - et slags betinget bilde av et eksempel på koblingen av elementære partikler i strukturen til krystaller. Gitterkoblingspunkter i form av kulervisuelt lar deg avbilde atomer, og linjene som forbinder dem er et omtrentlig bilde av bindekreftene mellom dem.
I virkeligheten er gapene mellom atomer inne i en krystall mye mindre. Det er en tett pakking av dets bestanddeler. En ball er en konvensjonell betegnelse på et atom, hvis bruk gjør det mulig å reflektere egenskapene til tett pakking. I virkeligheten er det ikke en enkel kontakt mellom atomer, men deres gjensidige delvise overlapping med hverandre. Med andre ord, bildet av en kule i strukturen til krystallgitteret er, for klarhetens skyld, den avbildede sfæren med en slik radius som inneholder hoveddelen av atomets elektroner.
styrkeløfte
Det er en elektrisk tiltrekningskraft mellom to motsatt ladede ioner. Det er et bindemiddel i strukturen til ioniske krystaller som bords alt. Men hvis du bringer ionene veldig nærme, vil elektronbanene deres overlappe hverandre, og frastøtende krefter av like-ladede partikler vil dukke opp. Inne i krystallen er fordelingen av ioner slik at de frastøtende og attraktive kreftene er i balanse, og gir krystallinsk styrke. Denne strukturen er typisk for ioniske krystaller.
Og i krystallgitteret til diamant og grafitt er det en forbindelse av atomer ved hjelp av vanlige (kollektive) elektroner. Atomer med tett avstand har felles elektroner som kretser rundt kjernen til både ett og naboatomer.
En detaljert studie av teorien om krefter med slike bindinger er ganske vanskelig og ligger i feltet kvantemekanikk.
Metal Differences
Strukturen til metallkrystaller er mer kompleks. På grunn av det faktum at metallatomer enkelt donerer de tilgjengelige eksterne elektronene, kan de fritt bevege seg gjennom hele volumet av krystallen, og danner den såk alte elektrongassen inne i den. Takket være slike "vandrende" elektroner skapes krefter som sikrer styrken til metallblokken. Studiet av strukturen til ekte metallkrystaller viser at, avhengig av metoden for avkjøling av en metallblokk, kan den inneholde ufullkommenheter: overflate, punkt og lineær. Størrelsen på slike defekter overstiger ikke diameteren til flere atomer, men de forvrenger krystallgitteret og påvirker diffusjonsprosesser i metaller.
Crystal Growth
For en mer praktisk forståelse kan veksten av et krystallinsk stoff representeres som ereksjonen av en mursteinsstruktur. Hvis en murstein av et uferdig murverk presenteres som en integrert del av en krystall, er det mulig å bestemme hvor krystallen vil vokse. Energiegenskapene til krystallen er slik at mursteinen plassert på den første mursteinen vil oppleve tiltrekning fra den ene siden - nedenfra. Når du legger på den andre - fra to sider, og på den tredje - fra tre. I prosessen med krystallisering - overgangen fra flytende til fast tilstand - frigjøres energi (fusjonsvarme). For den største styrken til systemet, bør dets mulige energi ha en tendens til et minimum. Derfor skjer veksten av krystaller lag for lag. Først vil en rad av flyet fullføres, deretter hele flyet, og først da begynner det neste å bygges.
Science ofkrystaller
Krystallografiens grunnleggende lov - vitenskapen om krystaller - sier at alle vinkler mellom forskjellige plan av krystallflater alltid er konstante og like. Uansett hvor forvrengt en voksende krystall er, beholder vinklene mellom overflatene den samme verdien som ligger i denne typen. Uavhengig av størrelse, form og antall, skjærer flatene til det samme krystallplanet alltid i samme forhåndsbestemte vinkel. Loven om vinklers konstanthet ble oppdaget av M. V. Lomonosov i 1669 og spilte en stor rolle i studiet av strukturen til krystaller.
Anisotropy
Det særegne ved prosessen med krystalldannelse skyldes fenomenet anisotropi - forskjellige fysiske egenskaper avhengig av vekstretningen. Enkeltkrystaller leder elektrisitet, varme og lys ulikt i forskjellige retninger og har ulik styrke.
Dermed kan det samme kjemiske elementet med de samme atomene danne forskjellige krystallgitter. For eksempel kan karbon krystallisere til diamant og til grafitt. Samtidig er diamant et eksempel på maksimal styrke blant mineraler, og grafitt forlater lett skalaene når man skriver med blyant på papir.
Å måle vinklene mellom overflatene til mineraler er av stor praktisk betydning for å bestemme deres natur.
Grunnleggende funksjoner
Etter å ha lært de strukturelle egenskapene til krystaller, kan vi kort beskrive hovedegenskapene deres:
- Anisotropi - ujevne egenskaper i forskjellige retninger.
- Uniformitet - elementærbestanddelene i krystaller, med lik avstand, har de samme egenskapene.
- Evnen til selvskjæring - ethvert fragment av en krystall i et medium som er egnet for dens vekst vil ha en mangefasettert form og vil bli dekket med ansikter som tilsvarer denne typen krystaller. Det er denne egenskapen som lar krystallen opprettholde sin symmetri.
- Invariansen til smeltepunktet. Ødeleggelsen av det romlige gitteret til et mineral, det vil si overgangen til et krystallinsk stoff fra en fast til en flytende tilstand, skjer alltid ved samme temperatur.
Krystaller er faste stoffer som har fått den naturlige formen til et symmetrisk polyeder. Strukturen til krystaller, preget av dannelsen av et romlig gitter, tjente som grunnlag for utviklingen i fysikk av teorien om den elektroniske strukturen til et fast stoff. Studiet av mineralers egenskaper og struktur er av stor praktisk betydning.
