Struktura kryształu: cechy i właściwości fizyczne

Patrząc na kryształy i kamienie szlachetne zastanawiasz się, jak ten tajemniczy uroda, jak powstają takie niesamowite dzieła natury. Chęć dowiedzenia się więcej o swoich nieruchomościach. W końcu osobliwa, nigdzie w przyrodzie nie powtarzalna struktura kryształów pozwala na ich wykorzystanie wszędzie: od biżuterii po najnowsze wynalazki naukowe i techniczne.

Badanie minerałów krystalicznych

Struktura i właściwości kryształów są tak wszechstronne, że powstała cała nowa nauka poświęcona badaniu tych zjawisk - mineralogia. Słynny rosyjski naukowiec Aleksander Evgenievich Fersman był tak pochłonięty i zdumiony różnorodnością i bezkresem świata kryształów, że starał się zaangażować w ten temat jak najwięcej umysłów. W swojej książce "Mineralogia rozrywkowa" z entuzjazmem i ciepłem zachęca do zgłębiania tajemnic minerałów i zanurzenia się w świat klejnotów:

Naprawdę chcę, żebyś był zafascynowany. Chcę, abyście zainteresowali się górami i kamieniołomami, kopalniami i kopalniami; chcę, abyście zaczęli zbierać kolekcje minerałów; chcę, abyście chcieli wyruszyć z nami z miasta, w dół rzeki z jej wysokimi skalistymi brzegami, na szczyty górskie lub skaliste wybrzeże, do miejsc, gdzie kruszy się skały, wydobywa piasek lub eksploduje rudy. Znajdziemy tam coś do roboty: w martwych skałach, piaskach i kamieniach nauczymy się odczytywać jakieś wielkie prawa natury, które rządzą całym światem i dzięki którym cały świat jest zbudowany.

Badanie kryształów jest nauką fizyki, twierdząc, że każde prawdziwie stałe ciało jest kryształem. Chemia bada strukturę molekularną kryształów, dochodząc do wniosku, że każdy metal ma strukturę krystaliczną.

Badania nad niesamowitymi właściwościami kryształów mają ogromne znaczenie dla rozwoju współczesnej nauki, techniki, budownictwa i wielu innych branż.

Podstawowe prawa kryształów

Pierwszą rzeczą, którą zauważasz patrząc na kryształ jest jego doskonały wielokątny kształt, ale nie jest to główna cecha minerału lub metalu.

kiedy kryształ jest rozbity na małe fragmenty, nic nie pozostaje z jego idealnej formy, ale każdy fragment nadal będzie kryształem. Cechą charakterystyczną kryształu nie jest jego wygląd zewnętrzny, ale raczej to, jak wygląda charakterystyka jego struktura wewnętrzna.

Symetria

Pierwszą rzeczą, o której warto pamiętać i na którą warto zwrócić uwagę przy badaniu kryształów jest zjawisko symetrii. Jest powszechna w codziennym życiu wokół nas. Symetryczne są skrzydła motyla, odcisk plamy na złożonej na pół kartce papieru. kryształy śniegu są symetryczne. Sześciokątny płatek śniegu ma sześć płaszczyzn symetrii. Poprzez wygięcie rysunku wzdłuż dowolnej linii reprezentującej płaszczyznę symetrii płatka śniegu można wyrównać jego dwie połówki względem siebie.

Oś symetrii ma tę własność, że obracając figurę o pewien znany kąt wokół niej, można odpowiednie części figury ustawić względem siebie. W zależności od wielkości odpowiedniego kąta, o który ma być obrócona figura, w kryształach wyznacza się osie 2, 3, 4 i 6 rzędu. W płatkach śniegu występuje więc jedna oś symetrii szóstego rzędu, która jest prostopadła do płaszczyzny rysunku.

Środek symetrii to punkt w płaszczyźnie figury, w równej odległości od którego znajdują się identyczne elementy konstrukcyjne figury w kierunku przeciwnym.

A to, co jest w środku?

Struktura wewnętrzna kryształu to połączenie cząsteczek i atomów w osobliwym porządku, charakterystycznym tylko dla kryształów. Jak można poznać wewnętrzną strukturę cząsteczek, skoro nie są one widoczne nawet pod mikroskopem??

W tym celu wykorzystuje się zdjęcia rentgenowskie. Niemiecki fizyk, M. H. Hoffmann, wykorzystał je do prześwietlania kryształów. Laue, angielscy fizycy ojciec i syn Bragg, rosyjski profesor Yu. Wolfe ustanowił prawa, według których bada się budowę i strukturę kryształów.

Wszystko okazało się zaskakujące i niespodziewane. Samo pojęcie struktury molekularnej okazało się nie mieć zastosowania do krystalicznego stanu materii.

Na przykład znana wszystkim substancja, jak sól kuchenna, ma skład chemiczny cząsteczki NaCl. Jednak w krysztale poszczególne atomy chloru i sodu nie składają się w osobne cząsteczki, ale tworzą szczególną konfigurację zwaną siatką przestrzenną lub krystaliczną. Małe cząsteczki chloru i sodu są elektrycznie połączone. Siatka krystaliczna soli składa się w następujący sposób. Jeden z elektronów walencyjnych zewnętrznej powłoki atomu sodu jest osadzony w zewnętrznej powłoce atomu chloru, która nie jest całkowicie wypełniona, ze względu na brak ósmego elektronu w trzeciej powłoce chloru. Tak więc w krysztale każdy jon zarówno sodu jak i chloru nie należy do jednej cząsteczki, ale do całego kryształu. Ponieważ atom chloru jest jednowartościowy, może on przyłączyć do siebie tylko jeden elektron. Ale osobliwości struktury kryształu prowadzą do tego, że atom chloru jest otoczony przez sześć atomów sodu i nie da się ustalić, który z nich będzie dzielił elektron z chlorem.

Okazuje się, że cząsteczka chemiczna soli kuchennej i jej kryształ to nie to samo. Cały monokryształ.. to jak jedną gigantyczną cząsteczkę.

kratownica - tylko model

Należy unikać błędu polegającego na myleniu siatki przestrzennej z poprawnym modelem struktury krystalicznej. Sieć jest rodzajem umownej reprezentacji przykładu sprzężenia cząstek elementarnych w strukturze kryształu. Punkty połączeń kratowych w postaci kulek wyraźnie reprezentują atomy, a łączące je linie są przybliżonym odwzorowaniem sił wiązania między nimi.

W rzeczywistości przerwy między atomami wewnątrz kryształu są znacznie mniejsze. Jest to gęste upakowanie składających się na nią cząstek. Kula to umowne określenie atomu, którego użycie pozwala nam na odzwierciedlenie właściwości gęstego pakietu. W rzeczywistości nie jest to po prostu stykanie się atomów, ale ich wzajemne częściowe nakładanie się na siebie. Innymi słowy, obrazem kuli w strukturze siatki krystalicznej jest, dla ilustracji, kula o takim promieniu, która zawiera podstawową część elektronów atomu.

Siła

Między dwoma przeciwnie naładowanymi jonami istnieje elektryczna siła przyciągania. Jest to siła wiążąca w strukturze kryształów jonowych, takich jak sól kuchenna. Jeśli jednak jony znajdą się zbyt blisko, ich orbity elektronowe zachodzą na siebie i pojawiają się siły odpychające o tej samej nazwie naładowanych cząstek. Wewnątrz kryształu rozkład jonów jest taki, że siły odpychające i przyciągające są w równowadze, co zapewnia wytrzymałość kryształu. Taka struktura jest charakterystyczna dla kryształów jonowych.

A w siatce krystalicznej diamentu i grafitu istnieje połączenie atomów za pomocą wspólnych (kolektywnych) elektronów. blisko sąsiadujące atomy mają wspólne elektrony, które obracają się wokół jądra zarówno jednego atomu, jak i jego sąsiada.

Szczegółowe badanie teorii sił w takich wiązaniach jest dość skomplikowane i leży w sferze mechaniki kwantowej.

Różnice w metalach

Struktura kryształów metali jest bardziej złożona. Ze względu na fakt, że atomy metalu łatwo oddają swoje zewnętrzne elektrony, mogą one swobodnie poruszać się w całej objętości kryształu, tworząc w nim tzw. gaz elektronowy. Dzięki takim "wędrującym" elektronom powstają siły, które zapewniają wytrzymałość metalowego wlewka. Badania rzeczywistych kryształów metali pokazują, że w zależności od sposobu chłodzenia wlewka metalu mogą wystąpić niedoskonałości: powierzchniowe, punktowe i liniowe. wielkość takich defektów nie przekracza średnicy kilku atomów, ale zniekształcają one siatkę krystaliczną i wpływają na procesy dyfuzyjne w metalach.

Wzrost kryształu

Dla lepszego zrozumienia, wzrost substancji krystalicznej można przedstawić jako wznoszenie konstrukcji z cegieł. Jeśli występuje jedna cegła z niewykończonego muru jako związek część kryształu, można określić, gdzie kryształ będzie rósł. Właściwości energetyczne kryształu są takie, że cegła umieszczona na pierwszej stronie dozna przyciągania o z jednej strony - od dołu . Po ułożeniu na drugim, z dwóch stron, a na trzecim, z trzech stron. Podczas krystalizacji - przejścia z cieczy do ciała stałego - uwalniana jest energia (ciepło topnienia). Dla największej wytrzymałości układu, jego możliwa energia musi dążyć do minimum. Dlatego wzrost kryształów następuje warstwa po warstwie. Najpierw kończy się rząd płaszczyzn, potem cała płaszczyzna, a dopiero potem zaczyna się budowa kolejnej.

Nauka o kryształach

Podstawowe prawo krystalografii, czyli nauki o kryształach, mówi, że wszystkie kąty między różnymi płaszczyznami powierzchni kryształów są zawsze stałe i takie same. Bez względu na to, jak bardzo zniekształcony jest rosnący kryształ, kąty między jego fasetami zachowują tę samą wartość właściwą dla gatunku. Niezależnie od wielkości, kształtu i liczby, powierzchnie jednej płaszczyzny kryształu zawsze przecinają się pod tym samym, z góry określonym kątem. Prawo stałości kątów zostało odkryte przez M.В. Łomonosowa w 1669 roku i odegrał wielką rolę w badaniach struktur krystalicznych.

Anizotropia

Osobliwość proces tworzenia kryształów jest spowodowane zjawiskiem anizotropii - różnych właściwości fizycznych w zależności od kierunku wzrostu. Monokryształy w różnych kierunkach inaczej przewodzą prąd, ciepło i światło oraz mają nierówną wytrzymałość.

Tak więc ten sam pierwiastek chemiczny z tymi samymi atomami może tworzyć różne sieci krystaliczne. Na przykład węgiel może krystalizować się w diament i grafit. Diament jest przykładem maksymalnej solidności wśród minerałów, podczas gdy grafit pozostawia łatwe łuski podczas pisania ołówkiem na papierze.

Pomiar kątów między fasetami minerałów ma dużą wartość praktyczną dla określenia ich charakteru.

Podstawowe właściwości

Poznawszy osobliwości budowy kryształu, możemy krótko opisać jego podstawowe właściwości:

• Anizotropia - nierówne właściwości w różnych kierunkach.
• Jednorodność - związki elementarne kryształu, równomiernie rozmieszczone, mają te same właściwości.
• Możliwość samoistnego fasetowania - dowolny fragment kryształu może rosnąć w odpowiednim medium wzrostowym i uzyskać konfigurację wielościenną, składającą się z faset charakterystycznych dla danego typu kryształu. To właśnie ta właściwość pozwala kryształowi zachować symetrię.
• Jednostajna temperatura topnienia. Zniszczenie siatki przestrzennej minerału, czyli przejście kryształu ze stanu stałego do ciekłego, następuje zawsze w tej samej temperaturze.

Kryształy to ciała stałe, które przyjęły naturalny kształt wielościanu symetrycznego. Struktura kryształów, charakteryzująca się tworzeniem przestrzennej siatki podstawa rozwój w fizyce teorii struktury elektronowej ciał stałych. Badanie właściwości i struktury minerałów ma istotne znaczenie praktyczne.