Kada se gledaju kristali i dragulji, poželi se shvatiti kako se mogla pojaviti ova misteriozna ljepota, kako nastaju tako čudesna djela prirode. Postoji želja da se sazna više o njihovim posjedima. Na kraju krajeva, posebna struktura kristala koja se nigdje u prirodi ne ponavlja omogućava im da se koriste svuda: od nakita do najnovijih naučnih i tehničkih izuma.
Proučavanje kristalnih minerala
Struktura i svojstva kristala su toliko višestruki da se posebna nauka, mineralogija, bavi proučavanjem i proučavanjem ovih fenomena. Čuveni ruski akademik Aleksandar Jevgenijevič Fersman bio je toliko zaokupljen i iznenađen raznolikošću i beskonačnošću svijeta kristala da je ovom temom pokušao da zaokupi što više umova. U svojoj knjizi Entertaining Mineralogy on je oduševljeno i toplo pozvao da se upoznaju sa tajnama minerala i urone u svijet dragulja:
Zaista te želimcaptivate. Želim da se počnete zanimati za planine i kamenolome, rudnike i rudnike, pa da počnete sakupljati zbirke minerala, da poželite s nama iz udaljenijeg grada, do toka rijeke, gdje se su visoke stenovite obale, do vrhova planina ili do kamenite obale, gde se lomi kamen, kopa pesak ili eksplodira ruda. Tamo, svuda ćemo ti i ja naći nešto da radimo: a u mrtvim stijenama, pijesku i kamenju naučit ćemo čitati neke velike zakone prirode koji upravljaju cijelim svijetom i prema kojima je cijeli svijet izgrađen.
Fizika proučava kristale, tvrdeći da je svako stvarno čvrsto tijelo kristal. Hemija istražuje molekularnu strukturu kristala, dolazeći do zaključka da svaki metal ima kristalnu strukturu.
Proučavanje nevjerovatnih svojstava kristala je od velikog značaja za razvoj moderne nauke, tehnologije, građevinske industrije i mnogih drugih industrija.
Osnovni zakoni kristala
Prva stvar koju ljudi primete kada pogledaju kristal je njegov idealan višestruki oblik, ali to nije glavna karakteristika minerala ili metala.
Kada se kristal razbije na male fragmente, ništa neće ostati od idealnog oblika, ali će svaki fragment, kao i prije, ostati kristal. Posebnost kristala nije njegov izgled, već karakteristične karakteristike njegove unutrašnje strukture.
Simetrično
Prva stvar koju treba zapamtiti i primijetiti kada proučavate kristale je fenomensimetrija. Rasprostranjen je u svakodnevnom životu. Krila leptira su simetrična, otisak mrlje na komadu papira presavijenom na pola. Simetrični snježni kristali. Heksagonalna pahulja ima šest ravni simetrije. Savijanjem slike duž bilo koje linije koja prikazuje ravan simetrije pahulje, možete kombinovati njene dvije polovine jedna s drugom.
Osa simetrije ima takvo svojstvo da je rotiranjem figure za neki poznati ugao oko nje moguće kombinovati odgovarajuće dijelove figure jedni s drugima. U zavisnosti od veličine odgovarajućeg ugla za koji se figura treba rotirati, u kristalima se određuju ose 2., 3., 4. i 6. reda. Dakle, u pahuljama postoji jedna os simetrije šestog reda, koja je okomita na ravninu crtanja.
Centar simetrije je takva tačka u ravni figure, na istoj udaljenosti od koje se u suprotnom smjeru nalaze isti strukturni elementi figure.
Šta je unutra?
Unutarnja struktura kristala je vrsta kombinacije molekula i atoma u redoslijedu svojstvenom samo kristalima. Kako znaju unutrašnju strukturu čestica ako nisu vidljive čak ni mikroskopom?
X-zrake se koriste za ovo. Koristeći ih za prozirne kristale, njemački fizičar M. Laue, engleski fizičari otac i sin Bragg i ruski profesor Yu. Wolf ustanovili su zakone prema kojima se proučava struktura i struktura kristala.
Sve je bilo iznenađujuće i neočekivano. Samopokazalo se da je koncept strukture molekula neprimjenjiv na kristalno stanje materije.
Na primjer, tako dobro poznata supstanca kao što je kuhinjska so ima hemijski sastav molekula NaCl. Ali u kristalu se pojedinačni atomi klora i natrija ne zbrajaju u zasebne molekule, već formiraju određenu konfiguraciju koja se naziva prostorna ili kristalna rešetka. Najmanje čestice hlora i natrijuma su električno povezane. Kristalna rešetka soli se formira na sljedeći način. Jedan od valentnih elektrona vanjske ljuske atoma natrija uvodi se u vanjsku ljusku atoma klora, koja nije potpuno ispunjena zbog odsustva osmog elektrona u trećoj ljusci hlora. Dakle, u kristalu svaki ion i natrijuma i hlora ne pripada jednom molekulu, već cijelom kristalu. Zbog činjenice da je atom hlora monovalentan, može na sebe vezati samo jedan elektron. Ali strukturne karakteristike kristala dovode do činjenice da je atom hlora okružen sa šest atoma natrijuma i nemoguće je odrediti koji će od njih dijeliti elektron s klorom.
Ispostavilo se da hemijski molekul kuhinjske soli i njen kristal uopšte nisu ista stvar. Cijeli monokristal je kao jedan džinovski molekul.
Rešetka - samo model
Grešku treba izbjeći kada se prostorna rešetka uzme kao pravi model kristalne strukture. Rešetka - neka vrsta uvjetne slike primjera veze elementarnih čestica u strukturi kristala. Mrežne spojne tačke u obliku kuglicavizuelno vam omogućavaju da prikažete atome, a linije koje ih povezuju su približna slika sila vezivanja između njih.
U stvarnosti, praznine između atoma unutar kristala su mnogo manje. To je gusto pakovanje njegovih sastavnih čestica. Lopta je konvencionalna oznaka atoma, čija upotreba omogućava uspješno odražavanje svojstava bliskog pakiranja. U stvarnosti, ne postoji jednostavan kontakt atoma, već njihovo međusobno djelomično preklapanje. Drugim riječima, slika lopte u strukturi kristalne rešetke je, radi jasnoće, prikazana sfera takvog polumjera koja sadrži glavni dio elektrona atoma.
Zalog snage
Postoji električna sila privlačenja između dva suprotno nabijena jona. Ona je vezivo u strukturi jonskih kristala kao što je kuhinjska so. Ali ako ione približite vrlo blizu, tada će se njihove orbite elektrona preklapati jedna s drugom i pojavit će se odbojne sile slično nabijenih čestica. Unutar kristala, distribucija jona je takva da su sile odbijanja i privlačnosti u ravnoteži, dajući kristalnu snagu. Ova struktura je tipična za jonske kristale.
A u kristalnim rešetkama dijamanta i grafita postoji veza atoma uz pomoć zajedničkih (kolektivnih) elektrona. Blisko raspoređeni atomi imaju zajedničke elektrone koji se okreću oko jezgra i jednog i susjednih atoma.
Detaljno proučavanje teorije sila sa takvim vezama je prilično teško i leži u oblasti kvantne mehanike.
Metalne razlike
Struktura metalnih kristala je složenija. Zbog činjenice da atomi metala lako doniraju raspoložive vanjske elektrone, mogu se slobodno kretati po cijelom volumenu kristala, formirajući takozvani elektronski plin unutar njega. Zahvaljujući takvim "lutajućim" elektronima stvaraju se sile koje osiguravaju čvrstoću metalnog ingota. Proučavanje strukture pravih metalnih kristala pokazuje da, ovisno o načinu hlađenja metalnog ingota, može sadržavati nesavršenosti: površinske, točkaste i linearne. Veličina takvih defekata ne prelazi prečnik nekoliko atoma, ali oni iskrivljuju kristalnu rešetku i utiču na procese difuzije u metalima.
Crystal Growth
Za jednostavnije razumevanje, rast kristalne supstance može se predstaviti kao montaža strukture od cigle. Ako se jedna cigla nedovršenog zidanja predstavi kao sastavni dio kristala, tada je moguće odrediti gdje će kristal rasti. Energetska svojstva kristala su takva da će cigla postavljena na prvu ciglu doživjeti privlačnost s jedne strane - odozdo. Prilikom polaganja na drugoj - sa dvije strane, a na trećoj - sa tri. U procesu kristalizacije - prijelaza iz tekućeg u čvrsto stanje - oslobađa se energija (toplina fuzije). Za najveću snagu sistema, njegova moguća energija treba težiti minimalnoj. Stoga se rast kristala odvija sloj po sloj. Prvo će se završiti niz aviona, zatim ceo avion, a tek onda će početi da se gradi sledeći.
Science ofkristali
Osnovni zakon kristalografije - nauka o kristalima - kaže da su svi uglovi između različitih ravni kristalnih lica uvijek konstantni i isti. Bez obzira koliko je rastući kristal izobličen, uglovi između njegovih strana zadržavaju istu vrijednost svojstvenu ovom tipu. Bez obzira na veličinu, oblik i broj, lica iste kristalne ravni se uvijek sijeku pod istim unaprijed određenim uglom. Zakon konstantnosti uglova otkrio je M. V. Lomonosov 1669. godine i odigrao je veliku ulogu u proučavanju strukture kristala.
Anizotropija
Posebnost procesa formiranja kristala je zbog fenomena anizotropije - različitih fizičkih karakteristika u zavisnosti od smera rasta. Monokristali različito provode električnu energiju, toplotu i svjetlost u različitim smjerovima i imaju nejednaku snagu.
Dakle, isti hemijski element sa istim atomima može formirati različite kristalne rešetke. Na primjer, ugljik može kristalizirati u dijamant i u grafit. Istovremeno, dijamant je primjer maksimalne čvrstoće među mineralima, a grafit lako napušta svoje ljuske kada pišete olovkom na papiru.
Mjerenje uglova između strana minerala je od velike praktične važnosti za određivanje njihove prirode.
Osnovne karakteristike
Naučivši strukturne karakteristike kristala, možemo ukratko opisati njihova glavna svojstva:
- Anizotropija - neujednačena svojstva u različitim smjerovima.
- Ujednačenost - elementarnasastojci kristala, podjednako raspoređeni, imaju ista svojstva.
- Mogućnost samorezanja - svaki fragment kristala u mediju pogodnom za njegov rast poprimiće višestruki oblik i biće prekriven licu koje odgovara ovoj vrsti kristala. To je svojstvo koje omogućava kristalu da zadrži svoju simetriju.
- Invarijantnost tačke topljenja. Uništavanje prostorne rešetke minerala, odnosno prelazak kristalne supstance iz čvrstog u tečno stanje, uvek se dešava na istoj temperaturi.
Kristali su čvrsta tijela koja su poprimila prirodni oblik simetričnog poliedra. Struktura kristala, koju karakteriše formiranje prostorne rešetke, poslužila je kao osnova za razvoj teorije elektronske strukture čvrste materije u fizici. Proučavanje svojstava i strukture minerala je od velike praktične važnosti.
