Характеристика, виды и свойства кристаллов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Кристаллическое состояние - наиболее распространенное состояние вещества на Земле и в Космосе. Кристаллическим называется такое состояние вещества, в строении которого наблюдается закономерное расположение частиц - молекул, атомов, ионов, образующих ряды, плоские сетки, пространственную решетку. В веществе, находящемся в аморфном состоянии закономерного расположения частиц в полной мере не обнаруживается. Другими словами, в строении вещества, находящегося в кристаллическом состоянии обнаруживается ближний и дальний порядок. Вещество в аморфном состоянии имеет в строении только ближний порядок и не имеет дальнего порядка.

Кристаллическое строение имеют горные породы, минералы, технические камни (цемент, огнеупоры, металлы). В аморфном состоянии находятся стекла: природные (обсидиан) и технические - смолы, гудрон, парафин, воск, стекло. У этих веществ в расположении частиц наблюдается только ближний порядок, а дальний отсутствует.

Примерами кристаллов могут служить кубики поваренной соли (NaCl), заострённые на концах шестигранные призмы горного хрусталя (SiO2), восьмигранники (октаэдры) алмаза (С), двенадцатигранники граната и др.

Величина подобных образований иногда достигает человеческого роста: гигантские кристаллы кварца. В 1958 г. был найден гигантский кристалл кварца весом около 70 т, длиной около 7,5 м и шириной 1,6 м.

Длина одного кристалла может достигать нескольких метров (лёд - Н2О, гипс - Сa [SO4] 2 Н2О).

Но обычно приходится иметь дело с мелкими, чаще всего микроскопическими кристалликами. Оптическим путём доказывается, что такие осадочные породы, как песок, глина и др. состоят в основном из мельчайших кристаллических обломков. С 1912 г. стало возможным исследовать посредством рентгеновых лучей мельчайшие кристаллические частицы. С помощью этого метода доказано, что сажа, воск, роговица глаза представляют собой агрегаты мельчайших кристалликов.

Искусственное получение кристаллов может легко осуществить любой студент. С этой целью достаточно растворить определённую навеску какой-нибудь соли в определённом количестве воды (например, при комнатной температуре на 100 см3 воды берётся 15-17 г калиево-алюминиевых квасцов КAl[SO4]2 12H2O). Если дать такому раствору возможность испаряться, то с течением времени из него выпадут и начнут расти кристаллики данной соли.

Кристалл - это физическое тело, частицы которого образуют кристаллическую решетку, имеют определенную геометрическую форму. В идеальном случае - вершина кристалла соответствует атому, молекуле, иону; ребро - ряду атомов, молекул, ионов; грань - плоской сетке. В реальных кристаллах при большом увеличении можно увидеть, что вершина состоит из многих частиц, ребро - из многих рядов, грань - из многих плоских сеток, расположенных параллельно. Макроскопически заметные параллельные грани называются вациналями.

Кристаллическое вещество преобладает над аморфным, если взять их соотношение, то кристаллического вещества 95%, аморфного 5%.

Общие свойства кристаллического вещества.

Факт геометрически закономерного расположения материальных частиц в кристаллических структурах, окончательно установленный с помощью рентгеновых лучей, положен в основу всей современной кристаллографии. Но теория о решетчатом строении кристаллов была создана задолго до рентгеноанализа. Величайшие кристаллографы Огюст Бравэ, Л. Зонке, Е.С. Федоров, А. Шенфлис и др. дали математическую разработку этой теории. Применение рентгеновых лучей подтвердило опытным путем правильность их умозрительных построений.

Теория структуры кристаллов до 1912 г. базировалась на некоторых особенностях кристаллического состояния, улавливаемых опытным путем. К числу таких важнейших свойств кристаллов относятся:

1. Статичность. Это фиксированное расположение частиц друг по отношению к другу. В аморфном веществе есть фрагменты кристаллов, но со временем эти фрагменты разрушаются. За сотни лет в стёклах, например, происходят изменения и они «текут».

2. Однородность или гомогенность. Согласно опытным данным, однородным называется такое тело, которое во всем своем объеме обнаруживает одинаковые свойства. Однородность кристаллов устанавливается при изучении его свойств по параллельным направлениям. Кристаллическое тело, обладающее во всех своих участках одинаковым строением, должно отличаться однородностью. При этом не принимаются во внимание посторонние загрязнения, включения и несовершенства реальных кристаллов, связанные с внешними воздействиями.

3. Анизотропность - (в переводе «ан»-не, «изос»-равно, «строфос»-свойство, т.е. неравносвойственность). Анизотропным называется такое однородное тело, которое при одинаковых свойствах по параллельным направлениям обладает в общем случае неодинаковыми свойствами по параллельным направлениям. В связи с решетчатостью структуры одинаковые атомы (ионы, молекулы) должны располагаться строго одинаково, образуя между собой одинаковые промежутки. Поэтому и свойства кристаллов должны быть по таким направлениям одинаковыми. По непараллельным направлениям частицы в общем случае отстоят друг от друга на разных расстояниях, вследствие чего и свойства по таким направлениям должны быть различными.

Например, слюда. Кристаллические пластины этого минерала легко расщепляются только по плоскостям, параллельным его пластинчатости. В поперечных направлениях расщепить слюдяные пластины значительно труднее. кристаллический анизотропность минерал

Другим примером анизотропности является минерал дистен (Al2O[SiO4]), отличающийся резко различной твердостью по неодинаковым направлениям. Вдоль удлинения кристаллы дистена легко царапаются лезвием ножа, в направлении перпендикулярном удлинению, нож не оставляет никаких следов.

Минерал кордиерит (Mg2Al3[AlSi5O18]). Кристалл кордиерита по трем различным направлениям представляется различно окрашенным. Если из такого кристалла вырезать куб с гранями. Перпендикулярными этим направлениям, то по диагонали куба (от вершины к вершине наблюдается серовато-синяя окраска, в направлении поперек куба - желтая, и в направлении вертикальном - индигово-синяя окраска.

Кристалл поваренной соли, которая имеет форму куба. Из такого кристалла можно вырезать стерженьки по различным направлениям. Три из них перпендикулярно граням куба, параллельно диагонали. Выяснилось, что для разрыва этих стерженьков необходимы разные усилия: разрывающее усилие для первого стерженька (вертикального вдоль оси) выражается 570 г/мм2 , для второго (по горизонтальной диагонали) - 1150 г/мм2 и для третьего (диагональ от вершины к вершине) - 2150 г/мм2.

Приведённые примеры исключительны по своей характерности. Но путём точных исследований удалось прийти к выводу, что все кристаллы в том или ином отношении обладают анизотропностью.

Твёрдые аморфные образования также могут быть однородными и даже анизотропными (анизотропность, например, может наблюдаться при растягивании или сдавливании стёкол). Но ни при каких условиях аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму.

4. Минимальная внутренняя энергия. Ссылка на Ф. Энгельса «Анти Дюринг» - «твёрдое вещество по сравнению с жидким обладает меньшей энергией, а газообразное - меньшим по отношению к жидким».

Если кристалл нагреть, например, олово, оно перейдёт в жидкое состояние, если его нагревать до кипения - оно перейдёт в газообразное. Аморфное тело без всяких температурных остановок будет мягким и пластичным.

5. Способность кристаллизоваться. Кристаллическое вещество имеет способность кристаллизоваться (в некоторых учебниках написано самоограняться, но это частный случай). Обломанные головки горного хрусталя или каменной соли растут с той же ориентировкой, если их поместить в перенасыщенный раствор. И их кристаллические решётки начинают достраиваться. Происходит самоогранение кристалла - регенерация. Выточенный из кристалла шарик в подходящей среде с течением времени покрывается гранями. В противоположность этому, стеклянный шарик такой особенностью не обладает.

Свойство самоограняться, т..е. принимать принимать многогранную форму в результате свободного роста в подходящей среде, обладают лишь кристаллы. Эта особенность связана с кристаллической структурой (сетки-грани, ряды-рёбра).

Симметрия кристаллов

Греческое слово «симметрия» в переводе на русский язык означает «соразмерность».

Симметричная фигура должна состоять из закономерно повторяющихся равных частей.

Вспомогательные геометрические образы: точки, прямые, плоскости, позволяющие установить симметрию фигуры называются элементами симметрии.

Закономерное расположение частиц обуславливает внутреннюю и внешнюю симметрию. Симметрия - в переводе означает соразмерность. Симметричной фигурой - кристаллом - называется совокупность закономерно повторяющихся физически и геометрически равных частей. Вспомогательные геометрические образы - точки, прямые, плоскости, позволяющие установить симметрию кристалла, называются элементами симметрии.

Плоскостью симметрии называется такая плоскость, которая делит фигуру на две зеркально совместимые части. Для конечных многогранников плоскость симметрии обозначается латинской буквой P - начальной от слова "plane". Для бесконечных структур по международной номенклатуре этот элемент обозначается буквой "m" - начальной буквой слова "miror" - зеркало.

Центром инверсии называется такая точка внутри фигуры, которая делит отрезки, соединяющие соответственные точки фигуры, пополам. Для конечных многогранников центр инверсии обозначается буквой "C", для бесконечных структур "1".

Осью симметрии называется такая ось, при повороте вокруг которой на определенный угол фигура совмещается сама с собой. Наименьший угол поворота, при котором достигается совмещение, называется элементарным углом - б. Количество совмещений при повороте на 360є называется порядком оси и обозначается значком "n". Порядок оси и элементарный угол связаны соотношением - n =. Ось симметрии обозначается буквой Ln, где значок справа внизу обозначает порядок оси:

L1- ось первого порядка с элементарным углом 360є. Таким элементом симметрии обладают самые бесформенные тела - они совмещаются при полном повороте на 360є. Это своеобразный "0" в кристаллографии - отсутствие симметрии;

L2 - ось второго порядка - совмещение достигается при повороте на 180є;

L3 - ось третьего порядка - совмещение достигается при повороте на 120є;

L4 - ось четвертого порядка - совмещение достигается при повороте на 90є;

L6 -ось шестого порядка - совмещение достигается при повороте через 60є.

Осей пятого порядка и выше шестого в кристаллах не существует, из-за их решетчатого строения.

Инверсионной осью симметрии называется такой элемент, действие которого складывается из действия простой оси и центра инверсии, участвующих совместно. Оси симметрии обозначаются также буквой L со значком "in":

Li1 - инверсионная ось первого порядка по определению складывается из L1+C, то есть просто С. По международной номенклатуре обозначается "T";

Li2 - инверсионная ось второго порядка складывается из L2+С, нетрудно убедиться, что эти два элемента можно заменить плоскостью симметрии (Р), перпендикулярной этому направлению;

Li3 - инверсионная ось третьего порядка слагается из L3+С, но они всегда встречаются вместе и проще выявлять L3 и С;

Li4 и Li6 - соответственно инверсионные оси четвертого и шестого порядка.

Теорема о возможных осях симметрии: в кристаллических многогранниках имеются: одинарные, двойные, тройные, шестерные и четверные оси симметрии как простые, так и инверсионные. В кристаллических многогранниках нет осей пятого порядка и выше шестого, как не свойственных их решётчатому строению.

Кристаллы встречаются по всюду. Кристаллы широко применяются в технике, науке, в кулинарии (поваренная соль), в фармакологии, в космических разработках, используются в различных приборах.

В космических лабораториях на советской станции «Салют- 4», на американской «Скайлеб» во время совместного полёта «Союз-Аполон» ставились опыты по выращиванию кристаллов в условиях невесомости и вакуума. Выращенные кристаллы были недостижимой на Земле чистоты.

В космосе были выращены полупроводниковые монокристаллы селенида германия и теллурида германия, в 10 раз больше, чем удалось вырастить в земных условиях, и значительнее более однородные. В невесомости получены монокристаллы в форме сплошных и полых сфер, пригодные, например, для шарикоподшипников, нитевидные кристаллы сапфира, отличающиеся большой прочностью, выдерживающие давления, в десятки раз превышающие «земные».

Природные кристаллы не всегда достаточно крупны, часто они не однородны, в них имеются нежелательные примеси. При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее, однороднее и чище, чем встречаются в природе.

Размещено на Allbest.ru