При погляді на кристали і вироби з самоцвітів хочеться зрозуміти, як могла з’явитися ця загадкова краса, яким чином створюються такі дивовижні витвори природи. З’являється бажання більше дізнатися про їх властивості. Адже особливе, ніде в природі не повторюється будова кристалів дозволяє використовувати їх повсюдно: від ювелірних прикрас до новітніх наукових і технічних винаходів.

Вивчення кристалічних мінералів

Будова і властивості кристалів настільки багатогранні, що вивченням і дослідженням цих явищ займається окрема наука – мінералогія. Знаменитий російський академік Олександр Євгенович Ферсман настільки був захоплений і вражений розмаїттям і безмежністю світу кристалів, що прагнув захопити якомога більше умів цією темою. У своїй книзі «Цікава мінералогія» він з ентузіазмом і теплотою закликав познайомитися з таємницями мінералів і зануритися в світ самоцвітів:

Я дуже хочу вас захопити. Хочу, щоб ви почали цікавитися горами і каменоломнями, копальнями і копальнями, щоб ви почали збирати колекції мінералів, щоб ви захотіли відправитися разом з нами з міста подалі, до течії річки, де високі кам’янисті береги, до вершин гір або до скелястого берега моря, туди, де ламають камінь видобувають пісок або підривають руду. Там усюди ми з вами знайдемо, чим зайнятися: і мертвих скелях, пісках і каменях ми з вами навчимося читати якісь великі закони природи, що керують усім світом і з яких побудований весь світ.

Вивченням кристалів займається фізика, стверджуючи, що всяке дійсно тверде тіло є кристалом. Хімія досліджує молекулярне будова кристалів, приходячи до висновку, що будь-який метал має кристалічну будову.

Вивчення дивовижних властивостей кристалів має величезне значення для розвитку сучасних науки, техніки, будівельної промисловості та багатьох інших галузей.

Основні закони кристалів

Перше, на що звертають увагу при погляді на кристал – це ідеальна багатогранна форма, але не вона є головною особливістю мінералу або металу.

При розбиванні кристала на маленькі осколки від ідеальної форми нічого не залишиться, але при цьому будь-осколок, як і раніше, буде залишатися кристалом. Відмінною рисою кристала є не його зовнішній вигляд, а характерні риси його внутрішньої будови.

Симетричність

Перше, що варто згадати і відзначити при вивченні кристалів — це явище симетрії. Воно широко поширене в навколишньому повсякденному житті. Симетричні крила метелика, відбиток плями на аркуші паперу, зігніть навпіл. Симетричні снігові кристали. Шестикутна сніжинка має шість площин симетрії. Згинаючи малюнок за будь-якої лінії, що зображує площину симетрії сніжинки, можна поєднати один з одним дві її половини.

Дивіться також:  Важіль: умова рівноваги. Умова рівноваги важеля: формула

Вісь симетрії має таким властивістю, що, повертаючи фігуру на деякий відомий кут навколо неї, можна поєднати між собою відповідні частини фігури. В залежності від розміру відповідного кута, на який потрібно повернути фігуру, в кристалах визначають осі 2-го, 3-го, 4-го і 6-го порядку. Таким чином, сніжинки спостерігається єдина вісь симетрії шостого порядку, яка є перпендикулярною до креслярської площині.

Центром симетрії вважається така точка в площині фігури, на однаковій відстані від якої в протилежному напрямку знаходяться однакові елементи будови фігури.

А що всередині?

Внутрішня будова кристалів – це своєрідне з’єднання молекул і атомів у властивому тільки кристалам порядку. Яким чином дізнаються внутрішня будова частинок, якщо вони не видимі навіть у мікроскоп?

Для цього використовуються рентгенівські промені. Застосовуючи їх для просвічування кристалів, німецький фізик М. Лауе, англійські фізики батько і син Брегг, російський професор Ю Вульф встановили закони, згідно з якими вивчається структура і будова кристалів.

Все виявилося дивно і несподівано. Саме уявлення про будову молекули виявилося незастосовним до кристалічному стану речовини.

Наприклад, таке відоме всім речовина, як поварена сіль, має хімічний склад молекули NaCl. Але в кристалі окремі атоми хлору і натрію не складаються в окремі молекули, а утворюють певну конфігурацію, звану просторової або кристалічною решіткою. Найдрібніші частинки хлору і натрію мають електричну зв’язок. Кристалічна решітка солі складається наступним чином. Один з валентних електронів зовнішньої оболонки атома натрію впроваджується в зовнішню оболонку атома хлору, яка не повністю заповнена з-за відсутності у третьої оболонці хлору восьмого електрона. Таким чином, в кристалі кожен іон як натрію, так і хлору не належать одній молекулі, а всьому кристалу. З-за того, що атом хлору одновалентен, він може приєднати до себе тільки один електрон. Але особливості будови кристалів призводять до того, що атом хлору оточений шістьма атомами натрію, і неможливо визначити, який з них поділиться з хлором електроном.

Виходить, що хімічна молекулу кухонної солі і її кристал – зовсім не одне і те ж. Весь монокристал – це як би одна гігантська молекула.

Решітка – тільки модель

Слід уникати помилки, коли просторову решітку приймають за дійсну модель кристалічної будови. Решітка – своєрідне умовне зображення прикладу з’єднання елементарних частинок в будову кристалів. Місця з’єднання решітки у вигляді кульок дозволяють наочно зобразити атоми, а лінії, що з’єднують їх – це примірне зображення сполучних сил між ними.

Дивіться також:  Завдання нескладне - загадки про ножиці

В реальності проміжки між атомами всередині кристала набагато менше. Він є щільною упаковкою складових його частинок. Кулька – умовне позначення атома, використання якого дозволяє вдало відобразити властивості щільної упаковки. В реальності має місце не просте зіткнення атомів, а їх часткове взаємне перекриття один одним. Іншими словами, зображення кулі в будові кристалічної решітки – це для наочності зображена сфера такого радіуса, яка вміщує основну частину електронів атома.

Запорука міцності

Між двома протилежно зарядженими іонами виникає електрична сила тяжіння. Вона є сполучною ланкою у будову іонних кристалів, таких як поварена сіль. Але якщо сильно наблизити іони, то їх електронні орбіти стануть перекривати один одного, з’являться відразливі сили однойменно заряджених частинок. Всередині кристала розподіл іонів таке, що відразливі і притягають сили знаходяться в рівновазі, забезпечуючи кристалічну міцність. Така будова характерна для іонних кристалів.

А в кристалічних решітках алмазу і графіту має місце з’єднання атомів з допомогою загальних (колективних) електронів. У близько розташованих атомів є загальні електрони, які обертаються навколо ядра як одного, так і сусіднього атомів.

Детальне вивчення теорії сил при таких зв’язках досить складно і лежить в області квантової механіки.

Відмінності металів

Будова кристалів металів більш складно. У зв’язку з тим, що атоми металу легко віддають наявні зовнішні електрони, вони можуть вільно переміщатися по всьому об’єму кристала, утворюючи всередині нього так званий електронний газ. Завдяки таким «блукаючим» електронам створюються сили, які забезпечують міцність металевого зливка. Вивчення будови реальних кристалів металу показує, що залежно від способу охолодження металевого злитка в ньому можуть бути недоліки: поверхневі, точкові і лінійні. Розміри таких дефектів не перевищують діаметр декількох атомів, але вони спотворюють кристалічну решітку і впливають на дифузійні процеси в металах.

Зростання кристала

Для більш зручного розуміння зростання кристалічного речовини можна представити як зведення цегельного будови. Якщо один цегла незакінченої кладки представити як складову частину кристала, то можна визначити, куди буде рости кристал. Властивості енергетики кристала такі, що покладений на перший цегла буде відчувати тяжіння з одного боку — знизу. При укладанні на другий – з двох сторін, а на третій – з трьох. В процесі кристалізації – переході з рідкого стану в твердий – відбувається виділення енергії (теплоти плавлення). Для найбільшої міцності системи її можлива енергія повинна прагнути до мінімальної. Тому зростання кристалів відбувається шар за шаром. Спочатку буде добудований ряд площині, потім вся площина, і тільки тоді починає будуватися наступна.

Дивіться також:  "Репрезентувати" — це значить "представляти"?

Наука про кристалах

Основний закон кристалографії – науки про кристалах – говорить про те, що всі кути між різними площинами кристалічних граней завжди постійні і однакові. Як би не спотворювався зростаючий кристал, кути між гранями зберігають одне і те ж значення, властиві даному виду. Незалежно від розміру, форми і числа, межі одній площині кристала завжди перетинаються під однаковим визначеним кутом. Закон сталості кутів був відкритий М. В. Ломоносовим в 1669 році і зіграв велику роль у вивченні будови кристалів.

Анізотропія

Своєрідність процесу формування кристалів обумовлене явищем анізотропії – розрізняються фізичними характеристиками в залежності від напрямку росту. Монокристали в різних напрямках по-різному проводять електрику, тепло і світло і мають неоднакову міцність.

Таким чином, один і той же хімічний елемент з однаковими атомами може утворювати різні кристалічні решітки. Наприклад, вуглець може кристалізуватися в алмаз і графіт. При цьому алмаз є прикладом максимальної міцності серед мінералів, а графіт легко залишає свої лусочки при листі олівцем на папері.

Вимірювання кутів між гранями мінералів має велике практичне значення для визначення їх природи.

Основні властивості

Дізнавшись особливості будови кристалів, коротко можна описати їх основні властивості:

  • Анізотропія – неоднаковість властивостей у різних напрямках.
  • Однорідність – елементарні складові кристалів, однаково розташовані в просторі, мають однакові властивості.
  • Здатність до самоогранке – будь-який уламок кристала відповідної для його зростання середовищі прийме багатогранну форму і покриється відповідними даного виду кристалів гранями. Саме ця властивість дозволяє кристалу зберігати свою симетричність.
  • Незмінність температури плавлення. Руйнування просторової решітки мінералу, тобто перехід речовини з твердого кристалічного стану в рідкий, завжди відбувається при одній і тій же температурі.

Кристали – тверді речовини, які прийняли природну форму симетричного багатогранника. Будова кристалів, що характеризується формуванням просторової решітки, послужило основою для розвитку в фізиці теорії електронної структури твердого тіла. Вивчення властивостей і будови мінералів має важливе практичне значення.