Кристална структура: характеристики и физични свойства

Когато гледаме кристали и полускъпоценни камъни, се чудим как тази загадъчна красота, как се създават такива невероятни природни произведения. Желание да научат повече за своите имоти. В края на краищата, уникалната, никъде в природата не срещана структура на кристалите позволява използването им навсякъде: от бижута до най-новите научни и технически изобретения.

Изследване на кристални минерали

Структурата и свойствата на кристалите са толкова многообразни, че за тяхното изучаване и изследване е създадена отделна наука - минералогия. Известният руски академик Александър Евгениевич Ферсман бил толкова погълнат и удивен от разнообразието и безграничността на света на кристалите, че се опитал да привлече колкото се може повече умове към темата. В книгата си "Забавна минералогия" той ентусиазирано и топло насърчава посетителите да се запознаят с тайните на минералите и да се потопят в света на скъпоценните камъни:

"Наистина искам да сте очаровани. Искам да се заинтересувате от планините и кариерите, мините и рудниците; искам да започнете да събирате минерали; искам да искате да пътувате с нас далеч от града, към реката, където бреговете са високи и скалисти, към планинските върхове или към скалистия морски бряг, там, където разбиват камък, добиват пясък или взривяват руда. Там ще намерим какво да правим: в мъртвите скали, пясъци и камъни ще се научим да разчитаме някои велики природни закони, които управляват целия свят и по които той е изграден.

изучаването на кристалите се извършва от физиката, която твърди, че всяко наистина твърдо тяло е кристал. Химията изучава молекулярната структура на кристалите и стига до извода, че всеки метал има кристална структура.

Изследването на удивителните свойства на кристалите е от голямо значение за развитието на съвременната наука, технология, строителна индустрия и много други отрасли.

Основни закони на кристалите

Първото нещо, което се забелязва при разглеждането на кристал, е неговата перфектна многоъгълна форма, но тя не е основната характеристика на минерала или метала.

Когато един кристал се счупи на малки фрагменти, от идеалната му форма няма да остане нищо, но всеки фрагмент ще остане кристал, както преди. Отличителната черта на един кристал не е неговият външен вид, а функции неговата вътрешна структура.

Симетрия

Първото нещо, което си струва да се запомни и отбележи при изучаването на кристалите, е феноменът симетрия. Той е широко разпространен в заобикалящото ни ежедневие. Крилата на пеперуда са симетрични, отпечатъкът от петно върху лист хартия, сгънат наполовина. снежните кристали са симетрични. Шестоъгълната снежинка има шест равнини на симетрия. Чрез огъване на чертеж по линията, представляваща равнината на симетрия на снежинката, двете ѝ половини могат да се изравнят една с друга.

Остта на симетрия има свойството, че чрез завъртане на фигурата под известен ъгъл около нея, подходящите части на фигурата могат да се подредят една спрямо друга. В зависимост от големината на съответния ъгъл, с който трябва да се завърти фигурата, осите от 2-ри, 3-ти, 4-ти и 6-ти ред се определят в кристали. Така в снежинките има една единствена ос на симетрия от шеста степен, която е перпендикулярна на равнината на рисуване.

Центърът на симетрия е точка в равнината на фигурата на еднакво разстояние, от която същите елементи от структурата на фигурата са разположени в противоположна посока.

И какво има вътре?

вътрешната структура на кристалите е особена комбинация от молекули и атоми в особен ред, характерен само за кристалите. Как познават вътрешната структура на частиците, когато те не се виждат дори под микроскоп??

За тази цел се използват рентгенови лъчи. Прилагайки ги към предаването на светлината в кристалите, немският физик М. Шмид използва рентгеновите лъчи, за да изследва структурата на кристалите. Лауе, английските физици баща и син Браг, руският професор Ю. Улф установява законите, по които изучаваме структурата и строежа на кристалите.

Всичко това се оказа изненадващо и неочаквано. Самата идея за молекулярна структура се оказва неприложима към кристалното състояние на материята.

Например известно на всички вещество, като готварската сол, има химичен състав от молекулата NaCl. Но в кристала отделните хлорни и натриеви атоми не образуват отделни молекули, а конкретна конфигурация, наречена пространствена или кристална решетка. Малките частици хлор и натрий са електрически свързани. Кристалната решетка на солта е съставена, както следва. Един от валентните електрони от външната обвивка на натриевия атом се вгражда във външната обвивка на хлорния атом, която не е напълно запълнена поради липсата на осми електрон в третата обвивка на хлора. Така в един кристал всеки йон на натрий и хлор не принадлежи на отделна молекула, а на целия кристал. Тъй като хлорният атом е едновалентен, той може да присъедини само един електрон към себе си. Но особеностите на кристалната структура означават, че хлорният атом е заобиколен от шест натриеви атома и е невъзможно да се определи кой от тях ще сподели електрон с хлора.

Оказва се, че химическата молекула на готварската сол и нейният кристал не са едно и също нещо. Целият монокристал това е като ще бъде една гигантска молекула.

Решетката е само модел

Трябва да се избягва грешката да се приема пространствената решетка като реален модел на кристалната структура. Решетката е своеобразен конвенционален образ на пример за елементарни частици, които се съединяват в структурата на кристалите. Точките на свързване на решетката под формата на топки представляват визуално представяне на атомите, а свързващите ги линии са приблизително представяне на силите на свързване между тях.

В действителност пространствата между атомите в кристала са много по-малки. Той представлява плътна опаковка от съставни частици. Кълбото е условно обозначение на атом, чието използване ни позволява успешно да отразим свойствата на плътния пакет. В действителност това не е просто съпоставяне на атоми, а тяхното взаимно частично припокриване. С други думи, образът на сфера в структурата на кристалната решетка за по-голяма яснота е изобразена сфера с такъв радиус, който побира по-голямата част от електроните на атома.

Гаранцията за дълготрайност

Между два противоположно заредени йона съществува електрическа сила на привличане. Той е свързващата сила в структурата на йонните кристали, като готварската сол. Но ако йоните се доближат много близо един до друг, електронните им орбити ще се припокрият и ще се появят едноименните отблъскващи сили заредени частици. Разпределението на йоните в кристала е такова, че отблъскващите и привличащите сили са в равновесие, което гарантира кристалната здравина. Тази структура е характерна за йонните кристали.

В решетката на диаманта и графита има свързване на атомите чрез споделени (колективни) електрони. Близко разположените атоми имат общи електрони, които обикалят около ядрото както на единия, така и на съседния атом.

Подробното изследване на теорията на силите в тези връзки е доста трудно и се намира в сферата на квантовата механика.

Различия между металите

Структурата на металните кристали е по-сложна. Поради факта, че металните атоми могат лесно да отдават външните си електрони, те могат да се движат свободно в целия обем на кристала, образувайки в него т.нар. електронен газ. Благодарение на тези "блуждаещи" електрони се създават сили, които осигуряват здравина на металния слитък. Изследванията на реални метални кристали показват, че в зависимост от начина на охлаждане на металния слитък в него могат да съществуват несъвършенства: повърхностни, точкови и линейни. размерът на тези дефекти не надвишава диаметъра на няколко атома, но те нарушават кристалната решетка и влияят на дифузионните процеси в металите.

Израстване на кристал

За по-добро разбиране растежът на едно кристално вещество може да се представи като изграждане на тухлена структура. Ако една тухла от непълна зидария като съединение на кристала, може да се определи къде ще расте кристалът. Енергийните свойства на кристала са такива, че тухла, поставена върху първата тухла, ще изпита привличане с от едната страна - отдолу. Когато се слага на втората, тя се изгражда от две страни, а на третата - от три страни. По време на кристализацията - преминаването от течно в твърдо състояние - се отделя енергия (топлина на топене). За да се постигне най-висока якост на системата, нейната възможна енергия трябва да бъде възможно най-ниска. Ето защо кристалите растат слой по слой. Най-напред се завършва редът от плоскости, след това цялата плоскост и едва след това се пристъпва към изграждането на следващата плоскост.

Науката за кристалите

Основният закон на кристалографията - науката за кристалите - гласи, че всички ъгли между различните равнини на кристалната повърхност са винаги постоянни и еднакви. Без значение колко изкривен е растящият кристал, ъглите между повърхностите на кристала запазват една и съща стойност. Независимо от размера, формата и броя на повърхностите на една плоскост на кристала, те винаги се пресичат под един и същ предварително определен ъгъл. Законът за постоянството на ъглите е открит от М. Шмидт.В. Ломоносов през 1669 г. и е изиграл важна роля в изучаването на кристалната структура.

Анизотропия

Особеност процес на формиране кристалите се дължат на явлението анизотропия - различни физични свойства в зависимост от посоката на растеж. Монокристалите в различни посоки провеждат електричество, топлина и светлина по различен начин и имат различна сила.

Така един и същ химичен елемент с едни и същи атоми може да образува различни решетъчни структури. Въглеродът, например, може да кристализира в диамант и графит. Диамантът е пример за максимална твърдост сред минералите, а графитът лесно оставя своите люспи при писане с молив върху хартия.

Измерването на ъглите между фасетите на минералите е от голяма практическа полза за определяне на тяхната природа.

Основни свойства

След като се запознаем с особеностите на структурата на кристала, можем да опишем накратко основните му свойства:

• Анизотропия - неравномерни свойства в различни посоки.
• Хомогенност - елементарните компоненти на кристалите, разположени на равни разстояния, имат еднакви свойства.
• Самостоятелна гранулярност - всеки фрагмент от кристал ще расте в среда, подходяща за растежа му, като придобива полиедрична форма и е заобиколен от повърхности, съответстващи на вида на кристала. Това свойство позволява на кристала да запази симетрията си.
• Температурата на топене е неизменно една и съща. Разрушаването на решетъчната структура на даден минерал, т.е. преминаването от твърдо в течно състояние, винаги се извършва при една и съща температура.

Кристалите са твърди тела, които имат естествената форма на симетричен полиедър. Структурата на кристалите, характеризираща се с образуването на пространствена решетка, служи като основа за Развитие на теорията на електронната структура на твърдите тела във физиката. Изследването на свойствата и структурата на минералите е от голямо практическо значение.