A kristályokat és drágaköveket nézegetve az ember meg akarja érteni, hogyan jelenhetett meg ez a titokzatos szépség, hogyan születnek ilyen csodálatos természeti alkotások. Fennáll a vágy, hogy többet megtudjanak tulajdonságaikról. Hiszen a kristályok különleges, a természetben sehol sem ismétlődő szerkezete lehetővé teszi, hogy mindenhol felhasználják őket: az ékszerektől a legújabb tudományos és műszaki találmányokig.
Kristályos ásványok tanulmányozása
A kristályok szerkezete és tulajdonságai annyira sokrétűek, hogy egy külön tudomány, az ásványtan foglalkozik e jelenségek tanulmányozásával és tanulmányozásával. A híres orosz akadémikust, Alekszandr Jevgenyevics Fersmant annyira magával ragadta és meglepte a kristályok világának sokfélesége és végtelensége, hogy igyekezett minél több elmét magával ragadni ezzel a témával. Az Entertaining Mineralogy című könyvében lelkesen és melegen buzdított, hogy ismerkedjenek meg az ásványok titkaival, és merüljenek el a drágakövek világában:
Nagyon akarlakrabul ejteni. Azt akarom, hogy kezdjen el érdeklődni a hegyek és kőbányák, bányák és bányák iránt, hogy elkezdjen ásványgyűjteményt gyűjteni, hogy el akarjon menni velünk a távolabbi városból, a folyó folyásáig, ahol ott van. magas sziklás partok, hegyek tetejére vagy sziklás tengerpartra, ahol követ törnek, homokot bányásznak, vagy érc robban. Ott, bárhol te és én találunk valami elfogl altságot: holt sziklákban, homokban és kövekben megtanulunk olvasni néhány nagyszerű természeti törvényt, amelyek az egész világot irányítják, és amelyek szerint az egész világ épül.
A fizika kristályokat tanulmányoz, és azt állítja, hogy minden igazán szilárd test kristály. A kémia a kristályok molekuláris szerkezetét vizsgálja, és arra a következtetésre jut, hogy minden fémnek van kristályos szerkezete.
A kristályok csodálatos tulajdonságainak tanulmányozása nagy jelentőséggel bír a modern tudomány, technológia, az építőipar és sok más iparág fejlődése szempontjából.
A kristályok alaptörvényei
Az első dolog, amit az emberek észrevesznek, ha egy kristályra néznek, az az ideális sokoldalú forma, de nem ez a fő jellemzője egy ásványnak vagy fémnek.
Amikor egy kristályt apró darabokra törnek, semmi sem marad meg az ideális formájából, de bármely töredék, mint korábban, kristály marad. A kristály megkülönböztető vonása nem a megjelenése, hanem a belső szerkezetének jellegzetességei.
Szimmetrikus
A kristályok tanulmányozása során az első dolog, amit emlékezni kell és megjegyezni, az a jelenségszimmetria. A mindennapi életben elterjedt. A pillangó szárnyai szimmetrikusak, egy folt lenyomata egy félbehajtott papíron. Szimmetrikus hókristályok. A hatszögletű hópehelynek hat szimmetriasíkja van. Ha a képet tetszőleges, a hópehely szimmetriasíkját ábrázoló vonal mentén meghajlítja, a két felét kombinálhatja egymással.
A szimmetriatengelynek van egy olyan tulajdonsága, hogy egy alakzatot valamilyen ismert szöggel körülötte elforgatva lehetséges az ábra megfelelő részeit egymással kombinálni. Attól függően, hogy mekkora szöggel kell forgatni a figurát, a kristályokban 2., 3., 4. és 6. rendű tengelyek határozhatók meg. Így a hópelyhekben egyetlen hatodrendű szimmetriatengely van, amely merőleges a rajzsíkra.
A szimmetria középpontja az ábra síkjának egy olyan pontja, amelytől azonos távolságra vannak, amelyektől ellenkező irányban az ábra ugyanazon szerkezeti elemei vannak.
Mi van benne?
A kristályok belső szerkezete molekulák és atomok egyfajta kombinációja, olyan sorrendben, amely csak a kristályokra jellemző. Honnan ismerik a részecskék belső szerkezetét, ha azok még mikroszkóppal sem láthatók?
Röntgensugarakat használnak erre. A kristályok áttetszővé tételére használva M. Laue német fizikus, Bragg apa és fia angol fizikusok, valamint Yu. Wolf orosz professzor megállapította azokat a törvényeket, amelyek szerint a kristályok szerkezetét és szerkezetét tanulmányozzák.
Minden meglepő és váratlan volt. Samoa molekula szerkezetének fogalma az anyag kristályos állapotára alkalmatlannak bizonyult.
Például egy olyan jól ismert anyag, mint a konyhasó, a NaCl-molekula kémiai összetételével rendelkezik. De egy kristályban a klór és a nátrium egyes atomjai nem adódnak össze külön molekulákká, hanem egy bizonyos konfigurációt alkotnak, amelyet tér- vagy kristályrácsnak neveznek. A klór és a nátrium legkisebb részecskéi elektromosan kötődnek. A só kristályrácsa a következőképpen alakul ki. A nátriumatom külső héjának egyik vegyértékelektronja bekerül a klóratom külső héjába, amely a klór harmadik héjában lévő nyolcadik elektron hiánya miatt nincs teljesen feltöltve. Így egy kristályban a nátrium és a klór mindegyik ionja nem egy molekulához, hanem az egész kristályhoz tartozik. Tekintettel arra, hogy a klóratom egyértékű, csak egy elektront tud magához kötni. De a kristályok szerkezeti jellemzői oda vezetnek, hogy a klóratomot hat nátriumatom veszi körül, és lehetetlen meghatározni, hogy melyikük osztozzon egy elektronon a klórral.
Kiderült, hogy a konyhasó kémiai molekulája és kristálya egyáltalán nem ugyanaz. Az egész egykristály olyan, mint egy óriási molekula.
Rács – csak modell
A hibát el kell kerülni, ha a térhálót a kristályszerkezet valós modelljének vesszük. Rács - egyfajta feltételes kép egy példa az elemi részecskék összekapcsolására a kristályok szerkezetében. Rács csatlakozási pontok golyók formájábanvizuálisan lehetővé teszi az atomok ábrázolását, az őket összekötő vonalak pedig a köztük lévő kötőerők hozzávetőleges képei.
A valóságban a kristályon belüli atomok közötti hézagok sokkal kisebbek. Az alkotó részecskék sűrű csomagolása. A labda az atom hagyományos megnevezése, amelynek használata lehetővé teszi a szoros tömítés tulajdonságainak sikeres tükrözését. A valóságban az atomok nem egyszerű érintkezéséről van szó, hanem kölcsönös részleges átfedésükről. Más szavakkal, a kristályrács szerkezetében egy golyó képe az egyértelműség kedvéért az a gömb, amelynek sugara az atom elektronjainak nagy részét tartalmazza.
Erő záloga
Két ellentétes töltésű ion között elektromos vonzási erő hat. Ez egy kötőanyag az ionos kristályok szerkezetében, mint például a konyhasó. De ha nagyon közel hozza az ionokat, akkor elektronpályáik átfedik egymást, és hasonló töltésű részecskék taszító erői jelennek meg. A kristályon belül az ionok eloszlása olyan, hogy a taszító és vonzó erők egyensúlyban vannak, biztosítva a kristályos szilárdságot. Ez a szerkezet az ionos kristályokra jellemző.
A gyémánt és a grafit kristályrácsaiban pedig az atomok összeköttetése van közös (kollektív) elektronok segítségével. A szorosan elhelyezkedő atomoknak közös elektronjaik vannak, amelyek mind az egyik, mind a szomszédos atomok magja körül keringenek.
Az ilyen kötésekkel járó erők elméletének részletes tanulmányozása meglehetősen nehéz, és a kvantummechanika területére esik.
Metál különbségek
A fémkristályok szerkezete összetettebb. Tekintettel arra, hogy a fématomok könnyen átadják a rendelkezésre álló külső elektronokat, szabadon mozoghatnak a kristály teljes térfogatában, létrehozva benne az úgynevezett elektrongázt. Az ilyen "vándorló" elektronoknak köszönhetően olyan erők jönnek létre, amelyek biztosítják a fémrúd szilárdságát. A valódi fémkristályok szerkezetének vizsgálata azt mutatja, hogy a fémrúd hűtési módjától függően előfordulhat, hogy felületi, pontszerű és lineáris hibákat tartalmaz. Az ilyen hibák mérete nem haladja meg több atom átmérőjét, de torzítják a kristályrácsot és befolyásolják a fémek diffúziós folyamatait.
Kristálynövekedés
A kényelmesebb megértés érdekében a kristályos anyag növekedése egy téglaszerkezet felállításaként is ábrázolható. Ha egy befejezetlen falazat egy téglát egy kristály szerves részeként mutatnak be, akkor meg lehet határozni, hogy a kristály hol fog növekedni. A kristály energiatulajdonságai olyanok, hogy az első téglára helyezett tégla az egyik oldalról - alulról - vonzza. Amikor a másodikra fektetik - két oldalról, a harmadikra - háromról. A kristályosodás folyamatában - a folyadékból a szilárd állapotba való átmenet során - energia (fúziós hő) szabadul fel. A rendszer legnagyobb szilárdsága érdekében a lehetséges energiát minimálisra kell csökkenteni. Ezért a kristályok növekedése rétegről rétegre megy végbe. Először a gép egy sora készül el, majd az egész sík, és csak ezután kezdik el építeni a következőt.
Science ofkristályok
A krisztallográfia alaptörvénye – a kristályok tudománya – azt mondja, hogy a kristálylapok különböző síkjai közötti minden szög állandó és azonos. Nem számít, mennyire torz egy növekvő kristály, a lapjai közötti szögek megőrzik ugyanazt az értéket, ami ebben a típusban rejlik. Mérettől, alaktól és számtól függetlenül ugyanazon kristálysík lapjai mindig ugyanabban az előre meghatározott szögben metszik egymást. A szögállandóság törvényét M. V. fedezte fel. Lomonoszov 1669-ben, és jelentős szerepet játszott a kristályok szerkezetének tanulmányozásában.
Anizotrópia
A kristályképződés folyamatának sajátossága az anizotrópia jelenségének köszönhető - a növekedés irányától függően eltérő fizikai jellemzők. Az egykristályok különböző irányokba eltérően vezetik az elektromosságot, a hőt és a fényt, és nem egyenlő erősséggel.
Így ugyanaz a kémiai elem azonos atomokkal különböző kristályrácsokat képezhet. Például a szén gyémánttá és grafittá kristályosodhat. Ugyanakkor a gyémánt a legnagyobb szilárdság példája az ásványok között, a grafit pedig könnyen elhagyja pikkelyeit, ha ceruzával írunk papírra.
Az ásványok felületei közötti szögek mérése nagy gyakorlati jelentőséggel bír természetük meghatározása szempontjából.
Alapvető funkciók
A kristályok szerkezeti jellemzőinek megismerése után röviden leírhatjuk főbb tulajdonságaikat:
- Anizotrópia – egyenetlen tulajdonságok különböző irányokban.
- Egységesség – elemia kristályok egyenlő távolságra lévő alkotórészei ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkeznek.
- Az önvágás képessége – a növekedésre alkalmas tápközegben lévő kristály bármely töredéke sokoldalú formát ölt, és az ilyen típusú kristályoknak megfelelő felületekkel borítja be. Ez a tulajdonság teszi lehetővé, hogy a kristály megőrizze szimmetriáját.
- Az olvadáspont invarianciája. Az ásvány térrácsának megsemmisülése, vagyis a kristályos anyag szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba való átmenete mindig ugyanazon a hőmérsékleten történik.
A kristályok olyan szilárd anyagok, amelyek egy szimmetrikus poliéder természetes alakját vették fel. A kristályok szerkezete, amelyet a térháló képződése jellemez, alapul szolgált a szilárd testek elektronszerkezete elméletének fizikában történő kidolgozásához. Az ásványok tulajdonságainak és szerkezetének tanulmányozása nagy gyakorlati jelentőséggel bír.
