Structura cristalină: caracteristici și proprietăți fizice

Privind cristalele și pietrele semiprețioase, ne întrebăm cum a putut apărea acest material enigmatic.. frumusețe, Cum sunt create astfel de opere uimitoare ale naturii?. Există o dorință de a afla mai multe despre proprietățile lor. La urma urmei, structura specială a cristalelor, care nu se găsește nicăieri în natură, permite utilizarea lor peste tot: de la bijuterii la cele mai recente invenții științifice și tehnice.

Studierea mineralelor cristaline

Structura și proprietățile cristalelor sunt atât de versatile încât o știință separată, mineralogia, studiază aceste fenomene. Celebrul academician rus Alexander Evgenievich Fersman a fost atât de absorbit și uimit de varietatea și nelimitarea lumii cristalelor, încât a încercat să implice cât mai multe minți în acest subiect. În cartea sa "Amusing Mineralogy", ne-a încurajat cu entuziasm și căldură să explorăm misterele mineralelor și să pătrundem în lumea pietrelor prețioase:

Chiar vreau să fii fascinat. Vreau să te intereseze munții și carierele, minele și exploatările miniere; vreau să începi să colecționezi colecții de minerale; vreau să vrei să pornești cu noi din oraș, în aval, acolo unde râul este înalt și stâncos, spre vârfurile munților sau spre țărmul stâncos al mării, acolo unde se sparge piatră, se extrage nisip sau se exploatează minereu. Vom găsi ceva de făcut acolo: în rocile, nisipurile și pietrele moarte vom învăța să citim câteva mari legi ale naturii, care guvernează întreaga lume și prin care este construită întreaga lume.

Studiul cristalelor este opera fizicii, care susține că orice corp cu adevărat solid este un cristal. Chimia studiază structura moleculară a cristalelor, ajungând la concluzia că orice metal are o structură cristalină.

Studierea proprietăților uimitoare ale cristalelor este de mare importanță pentru dezvoltarea științei moderne, a tehnologiei, a industriei construcțiilor și a multor alte ramuri.

Legile de bază ale cristalelor

Primul lucru pe care îl observăm atunci când privim un cristal este forma sa poligonală perfectă, dar aceasta nu este principala caracteristică a unui mineral sau a unui metal.

Dacă cristalul este spart în bucăți mici, nu mai rămâne nimic din forma sa ideală, ci fiecare dintre bucăți rămâne un cristal, ca mai înainte. Caracteristica distinctivă a unui cristal nu este aspectul său, ci aspectul său caracteristici a structurii sale interne.

Simetrie

Primul lucru care merită reținut și observat atunci când se studiază cristalele este fenomenul de simetrie. Este larg răspândită în viața de zi cu zi din jur. Aripi de fluture simetrice, o imprimare pe o bucată de hârtie îndoită în două. Cristalele de zăpadă sunt simetrice. Un fulg de zăpadă hexagonal are șase planuri de simetrie. Îndoind un desen de-a lungul oricărei linii care reprezintă planul de simetrie al unui fulg de zăpadă, cele două jumătăți ale sale pot fi aliniate una cu cealaltă.

Axa de simetrie are proprietatea că, prin rotirea figurii cu un anumit unghi cunoscut în jurul ei, se pot combina părțile corespunzătoare ale figurii. În funcție de mărimea unghiului adecvat cu care trebuie rotită forma, cristalele sunt definite de axele de ordinul 2, 3, 4 și 6. Astfel, în fulgii de zăpadă există o singură axă de simetrie de ordinul al șaselea, care este perpendiculară pe planul de desen.

Centrul de simetrie este un punct din planul figurii, aflat la o distanță egală, de la care aceleași elemente ale structurii figurii sunt situate în sens opus.

Ce este înăuntru??

Structura internă a cristalelor este o combinație de molecule și de atomi într-o ordine specială, specifică doar cristalelor. Cum pot cunoaște structura internă a particulelor dacă acestea nu sunt vizibile nici măcar la microscop??

În acest scop se folosesc raze X. Folosindu-le pentru a vedea prin cristale, fizicianul german M. Laue, fizicienii englezi tatăl și fiul Bragg, profesorul rus Yu. Wulf a stabilit legile în funcție de care se poate studia structura și structura cristalelor.

Totul s-a dovedit a fi surprinzător și neașteptat. Însăși ideea de structură a unei molecule s-a dovedit a fi inaplicabilă la starea cristalină a materiei.

De exemplu, o substanță cunoscută de toți, cum ar fi sarea de masă, are compoziția chimică a moleculei NaCl. Dar într-un cristal, atomii individuali de clor și sodiu nu se combină pentru a forma molecule individuale, ci formează o configurație specială numită rețea spațială sau cristalină. Micile particule de clor și sodiu sunt legate electric. Rețeaua cristalină a sării se compune după cum urmează. Unul dintre electronii de valență din învelișul exterior al atomului de sodiu este încorporat în învelișul exterior al atomului de clor, care nu este complet plin din cauza absenței unui al optulea electron în al treilea înveliș al clorului. Astfel, în cristal, fiecare ion de sodiu și clor nu aparține unei molecule, ci întregului cristal. Deoarece atomul de clor este univalent, acesta poate atașa un singur electron la el însuși. Dar particularitățile structurii cristaline fac ca atomul de clor să fie înconjurat de șase atomi de sodiu și este imposibil de spus care dintre ei va împărți un electron cu clorul.

Se pare că molecula chimică a sării de masă și cristalul acesteia nu sunt deloc același lucru. Întregul monocristal - e ca și cum ...dacă o moleculă uriașă...

Rețeaua este doar un model

Ar trebui evitată greșeala de a considera rețeaua spațială ca fiind un model real al structurii cristaline. Rețeaua este un fel de reprezentare caricaturală a conexiunii dintre particulele elementare în structura cristalelor. Articulațiile sferice ale rețelei sunt o reprezentare aproximativă a atomilor, iar liniile care îi conectează sunt o reprezentare aproximativă a forțelor de legătură dintre ei.

În realitate, spațiile dintre atomii dintr-un cristal sunt mult mai mici. Este o împachetare densă a particulelor care o compun. Un balon este o convenție pentru atomi, a cărei utilizare permite reflectarea cu succes a proprietăților unei împachetări dense. În realitate, nu există un simplu contact al atomilor, ci o suprapunere parțială reciprocă a acestora. Cu alte cuvinte, imaginea unei sfere în structura rețelei cristaline este, pentru claritate, o sferă cu o astfel de rază, care conține cea mai mare parte a electronilor atomului.

Garanția de durabilitate

Există o forță electrică de atracție între doi ioni cu sarcină opusă. Este obligatoriu în structura cristalelor ionice, cum ar fi sarea de masă. Dar dacă aduceți ionii foarte aproape unul de celălalt, orbitele electronice ale acestora se suprapun, există forțe repulsive cu același nume de particule încărcate. În interiorul cristalului, distribuția ionilor este astfel încât forțele de respingere și atracție sunt în echilibru, asigurând rezistența cristalină. Această structură este caracteristică cristalelor ionice.

Și în rețelele cristaline de diamant și grafit există o conexiune a atomilor prin intermediul electronilor comuni (colectivi). Atomii apropiați au electroni comuni care se rotesc în jurul nucleului atât al atomului respectiv, cât și al atomului vecin.

Un studiu detaliat al teoriei forțelor la astfel de cuplaje este destul de complicat și se află în domeniul mecanicii cuantice.

Diferențe de metale

Structura cristalelor metalice este mai complexă. Deoarece atomii de metal pot renunța cu ușurință la electronii lor externi, aceștia se pot deplasa liber în întregul volum al cristalului, formând un așa-numit gaz de electroni în interiorul acestuia. Acești electroni "rătăcitori" creează forțele care asigură rezistența unui lingou de metal. Studiile asupra cristalelor metalice reale arată că, în funcție de modul de răcire a lingoului metalic, pot exista imperfecțiuni în acesta: de suprafață, punctiforme și liniare. Dimensiunea acestor defecte nu depășește diametrul a câțiva atomi, dar ele distorsionează rețeaua cristalină și afectează procesele de difuzie în metale.

Creșterea unui cristal

Pentru o mai bună înțelegere, creșterea unei substanțe cristaline poate fi reprezentată ca ridicarea unei zidării. Dacă o cărămidă de zidărie nefinisată este imaginată ca element constitutiv parte a cristalului, atunci puteți determina unde va crește cristalul. Proprietățile energetice ale unui cristal sunt de așa natură încât o cărămidă așezată pe prima cărămidă va simți o atracție cu o parte - de jos. atunci când este așezat pe a doua, pe două laturi, iar pe a treia, pe trei laturi. În momentul cristalizării, lichidul se solidifică, iar energia (topurizarea) este eliminată. Pentru a maximiza rezistența sistemului, energia posibilă a acestuia ar trebui să tindă să fie cât mai mică posibil. Acesta este motivul pentru care cristalele cresc strat cu strat. Mai întâi se termină rândul de planuri, apoi întregul plan și abia apoi se începe construcția planului următor.

Știința cristalelor

Legea de bază a cristalografiei, știința cristalelor, spune că toate unghiurile dintre diferitele planuri ale fețelor cristalului sunt întotdeauna constante și identice. Indiferent cât de deformat este cristalul în creștere, unghiurile dintre fețele cristalului păstrează aceeași valoare inerentă. Indiferent de mărime, formă sau număr, fețele unui plan al unui cristal se intersectează întotdeauna la același unghi prestabilit. Legea constanței unghiurilor a fost descoperită de M. Hoffmann.В. Lomonosov în 1669 și a jucat un rol important în studiul structurii cristaline.

Анизотропия

Peculiaritate procesul de formare cristalele sunt cauzate de fenomenul de anizotropie - proprietăți fizice diferite în funcție de direcția de creștere. Electricitatea, căldura și lumina sunt transportate în mod inegal în direcții diferite în monocristale și au o rezistență inegală.

Astfel, același element chimic cu aceiași atomi poate forma structuri de rețea diferite. De exemplu, carbonul se poate cristaliza în diamant și grafit. Diamantul este un exemplu de cea mai mare durabilitate dintre minerale, în timp ce grafitul își lasă cu ușurință fulgii atunci când este scris pe hârtie cu un creion.

Măsurarea unghiurilor dintre fațetele mineralelor are o mare valoare practică pentru a determina natura acestora.

Основные свойства

Узнав особенности строения кристаллов, кратко можно описать их основные свойства:

• Anizotropie - neuniformitatea proprietăților în diferite direcții.
• Omogenitate - componentele elementare ale unui cristal, dispuse uniform, au toate aceleași proprietăți.
• Capacitatea de autoformare - orice fragment de cristal poate crește într-un mediu de creștere adecvat, luând o formă poligonală și formându-și fațetele. Această proprietate este cea care permite cristalului să își păstreze simetria.
• Punct de topire invariabil. Distrugerea rețelei spațiale a unui mineral, adică trecerea de la solid la lichid, are loc întotdeauna la aceeași temperatură.

Cristale - sunt solide care au luat forma naturală a unui poliedru simetric. Structura cristalelor, caracterizată prin formarea unei rețele spațiale, a servit la baza pentru развития в физике теории электронной структуры твердого тела. Studiul proprietăților și structurii mineralelor are o mare importanță practică.