Теория решётчатого строения кристаллов была создана в середине 19 века французским кристаллографом О. Бравэ, а затем русский кристаллограф академик Е. С. Фёдоров и немецкий учёный А. Шенфлис завершили математическую разработку этой теории. При создании и разработке теории решетчатого строения кристаллов Бравэ, Фёдоров и др. кристаллографы основывались исключительно на некоторых важных свойствах кристаллического вещества.
Основными свойствами кристаллов являются их однородность, анизотропность, способность самоограняться и симметричность.
Однородным обычно называют тело, которое обнаруживает одинаковые свойства во всех своих частях. Кристаллическое тело однородно, т. к. различные участки его имеют одинаковое строение, т. е. одинаковую ориентировку слагающих частиц, принадлежащих одной и той же пространственной решётке. Однородность кристалла следует отличать от однородности жидкости или газа, которая имеет статистический характер.
Анизотропным называется такое однородное тело, которое обладает неодинаковыми свойствами по непараллельным направлениям. Кристаллическое тело анизотропно, т. к. строение пространственной решётки, а значит и самого кристалла, в общем случае неодинаково по непараллельным направлениям. По параллельным же направлениям частицы слагающие кристалл, как и узлы его пространственной решётки, расположены строго одинаковым образом, поэтому и свойства кристалла по таким направлениям должны быть одними и теми же.
Характерный пример резко выраженной анизотропности представляет слюда, кристаллы которой легко расщепляются лишь по одному определённому направлению. В качестве другого яркого примера анизотропности можно привести минерал дистен (AlOAl), у кристаллов которого боковые грани имеют сильно различающиеся значения твердости в продольном и поперечном направлениях. Если из кристалла каменной соли, имеющего форму куба, вырезать стерженьки по разным направлениям, то для разрыва этих стерженьков потребуются разные усилия. Стерженёк, перпендикулярный граням куба, разорвётся при усилии около 570 Г/мм 2 ; для стерженька, параллельного гранным диагоналям, разрывающее усилие составит 1150 Г/мм 2 , а разрыв стерженька, параллельного телесной диагонали куба, произойдет при усилии 2150 Г/мм 2 .
Приведенные примеры, конечно, исключительны по своей характерности. Однако точными исследованиями установлено, что абсолютно все кристаллы в том или ином отношении обладают анизотропностью.
Однородностью и в некоторой степени анизотропностью могут обладать также и аморфные тела. Но ни при каких условиях аморфные вещества не могут сами по себе принимать форму многогранников. Образовываться в виде плоскостных многогранников могут лишь кристаллические тела. В способности самоограняться , т. е. принимать многогранную форму, проявляется наиболее характерный внешний признак кристаллического вещества.
Правильная геометрическая форма кристаллов с давних пор привлекала внимание человека, и её загадочность вызывала в прошлом у людей различные суеверия. Кристаллы таких веществ, как алмаз, изумруд, рубин, сапфир, аметист, топаз, бирюза, гранат и др., ещё в 18 в. считались носителями сверхъестественных сил и использовались не только как драгоценные украшения, но и как талисманы или средство от многих болезней и укусов ядовитых змей.
На самом же деле способность самоограняться, как и первые два свойства, является следствием правильного внутреннего строения кристаллического вещества. Внешние границы кристаллов как бы отражают эту правильность их внутреннего строения, ибо каждый кристалл можно рассматривать как часть его пространственной решётки, ограниченной плоскостями (гранями).
Необходимо вместе с тем отметить, что способность кристаллического вещества самоограняться проявляется не всегда, а только при особо-благоприятных условиях, когда внешняя окружающая среда не мешает образованию и свободному росту кристаллов. При отсутствии таких условий получаются или совершенно неправильные или частично деформированные кристаллы. Несмотря на это они сохраняют все свои внутренние свойства, в том числе и причины, заставляющие кристаллы принимать форму многогранника. Поэтому, если кристаллическое зерно неправильной формы поместить в определённые условия, в которых кристалл сможет свободно расти, то оно примет через некоторое время форму плоскостного многогранника, присущую данному веществу.
Симметрия кристаллов также является отражением их закономерного внутреннего строения. Все кристаллы в той или иной степени симметричны, т. е. состоят из закономерно повторяющихся равных частей, так как их строение выражается пространственной решёткой, которая по своей природе всегда симметрична.
Открытие мюнхенским физиком М. Лауэ в 1912 г. явления дифракции рентгеновских лучей при их прохождении через кристалл явилось первым экспериментальным подтверждением правильности теории решетчатого строения кристаллического вещества. С этого момента стало возможным, с одной стороны, посредством кристаллов исследовать рентгеновские лучи, а с другой - с помощью рентгеновских лучей исследовать внутреннее строение кристаллов. Таким путём было доказано, что абсолютно все кристаллы состоят из частиц, расположенных друг относительно друга закономерно, наподобие узлов пространственной решётки.
После опытов Лауэ теория решетчатого строения кристаллов перестала быть только лишь умозрительным построением и приобрела форму закона.
Лицей современных технологий управления
Реферат по физике
Кристаллы и их свойства
Выполнил:
Проверил:
Введение
Кристаллические тела являются одой из разновидностей минералов.
Кристаллическими называют твердые тела, физические свойства которых не одинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях.
Семейство кристаллических тел состоит из двух групп - монокристаллов и поликристаллов. Первые иногда обладают геометрически правильной внешней формой, а вторые, подобно аморфным телам, не имеют присущей данному веществу определенной формы. Но в отличие от аморфных тел структура поликристаллов неоднородна, зерниста. Они представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов - кристаллитов. Поликристаллическую структуру чугуна, например, можно обнаружить, если рассмотреть с помощью лупы образец на изломе.
По размерам кристаллы бывают различными. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн.
Строение кристаллов
Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством - какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами. Грани кварца имеют форму неправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и те же - 120°.
Закон постоянства углов, открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах - кристаллографии.
Измерение углов между гранями кристаллов имеет очень большое практическое значение, так как по результатам этих измерений во многих случаях может быть достоверно определена природа минерала. Простейшим прибором для измерения углов кристаллов является прикладной гониометр. Применение прикладного гониометра возможно только для исследования крупных кристаллов, невелика и точность измерений, выполненных с его помощью. Различить, например, кристаллы кальцита и селитры, сходные по форме и имеющие углы между соответственными гранями, равные 101° 55" первого и 102°41,5" у второго, с помощью прикладного гониометра очень трудно. Поэтому в лабораторных условиях измерений углов между гранями кристалла обычно выполняют с помощью более сложных и точных приборов.
Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко. Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как колебания температуры, тесное окружение соседними твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошлом совершенную огранку, успела утратить ее под действием воды, ветра, трения о другие твердые тела. Так, многие округлые прозрачные зерна, которые можно найти в прибрежном песке, являются кристаллами кварца, лишившимися граней в результате длительного трения друг о друга.
Существует несколько способов, позволяющих узнать, является ли твердое тело кристаллом. Самый простой из них, но очень малопригодный для использования, был открыт в результате случайного наблюдения в конце XVIII в. Французский ученый Ренне Гаюи нечаянно уронил один из кристаллов своей коллекции. Рассмотрев осколки кристалла, он заметил, что многие из них представляют собой уменьшенные копии исходного образца.
Замечательное свойство многих кристаллов давать при дроблении осколки, подобные по форме исходному кристаллу, позволило Гаюи высказать гипотезу, что все кристаллы состоят из плотно уложенных рядами маленьких, невидимых в микроскоп, частиц, имеющих присущую данному веществу правильную геометрическую форму. Многообразие геометрических форм Гаюи объяснил не только различной формой «кирпичиков», из которых они состоят, но и различными способами их укладки.
Гипотеза Гаюи правильно отразила сущность явления - упорядоченное и плотное расположение структурных элементов кристаллов, но она не ответила на целый ряд важнейших вопросов. Существует ли предел сохранению формы? Если существует, то что представляет собой самый маленький «кирпичик»? Имеют ли атомы и молекулы вещества форму многогранников?
Еще в XVIII в. английский ученый Роберт Гук и голландский ученый Христиан Гюйгенс обратили внимание на возможность построения правильных многогранников из плотно укладываемых шаров. Они предположили, что кристаллы построены из шарообразных частиц - атомов или молекул. Внешние формы кристаллов согласно этой гипотезе являются следствием особенностей плотной упаковки атомов или молекул. Независимо от них к такому же выводу пришел в 1748 г. великий русский ученый М. В. Ломоносов.
При плотнейшей укладке шаров в один плоский слой каждый шар оказывается окруженным шестью другими шарами, центры которых образуют правильный шестиугольник. Если укладку второго слоя вести по лункам между шарами первого слоя, то второй слой окажется таким же, как и первый, только смещенным относительно него в пространстве.
Укладка третьего слоя шаров может быть осуществлена двумя способами (рис.1). В первом способе шары третьего слоя укладываются в лунки, находящиеся точно над шарами первого слоя, и третий слой оказывается точной копией первого. При последующем повторении укладки слоев этим способом получается структура, называемая гексагональной плотноупакованной структурой. Во втором способе шары третьего слоя укладываются в лунки, не находящиеся точно над шарами первого слоя. При этом способе упаковки получается структура, называемая кубической плотноупакованной структурой. Обе упаковки дают степень заполнения объема 74%. Никакой другой способ расположения шаров в пространстве при отсутствии их деформации большей степени заполнения объема не дает.
При укладке шаров ряд за рядом способом гексагональной плотной упаковки можно получить правильную шестигранную призму, второй способ упаковки ведет к возможности построения куба из шаров.
Если при построении кристаллов из атомов или молекул действует принцип плотной упаковки, то, казалось бы, в природе должны встречаться кристаллы только в виде шестигранных призм и кубов. Кристаллы такой формы действительно очень распространены. Гексагональный плотной упаковке атомов соответствует, например, форма кристаллов цинка, магния, кадмия. Кубической плотной упаковке соответствует форма кристаллов меди, алюминия, серебра, золота и ряда других металлов.
Но этими двумя формами многообразие мира кристаллов вовсе не ограничивается.
Существование форм кристаллов, не соответствующих принципу плотнейшей упаковки равновеликих шаров, может иметь разные причины.
Во-первых, кристалл может быть построен с соблюдением принципа плотной упаковки, но из атомов разных размеров или из молекул, имеющих форму, сильно отличающуюся от шарообразной (рис.2). Атомы кислорода и водорода имеют шарообразную форму. При соединении одного атома кислорода и двух атомов водорода происходит взаимное проникновение их электронных оболочек. Поэтому молекула воды имеет форму, значительно отличающуюся от шарообразной. При затвердевании воды плотная упаковка ее молекул не может осуществляться тем же способом, что и упаковка равновеликих шаров.
Во - вторых, отличие упаковки атомов или молекул от плотнейшей может быть объяснено существованием более сильных связей между ними по определенным направлениям. В случае атомных кристаллов направленность связей определяется структурой внешних электронных оболочек атомов, в молекулярных кристаллах - строением молекул.
Разобраться в устройстве кристаллов, пользуясь только объемными моделями их строения, довольно трудно. В связи с этим часто применяется способ изображения строения кристаллов с помощью пространственной кристаллической решетки. Она представляет собой пространственную сетку, узлы которой совпадают с положением центров атомов (молекул) в кристалле. Такие модели просматриваются насквозь, но по ним нельзя ничего узнать о форме и размерах частиц, слагающих кристаллы.
В основе кристаллической решетки лежит элементарная ячейка - фигура наименьшего размера, последовательным переносом которой можно построить весь кристалл. Для однозначной характеристики ячейки нужно задать размеры ее ребер а, в и с и величину углов a, b и g между ними. Длину одного из ребер называют постоянной кристаллической решетки, а всю совокупность шести величин, задающих ячейку, - параметрами ячейки.
На рисунке 3 показано, как можно застроить все пространство путем сложения элементарных ячеек.
Важно обратить внимание на то, что большинство атомов, а для многих типов кристаллической решетки и каждый атом принадлежит не одной элементарной ячейке, а входит одновременно в состав нескольких соседних элементарных ячеек. Рассмотрим, к примеру, элементарную ячейку кристалла каменной соли.
За элементарную ячейку кристалла каменной соли, из которой, переносом в пространстве можно построить весь кристалл, должна быть принята часть кристалла, представленная на рисунке. При этом нужно учесть, что от ионов, находящихся в вершинах ячейки, ей принадлежит лишь одна восьмая каждого из них; от ионов, лежащих на ребрах ячейки, ей принадлежит по одной четвертой каждого; от ионов, лежащих на гранях, на долю каждой из двух соседних элементарных ячеек приходится по половине иона.
Подсчитаем число ионов натрия и число ионов хлора, входящих в состав одной элементарной ячейки каменной соли. Ячейке целиком принадлежит один ион хлора, расположенный в центре ячейки, и по одной четверти каждого из 12 ионов, расположенных на ребрах ячейки. Всего ионов хлора в одной ячейке 1+12*1/4=4. Ионов натрия в элементарной ячейке-шесть половинок на гранях и восемь восьмушек в вершинах, всего 6*1/2+8*1/8=4.
Как отличить кристаллы от некристаллических твердых тел? Может быть, по многогранной форме? Но у кристаллических зерен в металле или в горной породе форма неправильная; а с другой стороны стекло, например, тоже может быть многогранным - кто не видел граненых стеклянных бус? Однако мы говорим, что стекло - некристаллическое вещество. Почему?
Прежде всего потому, что кристаллы сами без помощи человека, принимают свою многогранную форму, а стекло должно быть огранено рукой человека.
Все вещества в мире построены из мельчайших, не видимых глазом, непрерывно движущихся частиц - из ионов, атомов, молекул.
Основное же различие между и стеклами заключается в их внутреннем строении, в том, как расположены в них мельчайшие частички вещества - молекулы, атомы и ионы. В газообразных телах, жидкостях и некристаллических твердых телах, например в стекле, мельчайшие частицы вещества расположены совершенно беспорядочно. А в твердых кристаллических телах частицы расположены как бы правильным строем. Они напоминают группу физкультурников в строю, с той, однако, разницей, что правильные ряды частиц тянутся не только вправо и влево, вперед и назад, но и вверх и вниз. Кроме того, частицы не стоят неподвижно, а непрерывно колеблются, удерживаясь на своих местах электрическими силами. Расстояния между частицами внутри кристаллов малы так же, как малы и сами атомы: на отрезке длиной в 1 см можно расположить примерно 100 млн. атомов. Это очень большое число: представьте себе, что 100 млн. человек выстроены в шеренгу плечом к плечу. Такая шеренга могла бы опоясать Землю по экватору.
Правильный строй частиц в каждом веществе различен, поэтому так многообразны формы кристаллов. Но у всех кристаллов атомы или молекулы обязательно расположены в строгом порядке, а у некристаллических тел такого порядка нет. Поэтому мы и говорим: кристаллы - это твердые тела, в которых составляющие их частицы расположены правильным строем.
Законы построения всех кристаллов теоретически вывели великий русский кристаллограф Евграф Степанович Федоров (1853-1919) и немецкий кристаллограф Артур Шёнфлис. Замечательно, что Федоров сделал это за 20 лет до того, как в 1912 г. на опыте с помощью рентгеновских лучей было доказано, что действительно атомы в кристаллах располагаются правильным строем и что законы их расположения именно таковы, как было гениально предугадано русским ученым.
Правильное периодическое расположение атомов (или других частиц) в кристалле называется кристаллической решеткой .
Каждый имеет свою характерную многогранную форму, которая зависит от строения его кристаллической решетки. К примеру, кристаллы поваренной соли имеют, как правило, форму куба, другие вещества кристаллизуются в виде всевозможных пирамид, призм, восьмигранников (октаэдров) и других многогранников.
Но в природе такие правильные формы кристаллов встречаются редко, об этом вы прочтете дальше.
Некристаллические вещества не имеют собственной формы, потому что составляющие их частицы расположены хаотично, беспорядочно.
Правильное расположение частиц определяет и свойства кристалла. Не поразительно ли, например, что два столь различных минерала, как невзрачный черный графит и сверкающий прозрачный , построены из одних и тех же атомов углерода! - это кристаллы углерода. Если кристаллические решетки из атомов углерода построены по одному образцу, то они образуют прозрачные кристаллы алмаза, самого твердого из всех веществ на Земле и самого дорогого из драгоценных камней.Но если те же атомы углерода располагаются по другому, то получаются мелкие, черные, непрозрачные кристаллы графита - одного из самых мягких минералов. Алмаз почти вдвое тяжелее графита. Графит проводит электричество, а алмаз не проводит. Кристаллы алмаза хрупки, кристаллы графита гибки. Алмаз легко сгорает в струе кислорода, а из графита даже делается огнеупорная посуда - настолько он противостоит огню. Два совершенно различных вещества, а построены из одних и тех же атомов, и разница между ними лишь в их различной структуре.
Строение алмаза совсем иное, чем у графита; здесь нет легко сдвигающихся слоев, и алмаз оказывается гораздо прочнее графита.
Каждый знает кристаллы слюды. Слюду легко расщепить лезвием ножа или просто пальцами: листочки слюды отделяются друг от друга почти без труда. Но попробуйте разделить, разрезать или разбить слюду поперек плоскости пластинки - это очень трудно:слюда, непрочная вдоль плоскости листка, в поперечном направлении оказывается намного проч¬нее. Прочность кристаллов слюды в разных направлениях различна.
Это свойство опять-таки характерно для кристаллов. Известно, что стекло, например, легко разбивается как угодно, во всех направлениях, на неправильные осколки. А вот кристалл каменной соли, как бы мелко ни разбивать его, всегда останется кубом, т. е. он все время легко раскалывается только по взаимно-перпендикулярным, совершенно плоским граням.
Кристалл раскалывается по тем направлениям, где прочность меньше всего. Не у каждого кристалла это выявляется так ясно, как у слюды или каменной соли - например, кварц не раскалывается по ровным плоскостям,- у всех кристаллов прочность в разных направлениях различна. У каменной соли, например в одном направлении прочность в восемь раз больше, чем в другом, а у кристаллов цинка - в десять раз. По этому признаку можно отличить кристаллы от некристаллов: в некристаллических телах прочность одинакова по всем направлениям, поэтому они никогда не раскалываются по ровным плоскостям.
Если нагревать какое-нибудь тело, то он начнет расширяться. И тут легко увидеть разницу между веществами кристаллическими и некристаллическими: стекло будет расширяться по всем направлениям одинаково, а кристалл по разным направлениям различно. Кристаллы кварца, например, расширяется в продольном направлении вдвое больше, чем в поперечном. Твердость, теплопроводность, электрические и другие свойства кристаллов также различны по разным направлениям.
Особый интерес представляют оптические свойства кристаллов. Если разглядывать сквозь кристаллы исландского шпата предметы, то они будут казаться удвоенными. В кристалле исландского шпата луч света раздваивается. Такое свойство тоже различно по разным направлениям: если вращать кристалл, то буквы будут раздваиваться то больше, то меньше.
Формы кристаллических многогранников поражают взгляд своей строгой симметрией.
Симметрия кристаллов - важное и характерное их свойство. По форме кристаллов и по их симметрии определяют кристаллическое вещество.
Кристаллы одни из самых красивых и загадочных творений природы. Трудно сейчас назвать тот далекий год на заре развития человечества, когда внимательный взгляд одного из наших предков выделил среди земных пород небольшие блестящие камни, похожие на сложные геометрические фигуры, которые вскоре стали служить драгоценными украшениями.
Пройдет несколько тысячелетий, и люди осознают, что вместе с красотой природных самоцветов в их жизнь вошли кристаллы
Кристаллы встречаются нам повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы, выращиваем кристаллы в лаборатории, создаем приборы, широко применяем кристаллы в науке и технике, лечимся кристаллами, находим их в живых организмах, проникаем в тайны строения кристаллов.
Кристаллы, залегающие в земле бесконечно разнообразны. Размеры природных многогранников достигают подчас человеческого роста и более. Встречаются кристаллы-лепестки тоньше бумаги и кристаллы пласты в несколько метров толщиной. Бывают кристаллы маленькие, узкие, острые, как иголки, и бывают громадные, как колонны. В некоторых местностях Испании такие кристаллические колонны ставят для ворот. В музее Горного института С. Петербурга хранится кристалл горного хрусталя (кварца) высотой более метра и весом больше тонны. Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны как вода
Кристаллы льда и снега
Кристаллы замерзающей воды, то есть лёд и снег, известны всем. Эти кристаллы почти полгода покрывают необозримые пространства Земли, лежат на вершинах гор и сползают с них ледниками, плавают айсбергами в океанах. Ледяной покров реки, массив ледника или айсберга – это, конечно, не один большой кристалл. Плотная масса льда обычно поликристаллическая, то есть состоит из множества отдельных кристаллов; их не всегда различишь, потому, что они мелкие и все срослись вместе. Иногда эти кристаллы можно различить в тающем льду. Каждый отдельный кристаллик льда, каждая снежинка, хрупка и мала. Часто говорят, что снег падает, как пух. Но даже это сравнение, можно сказать, слишком «тяжело»: снежинка легче, чем пушинка. Десяток тысяч снежинок составляют вес одной копейки. Но, соединяясь в огромных количествах вместе, снежные кристаллы могут остановить поезд, образовывая снежные завалы.
Кристаллики льда могут в несколько минут погубить самолет. Обледенение - страшный враг самолетов – тоже результат роста кристаллов.
Здесь мы имеем дело с ростом кристаллов из переохлажденных паров. В верхних слоях атмосферы, водяные пары или капли воды, могут долго храниться в переохлажденном состоянии. Переохлаждение в облаках доходит до -30. Но как только в эти переохлажденные облака врывается летящий самолет, тот час, же начинается бурная кристаллизация. Мгновенно самолет оказывается облепленным грудой, быстро растущих кристаллов.
Драгоценные камни
С самых ранних времен человеческой культуры люди ценили красоту драгоценных камней. Алмаз, рубин, сапфир и изумруд – самые дорогие и излюбленные камни. За ними следует александрит, топаз, горный хрусталь, аметист, гранит, аквамарин, хризолит. Высоко ценятся небесно – голубая бирюза, нежный жемчуг и переливчатый опал.
Драгоценным камням издавна приписывали целебные и разные сверхъестественные свойства, связывали с ними многочисленные легенды.
Драгоценные камни служили мерой богатств князей и императоров.
В музеях Московского Кремля можно любоваться богатой коллекцией драгоценных камней, некогда принадлежащих царской семье и небольшой кучке богачей. Известно, что шляпа князя Потемкина – Таврического так была усеяна бриллиантами и из-за этого так тяжела, что владелец не мог носить ее на голове, адъютант нес шляпу в руках за князем.
В числе сокровищ алмазного фонда России хранится один из величайших и красивейших в мире алмазов «Шах».
Алмаз был прислан персидским шахом русскому царю НиколаюI в качестве выкупа за убийство русского посла Александра Сергеевича Грибоедова, автора комедии «Горе от ума».
Наша родина богата самоцветами, чем – либо другая страна мира.
Кристаллы во Вселенной
Нет ни одного места на Земле, где не было бы кристаллов. На других планетах, на далеких звездах все время непрерывно возникают, растут и разрушаются кристаллы.
В космических пришельцах – метеоритах встречаются кристаллы, известные на Земле, и на Земле не встречающиеся. В громадном метеорите, упавшем в феврале 1947 года на Дальнем Востоке, найдены кристаллы никелистого железа длиной в несколько сантиметров, между тем как в земных условиях природные кристаллы этого минерала столь малы, что разглядеть их можно только в микроскоп.
2. Строение и свойства кристаллов
2. 1 Что такое кристаллы, формы кристаллов
Кристаллы образуются при довольно низкой температуре, когда тепловое движение настолько замедленно, что не разрушает определенной структуры. Характерной особенностью твердого состояния вещества является постоянство его формы. Это значит что, составляющие его частицы (атомы, ионы, молекулы) жестко связаны между собой и их тепловое движение происходит как колебание около неподвижных точек, определяющих равновесное расстояние между частицами. Относительное положение точек равновесия во всем веществе должно обеспечивать минимум энергии всей системы, что реализуется при их определенном упорядоченном расположении в пространстве, то есть в кристалле.
Кристаллом, по определению Г. В Вульфа, называется тело, ограниченное в силу своих внутренних свойств плоскими поверхностями – гранями.
В зависимости от относительных размеров частиц, образующих кристалл, и типа химической связи между ними кристаллы имеют различную форму, определенную способом соединения частиц.
В соответствии с геометрической формой кристаллов существуют следующие кристаллические системы:
1. кубическая (многие металлы, алмаз, NaCl, KCl).
2. Гексагональная (H2O, SiO2, NaNO3),
3. Тетрагональное (S).
4. Ромбическая (S, KNO3, K2SO4).
5. Моноклинная (S, KClO3, Na2SO4*10H2O).
6. Триклинная (K2C2O7, CuSO4*5 H2O).
2. 2 Физические свойства кристаллов
Для кристалла данного класса можно указать симметрию его свойств. Так кубические кристаллы изотропны в отношении прохождения света, электро и теплопроводности, теплого расширения, но они анизотропные в отношении упругих, электрических свойств. Наиболее анизотропные кристаллы низких сингоний.
Все свойства кристаллов связаны между собой и обусловлены атомно – кристаллической структурой, силами связи между атомами и энергетическим спектров электронов. Некоторые свойства, например: электрические, магнитные и оптические существенно зависят от распределения электронов по уровням энергии. Многие свойства кристаллов решающим образом зависят не только от симметрии, но и от количества дефектов (прочность, пластичность, окраска и другие свойства).
Изотропия (от греческого isos-равный, одинаковый и tropos-поворот, направление) независимость свойств среды от направления.
Анизотропия (от греческого anisos-неравный и tropos-направление) зависимость свойств вещества от направления.
Кристаллы заселены множеством различных дефектов. Дефекты как бы оживляют кристалл. Благодаря наличию дефектов, кристалл обнаруживает «память» о событиях, участником которых он стал ил когда был, дефекты помогают кристаллу «приспосабливаться» к окружающей среде. Дефекты качественно меняют свойства кристаллов. Даже очень малых количествах, дефекты сильно влияют на те физические свойства, которые совсем или почти отсутствуют в идеальном кристалле, являясь, как правило, «энергетически выгодными», дефекты создают вокруг себя области повышенной физико-химической активности.
3. Выращивание кристаллов
Выращивание кристаллов увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и недорогое для начинающих химиков, максимально безопасно с точки зрения ТБ. Тщательная подготовка к выполнению оттачивает навыки в умении аккуратно обращаться с веществами и правильно организовывать план своей работы.
Рост кристаллов можно разделить на две группы.
3. 1 Естественное образование кристаллов в природе
Образование кристаллов в природе (естественный рост кристаллов).
Более 95% всех горных пород, из которых сложена земная кора, образовались при кристаллизации магмы. Магма представляет собой смесь многих веществ. У всех этих веществ разные температуры кристаллизации. Поэтому при отстывании магма разделяется на части: первым в магме возникают и начинают расти кристаллы того вещества, у которого температура кристаллизации самая высокая.
Кристаллы образуются и в соляных озерах. Летом вода озер быстро испаряется и из нее начинают выпадать кристаллы солей. Одно лишь озеро Баскунчак в Астраханской степи могло бы обеспечит солью многие государства на 400 лет.
Некоторые животные организмы представляют собой «фабрики» кристаллов. Кораллы образуют целые острова, сложенные из микроскопических кристаллов углекислой извести.
Драгоценный камень жемчуг тоже построен из кристаллов, которые вырабатывает моллюск жемчужница.
Желчные камни в печени, камни в почках и мочевом пузыре, вызывающие серьезные болезни человека, представляют собой кристаллы.
3. 2 Искусственное выращивание кристаллов
Искусственный рост кристаллов (выращивание кристаллов в лабораториях, заводах).
Выращивание кристаллов – это физико-химический процесс.
Растворимость веществ в разных растворителях можно отнести к физическим явлениям, так как происходит разрушение кристаллической решетки, теплота при этом поглощается (экзотермический процесс).
Происходит и химический процесс – гидролиз (реакция солей с водой).
При выборе вещества важно учитывать следующие факты:
1. Вещество не должно быть токсичным
2. Вещество должно быть стабильным и достаточно химически чистым
3. Способность вещества растворяться в доступном растворителе
4. Образующиеся кристаллы должны быть стабильны
Существует несколько методик выращивания кристаллов.
1. Приготовление пересыщенных растворов с дальнейшей кристаллизацией в открытом сосуде (самая распространенная методика) или закрытом. Закрытый – промышленный метод, для его осуществления используется огромный стеклянный сосуд с термостатом, имитирующим водяную баню. В сосуде находится раствор с готовой затравкой, и каждые 2 дня температура понижается на 0,1С, этот способ позволяет получать технологически правильные и чистые монокрсталлы. Но это требует высоких затрат электроэнергии и дорогое оборудование.
2. Испарение насыщенного раствора открытым способом, когда постепенное испарение растворитель, например, из неплотно закрытого сосуда с раствором соли, может само собой породит кристаллы. Закрытый способ подразумевает выдерживание насыщенного раствора в эксикаторе над сильным осушителем (оксид фосфора (V) или концентрированная серная кислота).
II. Практическая часть.
1. Выращивание кристаллов из насыщенных растворов
Основой выращивания кристаллов является насыщенный раствор.
Приборы и материалы: стакан на 500мл, фильтровальная бумага, кипяченая вода, ложка, воронка, соли CuSO4 * 5H2O, K2CrO4 (хромат калия), K2Cr2O4 (дихромат калия), алюминокалиевые квасцы, NiSO4(сульфат никеля), NaCl(хлорид натрия), C12H22O11(сахар).
Для приготовления раствора соли берем чистый, хорошо вымытый стакан на 500мл. наливаем в него горячую (t=50-60C) кипяченую воду 300мл. в стакан засыпаем вещество небольшими порциями, перемешиваем, добиваясь полного растворения. Когда раствор «насытится», то есть вещество будет оставаться на дне, добавить еще вещества и оставить раствор при комнатной температуре на сутки. Чтобы в раствор не попала пыль накрываем стакан фильтровальной бумагой. Раствор должен получиться прозрачным, на дне стакана выпасть избыток вещества в виде кристаллов.
Готовый раствор слить с осадка кристаллов и поместить в термостойкую колбу. Туда же поместить немного химически чистого вещества (выпавшие кристаллы). Нагреваем колбу на водяной бане до полного растворения. Полученный раствор еще греем 5 минут при t=60-70С, переливаем в чистый стакан, обворачиваем полотенцем, оставляем остывать. Через сутки на дне стакана образуются небольшие кристаллы.
2. Создание презентации «Кристаллы»
Полученные кристаллы фотографируем, используя возможности интернета готовим презентацию и коллекцию «Кристаллы».
Изготовление картины с использованием кристаллов
Кристаллы всегда славились своей красотой, потому их используют в качестве украшений. Ими украшают одежду, посуду, оружие. Кристаллы можно использовать для создания картин. Мною нарисован пейзаж «Закат». В качестве материала для изготовления пейзажа использованы выращенные кристаллы.
Заключение
В данной работе была рассказана лишь малая часть того, что известно о кристаллах в настоящее время, однако и эта информация показала, насколько неординарны и загадочны кристаллы по своей сущности.
В облаках, на вершинах гор, в песчаных пустынях, морях и океанах, в научных лабораториях, к клетках растений, в живых и мертвых организмах – везде встретим мы кристаллы.
Но может кристаллизация вещества совершается только на нашей планете? Нет, мы знаем теперь, что на других планетах и далеких звездах все время непрерывно возникают, растут разрушаются кристаллы. Метеориты, космические посланцы, тоже состоят из кристаллов, причем иногда в их состав входят кристаллические вещества, на Земле не встречающиеся.
Кристаллы везде. Люди привыкли использовать кристаллы, делать из них украшения, любоваться ими. Теперь, когда изучены методы искусственного выращивания кристаллов, область их применения расширилась, и, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам.
Кристаллы веществ обладают уникальными физическими свойствами:1. Анизотропия – зависимость физических свойств от направления, в котором эти свойства определяются. Особенность только монокристаллов.
Это объясняется тем, что кристаллы имеют кристаллическую решетку, форма которой обуславливает различную степень взаимодействия в разных направлениях.
Благодаря этому свойству:
А. Слюда расслаивается на пластинки только в одном направлении.
Б. Графит легко разрывается на слои, но один единственный слой невероятно прочен.
В. Гипс неодинаково проводит тепло по разным направлениям.
Г. Луч света, попадающий под различными углами на кристалл турмалина, окрашивает его в разные цвета.
Строго говоря, именно анизотропия обуславливает образование кристаллом формы, специфичной для данного вещества. Дело в том, что из-за строения кристаллической решетки рост кристалла происходит неравномерно - в одном месте быстрее, в другом гораздо медленнее. В результате кристалл и принимает форму. Без этого свойства кристаллы росли бы шарообразными или вообще совершенно любой формы.
Также этим и объясняется неправильная форма поликристаллов - они анизотропией не обладают, так как являются сростком кристаллов.
2.
Изотропия
– свойство поликристаллов, обратное анизотропии. Ей обладают только поликристаллы.
Так как объем монокристалликов значительно меньше объема всего поликристалла, то все направления в нем равноправны.
Например, металлы одинаково проводят тепло и электрический ток во всех направлениях, так как являются поликристаллами.
Не будь этого свойства, мы не смогли бы ничего построить. Большинство строительных материалов являются поликристаллами, поэтому какой стороной их не поверни, они выдержат все. Монокристаллы же могут быть сверхтвердыми при одном положении, и очень хрупкими в другом.
3.Полиморфизм – свойство одинаковых атомов (ионов, молекул) образовывать различные кристаллические решетки. За счет разных кристаллических решеток, такие кристаллы могут обладать совершенно разными свойствами.
Это свойство обуславливает образование некоторых аллотропных модификаций простых веществ, например углерода – это алмаз и графит.
Свойства алмаза:
· Высокая твердость.
· Не проводит электричество.
· Сгорает в струе кислорода.
Свойства графита:
· Мягкий минерал.
· Проводит электричество.
· Из него делают огнеупорную глину.