Kada se gledaju kristali i dragulji, želi se shvatiti kako se mogla pojaviti ova tajanstvena ljepota, kako nastaju tako nevjerojatna djela prirode. Postoji želja da se sazna više o njihovim svojstvima. Uostalom, posebna struktura kristala koja se nigdje u prirodi ne ponavlja omogućuje njihovu upotrebu svugdje: od nakita do najnovijih znanstvenih i tehničkih izuma.
Proučavanje kristalnih minerala
Struktura i svojstva kristala toliko su višestruki da se posebna znanost, mineralogija, bavi proučavanjem i proučavanjem ovih pojava. Slavni ruski akademik Alexander Evgenievich Fersman bio je toliko zaokupljen i iznenađen raznolikošću i beskonačnošću svijeta kristala da je ovom temom pokušao zaokupiti što više umova. U svojoj knjizi Entertaining Mineralogy, oduševljeno je i toplo pozvao da se upoznaju s tajnama minerala i urone u svijet dragulja:
Stvarno te želimzarobiti. Želim da se počnete zanimati za planine i kamenolome, rudnike i rudnike, da počnete skupljati zbirke minerala, da poželite s nama poći iz daljeg grada, do toka rijeke, gdje se su visoke kamenite obale, do vrhova planina ili do stjenovite obale, gdje se lomi kamen, kopa pijesak ili eksplodira ruda. Tamo ćemo svugdje ti i ja naći nešto za raditi: i u mrtvim stijenama, pijesku i kamenju naučit ćemo čitati neke velike zakone prirode koji upravljaju cijelim svijetom i prema kojima je cijeli svijet izgrađen.
Fizika proučava kristale, tvrdeći da je svako stvarno čvrsto tijelo kristal. Kemija istražuje molekularnu strukturu kristala, dolazeći do zaključka da svaki metal ima kristalnu strukturu.
Proučavanje nevjerojatnih svojstava kristala od velike je važnosti za razvoj moderne znanosti, tehnologije, građevinske industrije i mnogih drugih industrija.
Osnovni zakoni kristala
Prva stvar koju ljudi primijete kada pogledaju kristal je njegov idealan višestruki oblik, ali on nije glavna karakteristika minerala ili metala.
Kada se kristal razbije u male fragmente, ništa neće ostati od idealnog oblika, ali svaki fragment, kao i prije, ostat će kristal. Posebnost kristala nije njegov izgled, već karakteristične značajke njegove unutarnje strukture.
Simetrično
Prva stvar koju treba zapamtiti i primijetiti kada proučavate kristale je fenomensimetrija. Rasprostranjena je u svakodnevnom životu. Krila leptira su simetrična, otisak mrlje na komadu papira presavijenom na pola. Simetrični snježni kristali. Heksagonalna pahulja ima šest ravnina simetrije. Savijanjem slike duž bilo koje linije koja prikazuje ravninu simetrije pahulje, možete kombinirati njene dvije polovice jedna s drugom.
Os simetrije ima takvo svojstvo da je rotiranjem lika za neki poznati kut oko nje moguće međusobno kombinirati odgovarajuće dijelove lika. Ovisno o veličini prikladnog kuta za koji lik treba zakrenuti, u kristalima se određuju osi 2., 3., 4. i 6. reda. Dakle, u snježnim pahuljama postoji jedna os simetrije šestog reda, koja je okomita na ravninu crtanja.
Središte simetrije je takva točka u ravnini lika, na istoj udaljenosti od koje se u suprotnom smjeru nalaze isti strukturni elementi figure.
Što je unutra?
Unutarnja struktura kristala je vrsta kombinacije molekula i atoma u redoslijedu svojstvenom samo kristalima. Kako znaju unutarnju strukturu čestica ako nisu vidljive čak ni mikroskopom?
Za to se koriste X-zrake. Koristeći ih za prozirne kristale, njemački fizičar M. Laue, engleski fizičari otac i sin Bragg i ruski profesor Yu. Wolf ustanovili su zakone prema kojima se proučava struktura i struktura kristala.
Sve je bilo iznenađujuće i neočekivano. Samopokazalo se da je koncept strukture molekule neprimjenjiv na kristalno stanje materije.
Na primjer, tako dobro poznata tvar kao što je kuhinjska sol ima kemijski sastav molekule NaCl. Ali u kristalu se pojedinačni atomi klora i natrija ne zbrajaju u zasebne molekule, već tvore određenu konfiguraciju koja se naziva prostorna ili kristalna rešetka. Najmanje čestice klora i natrija su električno povezane. Kristalna rešetka soli nastaje na sljedeći način. Jedan od valentnih elektrona vanjske ljuske atoma natrija uvodi se u vanjsku ljusku atoma klora, koja nije potpuno ispunjena zbog odsutnosti osmog elektrona u trećoj ljusci klora. Dakle, u kristalu svaki ion i natrija i klora ne pripada jednoj molekuli, već cijelom kristalu. Zbog činjenice da je atom klora monovalentan, može na sebe vezati samo jedan elektron. No strukturne značajke kristala dovode do činjenice da je atom klora okružen sa šest atoma natrija i nemoguće je odrediti koji će od njih dijeliti elektron s klorom.
Ispostavilo se da kemijska molekula kuhinjske soli i njezin kristal uopće nisu ista stvar. Cijeli monokristal je poput jedne divovske molekule.
Rešetka - samo model
Pogrešku treba izbjegavati kada se prostorna rešetka uzme kao pravi model kristalne strukture. Rešetka - svojevrsna uvjetna slika primjera veze elementarnih čestica u strukturi kristala. Mrežne spojne točke u obliku kuglicavizualno vam omogućuju da prikažete atome, a linije koje ih povezuju približna su slika sila vezanja između njih.
U stvarnosti, praznine između atoma unutar kristala su mnogo manje. To je gusto pakiranje njegovih sastavnih čestica. Kugla je konvencionalna oznaka atoma, čija uporaba omogućuje uspješno odraz svojstava bliskog pakiranja. U stvarnosti ne postoji jednostavan kontakt atoma, već njihovo međusobno djelomično preklapanje. Drugim riječima, slika lopte u strukturi kristalne rešetke je, radi jasnoće, prikazana sfera takvog polumjera koja sadrži glavni dio elektrona atoma.
Zavjet snage
Postoji električna sila privlačenja između dva suprotno nabijena iona. Ona je vezivo u strukturi ionskih kristala kao što je kuhinjska sol. Ali ako ione približite vrlo blizu, tada će se njihove orbite elektrona međusobno preklapati i pojavit će se odbojne sile slično nabijenih čestica. Unutar kristala, raspodjela iona je takva da su sile odbijanja i privlačnosti u ravnoteži, osiguravajući kristalnu snagu. Ova struktura je tipična za ionske kristale.
A u kristalnim rešetkama dijamanta i grafita postoji veza atoma uz pomoć zajedničkih (kolektivnih) elektrona. Blisko raspoređeni atomi imaju zajedničke elektrone koji se okreću oko jezgre jednog i susjednog atoma.
Detaljno proučavanje teorije sila s takvim vezama prilično je teško i leži u području kvantne mehanike.
Metalne razlike
Struktura metalnih kristala je složenija. Zbog činjenice da atomi metala lako doniraju dostupne vanjske elektrone, mogu se slobodno kretati po cijelom volumenu kristala, tvoreći takozvani elektronski plin unutar njega. Zahvaljujući takvim "lutajućim" elektronima stvaraju se sile koje osiguravaju čvrstoću metalnog ingota. Proučavanje strukture pravih metalnih kristala pokazuje da, ovisno o načinu hlađenja metalnog ingota, može sadržavati nesavršenosti: površinske, točkaste i linearne. Veličina takvih defekata ne prelazi promjer nekoliko atoma, ali iskrivljuju kristalnu rešetku i utječu na procese difuzije u metalima.
Crystal Growth
Za jednostavnije razumijevanje, rast kristalne tvari može se predstaviti kao montaža strukture od opeke. Ako se jedna cigla nedovršenog zidanja predstavi kao sastavni dio kristala, tada je moguće odrediti gdje će kristal rasti. Energetska svojstva kristala su takva da će cigla postavljena na prvu ciglu doživjeti privlačnost s jedne strane – odozdo. Prilikom polaganja na drugoj - s dvije strane, a na trećoj - s tri. U procesu kristalizacije – prijelaza iz tekućeg u čvrsto stanje – oslobađa se energija (toplina fuzije). Za najveću snagu sustava, njegova moguća energija treba težiti minimalnoj. Stoga se rast kristala odvija sloj po sloj. Prvo će se dovršiti niz aviona, zatim cijeli avion, a tek onda će se početi graditi sljedeći.
Znanost okristali
Osnovni zakon kristalografije - znanost o kristalima - kaže da su svi kutovi između različitih ravnina kristalnih lica uvijek konstantni i isti. Bez obzira koliko je rastući kristal izobličen, kutovi između njegovih strana zadržavaju istu vrijednost svojstvenu ovom tipu. Bez obzira na veličinu, oblik i broj, lica iste kristalne ravnine uvijek se sijeku pod istim unaprijed određenim kutom. Zakon konstantnosti kutova otkrio je M. V. Lomonosov 1669. i odigrao je veliku ulogu u proučavanju strukture kristala.
Anizotropija
Posebnost procesa nastanka kristala je zbog fenomena anizotropije - različitih fizičkih karakteristika ovisno o smjeru rasta. Monokristali različito provode električnu energiju, toplinu i svjetlost u različitim smjerovima i imaju nejednaku snagu.
Dakle, isti kemijski element s istim atomima može formirati različite kristalne rešetke. Na primjer, ugljik može kristalizirati u dijamant i u grafit. Istovremeno, dijamant je primjer najveće čvrstoće među mineralima, a grafit lako napušta svoje ljuske kada pišete olovkom na papiru.
Mjerenje kutova između strana minerala od velike je praktične važnosti za određivanje njihove prirode.
Osnovne značajke
Naučivši strukturne značajke kristala, možemo ukratko opisati njihova glavna svojstva:
- Anizotropija - nejednaka svojstva u različitim smjerovima.
- Ujednačenost - elementarnasastojci kristala, jednako raspoređeni, imaju ista svojstva.
- Mogućnost samorezanja - svaki fragment kristala u mediju pogodnom za njegov rast poprimit će višestruki oblik i bit će prekriven licu koje odgovara ovoj vrsti kristala. To je svojstvo koje omogućuje kristalu da zadrži svoju simetriju.
- Nepromjenjivost točke taljenja. Uništenje prostorne rešetke minerala, odnosno prijelaz kristalne tvari iz čvrstog u tekuće stanje, događa se uvijek na istoj temperaturi.
Kristali su čvrsta tijela koja su poprimila prirodni oblik simetričnog poliedra. Struktura kristala, koju karakterizira stvaranje prostorne rešetke, poslužila je kao osnova za razvoj teorije elektroničke strukture krutog tijela u fizici. Proučavanje svojstava i strukture minerala od velike je praktične važnosti.
