Кристаллы

Материал из Выращивание кристаллов
Перейти к: навигация, поиск

Основная статья: Кристаллы.

Стилизованное изображение кристаллов кварца - логотип проекта

Кристалл - физический термин, обозначающий твердые тела, составляющие частицы которых расположены в пространстве в соответствии с четкой периодической структурой.

История

Еще в древности люди отмечали многие минералы за их необычный вид правильных или близких к ним по форме многогранников, которые разительно отличались от вида множества остальных окружающих их природных материалов. Некоторые подобные минералы, такие как кварц, называли κρισταλλος - лед, из-за присущей им прозрачности. Со временем этот термин стал обозначать более широкий класс минералов, а затем и все природные тела, обладающие естественной для них формой многогранников.

Типы вещества

Чтобы понять, чем же так выделяются кристаллы из всего многообразия веществ и материалов, рассмотрим строение любого вещества на молекулярном (или атомном) уровне. Обычно такие исследования проводят с помощью метода рентгеноструктурного анализа.

Расположение частиц в аморфных (снизу) и кристаллических (сверху) телах

Можно увидеть, что у некоторых веществ, таких как мед, стекло, различные виды резин на любых приближениях во взаимном расположении частиц отсутствует какая-либо структура, т.е. все частицы расположены беспорядочно, хаотично.
При нагреве таких веществ их частицы постепенно начинают уходить со своих прежних случайных мест все дальше и дальше, из-за все увеличивающихся температурных колебаний - начинается процесс размягчения вещества. Расстояние между частицами постепенно увеличивается, однако сложно указать, точно ли вещество перешло в состояние жидкости, или же оно все еще является твердым веществом, здесь эта граница слишком уж размыта. Из-за подобного поведения эти вещества называют аморфными - не имеющими определенной формы, бесструктурными.

В то же время можно найти другие вещества, такие как лед, металлы, соли, для которых нагрев приводит к увеличению температуры только до определенного предела, а затем начинается переход твердого тела в жидкость, с сохранением постоянной температуры. И лишь когда вновь начнется повышение температуры вещества при его дальнейшем нагреве, можно отметить, что все тело перешло в жидкое состояние и нигде в расплаве не осталось осколков твердого вещества.

У некоторых сразу возникают вопросы из школьного курса физики - если телу передавали энергию для нагрева, а его температура была в этот момент постоянной, то куда же делась эта энергия?

Для ответа на этот вопрос вновь заглянем в структуру таких веществ и увидим, что все их частицы расположены в строгом порядке, вдоль бесконечных правильных рядов, растянувшихся по всему объему вещества, наподобие периодической пространственной решетки. В узлах таких решеток находятся частицы вещества, которые не находятся там неподвижно, а совершают очень небольшие температурные колебания, удерживаясь на своем месте силами электромагнитного притяжения и отталкивания.
Если постепенно нагревать вещество, то можно отметить как частицы при достижении определенной скорости колебаний уже не могут удерживаться этими силами и начинают покидать свое место. У отдельных частиц скорость может быть намного выше средней, но через небольшое время они натыкаются на медленные частицы, отдавая им часть своей скорости и помогая покинуть решетку. Именно поэтому температура таких тел при плавлении не изменяется, а переданная ему энергия пошла на постепенное разрушение решетки вещества. Лишь по завершению процесса скорость частиц вновь начнет в среднем подниматься - именно эта граница и отмечает переход тела в жидкое состояние. Исторически такие решетки называют кристаллическими, а сами вещества - кристаллами.

Стоит отметить, что так как частицы в решетке находятся в своеобразной квантово-механической ловушке, вызванной взаимодействием с соседними частицами, то кристаллическая решетка является состоянием с меньшей энергией, чем обладает свободно перемещающиеся частицы вещества. Это объясняет эффект, возникающий при процессе, противоположном плавлению - кристаллизации вещества из расплава или раствора, в котором переход от свободного состояния частиц к периодической структуре вызывает выделение тепла при сохранении все той же постоянной температуры.

Типы кристаллов

Расположение частиц в поли- (снизу) и монокристаллических (сверху) телах

В свою очередь у кристаллов также есть своя классификация. На самом деле это не одна, а целое множество классификаций - по форме минимального элемента решетки, по слагающим такую решетку частицам, по типам симметрии самих решеток. Но для ознакомления с некоторыми особенностями кристаллов имеет смысл рассмотреть пространственную классификацию.

Вновь рассмотрим строение веществ на уровне групп молекул или атомов.
У некоторых кристаллов при увеличении масштаба до нанометровых и миллиметровых величин все так же видно слагающую их ровную пространственную решетку. Кристалл даже при таких увеличениях демонстрирует все ту же единую структуру и подчиняется ее свойствам. Такие кристаллы целиком обладают формой многогранника и не состоят из отдельных частей, называются монокристаллами - одиночными цельными кристаллами вещества.

Напротив, у некоторых кристаллов становится видно, что они состоят из небольших правильных решеток, которые на крупных масштабах уже являются хаотично разбросанными по всему объему - кристалл как будто состоит из перемешанных осколков правильных решеток. Такие кристаллы демонстрируют правильную форму лишь на небольших своих участках, при этом в целом представляют собой бесформенный кусок. Они могут даже при небольшом усилии раскалываться на мелкие, более правильные частицы. Такие кристаллы получили название поликристаллы - множество мелких, сросшихся монокристаллов.

И монокристаллы, и поликристаллы, демонстрируют множество одинаковых свойств, определяемых элементарной решеткой и составляющими их частицами - температура плавления, плотность, способность вступать в химические реакции, проводить электричество и многие другие.
В то же время, из-за заметных структурных различий некоторые из их свойств специфичны для каждого из видов.

Свойства кристаллов

Анизотропия

К особым свойствам кристаллов относят прежде всего анизотропию - способность демонстрировать различные качественные и количественные свойства в зависимости от направления их измерения.

Двойное лучепреломление в кристалле сульфата триглицина

Примером может служить измерение теплопроводности на кристалле гипса - в продольном направлении будет регистрироваться одно значение, в поперечном - совершенно другое. Другой пример - эффект двойного лучепреломления. Он заключается в том, что если нарисовать, к примеру, линию на листе бумаги и положить поверх монокристалл карбоната кальция или некоторых других веществ, то изображение, пройдя через кристалл до наблюдателя, раздвоится - одно изображение будет реальным и пройдет до глаза наблюдателя, немного преломившись от прямого направления. Второе же, пройдя в направлении под углом к наблюдателю из-за другого показателя преломления в этом направлении ,окажется видным глазу наблюдателя, но уже с небольшим смещением вверх или вниз.

Также благодаря именно этому свойству монокристаллы обладают определенной формой - в различных направлениях рост кристалла идет с разной скоростью. Можно провести эксперимент, выращивая кристалл на сферической затравке, результатом которого будет значительный рост грани в одном направлении и практически его отсутствие в другом, что в конечном итоге приведет к росту кристалла определенной формы. А все благодаря проявлению кристаллической структуры на больших масштабах.

Изотропия

Данной свойство является противоположным анизотропии и относится уже к поликристаллам.

Изотропия - способность поликристаллов демонстрировать одинаковые свойства по всем направлениям измерения.
Примером может служить одинаковое электрическое сопротивление металлов при пропускании тока в различных направлениях или их одинаковая прочность при механическом воздействии.
Причиной является очень мелкокристаллическая структура металлов, которая рассеивает приложенные напряжения и воздействия по всем направлениям, исключая их преобладание в каком-то одном.

Кажется парадоксальным, что не самые значительные различия в структуре меняют свойства на противоположные, но именно благодаря им у нас существует электроника, архитектура и многие другие сферы деятельности.

Полиморфизм

Кристаллы ромбической серы
Кристаллы моноклинной серы

Общее свойство кристаллических веществ, полиморфизм - способность одного и того же вещества образовывать несколько различных кристаллических решеток при различных или одинаковых условиях.

Это свойство обуславливает существование некоторых аллотропных модификаций химических элементов - одни и те же атомы и молекулы при разных температурах или давлении выстраиваются в различные кристаллические решетки, которые могут кардинально отличаться как по физическим, так и по химическим свойствам.
Такая особенность позволяет некоторым свойствам при сохранении одинакового химического состава вещества проявляться совершенно по иному. Так, ромбическая сера образует кристаллы в виде бипирамид, а моноклинная - виде палочек или призм, алмаз тверд и не проводит электричество, а графит легко крошится и является хорошим проводником, белый фосфор окисляется кислородом воздуха при комнатной температуре, а красный - устойчив.

Изоморфизм

Совершенный изоморфизм кристаллов квасцов
Несовершенный изоморфизм кристаллов солей Туттона

Изоморфизм (совершенный изоморфизм) - способность некоторых веществ с одинаковыми кристаллическими решетками образовывать смешанные кристаллы в любом диапазоне концентраций.

Это свойство позволяет наращивать друг на друга кристаллы различных квасцов, при этом кристаллы в насыщенном растворе другого вещества не будут растворяться, а будут вести себя как будто это раствор их собственного вещества.
Такая особенность связана не только с одинаковым расположением частиц в решетке, но и с близкими радиусами ионов этих веществ, что делает их решетки практически идентичными.

Иногда говорят о несовершенном изоморфизме, когда решетки схожи, но ионные радиусы все же заметно отличаются. В этом случае вещества дают общие кристаллы только в определенном узком диапазоне температур.

Изодиморфизм

Изодиморфизм кристаллов медного и железного купоросов

Изодиморфизм (принудительный изоморфизм) - разновидность несовершенного изоморфизма, способность некоторых веществ образовывать смешанные кристаллы с различными решетками в зависимости от их соотношения. Присуща веществам, которые обладают изоморфизмом в одном из диапазонов температур, в другом совершают переход в решетку иного типа, но могут сохранять ее, если находятся в виде смеси.

Благодаря этому свойству, медный и железный купоросы при различных концентрациях могут образовывать кристаллы с различными формами и устойчивостью, при этом обладая совершенно различными решетками.

Рекомендуемые материалы

Навигация