Каким свойством обязательно обладает любой кристалл. Основные свойства кристаллов

Рассматривая различные кристаллы мы видим, что все они разные по форме, но любой из них представляет симметричное тело. И действительно, симметричность - это одно из основных свойств кристаллов. Симметричными мы называем тела, которые состоят из равных одинаковых частей.

Все кристаллы симметричны. Это значит, что в каждом кристаллическом многограннике можно найти плоскости симметрии, оси симметрии, центры симметрии и другие элементы симметрии так, чтобы совместились друг с другом одинаковые части многогранника. Введем еще одно понятие относящиеся к симметрии - полярность.

Каждый кристаллический многогранник обладает определенным набором элементов симметрии. Полный набор всех элементов симметрии, присущих данному кристаллу называется классом симметрии. Их количество ограничено. Математическим путем было доказано, что в кристаллах существует 32 вида симметрии.

Рассмотрим более подробно виды симметрии в кристалле. Прежде всего, в кристаллах могут быть оси симметрии только 1, 2, 3, 4 и 6 порядков. Очевидно, оси симметрии 5, 7-го и выше порядков не возможны, потому что при такой структуре атомные ряды и сетки не заполнят пространство непрерывно, возникнут пустоты, промежутки между положениями равновесия атомов. Атомы окажутся не в самых устойчивых положениях и кристаллическая структура разрушится.

В кристаллическом многограннике можно найти разные сочетания элементов симметрии - у одних мало, у других много. По симметрии, прежде всего по осям симметрии, кристаллы делятся на три категории.

К высшей категории относятся самые симметричные кристаллы, у них может быть несколько осей симметрии порядков 2, 3 и 4, нет осей 6-го порядка, могут быть плоскости и центры симметрии. К таким формам относятся куб, октаэдр, тетраэдр и др. Им всем присуща общая черта: они примерно одинаковы во все стороны.

У кристаллов средней категории могут быть оси 3, 4 и 6 порядков, но только по одной. Осей 2 порядка может быть несколько, возможны плоскости симметрии и центры симметрии. Формы этих кристаллов: призмы, пирамиды и др. Общая черта: резкое различие вдоль и поперек главной оси симметрии.

Из кристаллов к высшей категории относятся: алмаз, кварцы, гранаты германий, кремний, медь, алюминий, золото, серебро, серое олово вольфрам, железо; к средней категории - графит, рубин, кварц, цинк, магний, белое олово, турмалин, берилл; к низшей - гипс, слюда, медный купорос, сегнетовая соль и др. Конечно в этом списке не были перечислены все существующие кристаллы, а только наиболее известные из них.

Категории в свою очередь разделяются на семь сингоний. В переводе с греческого «сингония» означает «сходноугольство». В сингонию объединяются кристаллы с одинаковыми осями симметрии, а значит, со сходными углами поворотов в структуре.

Сначала стоит упомянуть два основных свойства кристаллов. Одним из них является анизотропия. Под этим термином подразумевается изменение свойств в зависимости от направления. Вместе с тем кристаллы являются телами однородными. Однородность кристаллического вещества состоит в том, что два его участка одинаковой формы и одинаковой ориентировки одинаковы по свойствам.

Поговорим сначала об электрических свойствах. В принципе электрические свойства кристаллов можно рассматривать на примере металлов, так как металлы, в одном из состояний, могут представлять собой кристаллические агрегаты. Электроны, свободно передвигаясь в металле, не могут выйти наружу, для этого нужно затратить энергию. Если при этом затрачивается лучистая энергия, то эффект отрыва электрона вызывает так называемый фотоэлектрический эффект. Аналогичный эффект наблюдается и в монокристаллах. Вырванный из молекулярной орбиты электрон, оставаясь внутри кристалла, обуславливает у последнего металлическую проводимость (внутренний фотоэлектрический эффект). В нормальных же условиях (без облучения) такие соединения не являются проводниками электрического тока.

Поведением световых волн в кристаллах занимался Э. Бертолин, который первый заметил, что волны ведут себя нестандартно при прохождении через кристалл. Однажды Берталин зарисовывал двугранные углы исландского шпата, затем он положил кристалл на чертежи, тогда ученый в первый раз увидел, что каждая линия раздваивается. Он несколько раз убедился, что все кристаллы шпата раздваивают свет, лишь тогда Берталин написал трактат «Опыты с двупреломляющим исландским кристаллом, которые привели к открытию чудесного и необыкновенного преломления» (1669г.). Ученый разослал результаты своих опытов в несколько стран отдельным ученым и академиям. Работы были приняты с полным недоверием. Английская Академия наук выделила группу ученых на проверку данного закона (Ньютон, Бойль, Гук и др.). Эта авторитетная комиссия признала явление случайным, а закон несуществующим. О результатах опытов Берталина было забыто.

Лишь через 20 лет Христиан Гюйгенс подтвердил правильность открытие Берталина и сам открыл двупреломление в кварце. Многие ученые, в последствии занимавшиеся этим свойством подтвердили, что не только исландский шпат, но и многие другие кристаллы раздваивают свет.

Не раздваивают свет кристаллы высшей категории такие как алмаз, каменная соль, квасцы, гранаты, флюорит. У них вообще анизотропия многих свойств проявляется слабее, чем в остальных кристаллах а некоторые свойства изотропны. Во всех кристаллах низшей и средней категорий, если они прозрачны, наблюдается двойное преломление света.

Преломление возникает из-за различия скорости света в разных средах. Так в стекле скорость света в 1,5 раза меньше, чем в воздухе, следовательно, коэффициент преломления равен 1,5.

Причиной двупреломления является анизотропия скорости света в кристаллах. В изотропной среде волны расходятся во все стороны одинаково, как бы по радиусам шара. В кристаллах же световые и звуковые волны расходятся не кругами, и скорость этих волн, а значит и показатели преломления, в разных направлениях различны.

Представим, что в кристалле луч света раздваивается, один ведет себя как «обыкновенный», т.е. идет во все стороны по радиусам шара, другой - «необыкновенный» - идет по радиусам эллипсоида. В таком кристалле существует одно-единственное направление, в котором двупреломления нет. Обыкновенный и необыкновенный лучи идут вместе, луч света не раздваивается. Оно называется оптической осью. Так ведут себя по отношению к свету кристаллы средней категории, поэтому их называют оптически одноосными. В кристаллах низшей категории свет тоже испытывает двойное преломление, но уже оба луча ведут себя как необыкновенные, у обоих показатели преломления во всех направлениях разные и оба распространяются по радиусам эллипсоида. Кристаллы низшей категории называются оптически двуосными. Кристаллы высшей категории, где свет расходится по радиусам шара во все стороны одинаково, называются оптически изотропны.

Проходя через двупреломляющий кристалл, волна света не только раздваивается, но каждый из образованных лучей еще и поляризуется, раскладываются на две плоскости перпендикулярных друг другу. Волна ведет себя подобным образом, т.к. она должна пройти сквозь атомную решетку, ряды которой лежат перед ней. Поэтому она распадается в кристалле на две волны, у которых плоскости колебаний взаимно перпендикулярные.

Такие свойства твёрдых тел как упругость, прочность, поверхностное натяжения определяются силами взаимодействия между атомами и строением кристаллов. Изучая силы межатомного взаимодействия, можно, например, определить величину модуля упругости, предела прочности материала, энергии связи кристалла и коэффициента поверхностного натяжение.

Таким образом, оцениваются характеристики любых твёрдых тел, но проще всего это сделать для идеальных ионных кристаллов. В решетке таких кристаллов периодически чередуются положительные и отрицательные ионы. Для оценки, прежде всего, необходимо выяснить величину силу единичной межатомной связи, которая в ионных кристаллах определяется силой взаимодействия между двумя ионами.

Зависимость сил межатомного взаимодействия от расстояния между центрами атомов в твёрдых телах заключается в следующем:

1) Между атомами одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания. Результирующая сила межатомного взаимодействия - сумма этих двух сил.

2) При уменьшении расстояния между атомами силы отталкивания нарастают значительно быстрее, чем силы притяжения, поэтому существует некоторое расстояние, при котором силы притяжения и силы отталкивания уравновешиваются и результирующая сила становится равной нулю. В кристалле, предоставленном самому себе, ионы располагаются именно на расстоянии r0 друг от друга. Если расстояние между атомами меньше равновесного (r меньше r0), то преобладают силы отталкивания, если (r больше r0), то преобладают силы притяжения.

Эти свойства межатомных сил позволяют условно рассматривать частицы, образующие кристалл как твердые упругие шары, взаимодействующие друг с другом. Деформация растяжения кристалла приводит к увеличению расстояния между центрами соседних шаров и преобладанию сил притяжения, а деформация сжатия - к уменьшению этого расстояния и преобладанию сил отталкивания.

Пределом прочности обычно называют наибольшее напряжение, которое может выдержать материал, не разрушаясь. При растяжении образца предел прочности определяется максимальной величиной результирующей силы межатомного притяжения, приходящейся на единицу площади сечения, перпендикулярного направлению растяжения.

Результирующая сила межатомного взаимодействия достигает максимального значения, когда центры атомов находятся на расстоянии r1 друг от друга. Когда растяжение ещё более увеличивается, силы взаимодействия становятся настолько малыми, что связи между атомами разрываются.

Твердые тела разделяют на аморфные тела и кристаллы. Отличие вторых от первых состоит в том, что атомы кристаллов располагаются согласно некоторому закону, образуя тем самым трехмерную периодическую укладку, что называется – кристаллическая решетка.

Примечательно, что название кристаллов происходит от греческих слов «застывать» и «холод», и во времена Гомера этим словом называли горный хрусталь, который тогда считался «застывшим льдом». Сперва данным термином называли лишь ограненные прозрачные образования. Но позже, кристаллами стали звать также непрозрачные и не ограненные тела природного происхождения.

Кристаллическая структура и решетка

Идеальный кристалл представляется в виде периодически повторяющихся одинаковых структур – так называемых элементарных ячеек кристалла. В общем случае, форма такой ячейки – косоугольный параллелепипед.

Следует различать такие понятия как кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Первая – это математическая абстракция, изображающая регулярное расположение неких точек в пространстве. В то время как кристаллическая структура – это реальный физический объект, кристалл, в котором с каждой точкой кристаллической решетки связана определенная группа атомов или молекул.

Кристаллическая структура граната — ромб и додекаэдр

Основным фактором, определяющим электромагнитные и механические свойства кристалла, является строение элементарной ячейки и атомов (молекул), связанных с ней.

Анизотропия кристаллов

Главное свойство кристаллов, отличающее их от аморфных тел – это анизотропия. Это означает, что свойства кристалла различны, в зависимости от направления. Так, например, неупругая (необратимая) деформация осуществляется лишь по определенным плоскостям кристалла, и в определенном направлении. В связи с анизотропией кристаллы по-разному реагируют на деформацию в зависимости от ее направления.

Однако, существуют кристаллы, которые не обладают анизотропией.

Виды кристаллов

Кристаллы разделяют на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллами называют вещества, кристаллическая структура которых распространяется на все тело. Такие тела являются однородными и имеют непрерывную кристаллическую решетку. Обычно, такой кристалл обладает ярко выраженной огранкой. Примерами природного монокристалла являются монокристаллы каменной соли, алмаза и топаза, а также кварца.

Немало веществ имеют кристаллическую структуру, хотя обычно не имеют характерной для кристаллов формы. К таким веществам относятся, например, металлы. Исследования показывают, что такие вещества состоят из большого количества очень маленьких монокристаллов — кристаллических зерен или кристаллитов. Вещество, состоящее из множества таких разноориентированных монокристаллов, называется поликристаллическим. Поликристаллы зачастую не имеют огранки, а их свойства зависят от среднего размера кристаллических зерен, их взаимного расположения, а также строения межзеренных границу. К поликристаллам относятся такие вещества как металлы и сплавы, керамики и минералы, а также другие.

Кристаллы и их свойства

В зависимости от внутреннего строения различают кристаллические и аморфные твердые тела.
Кристаллическими называют твердые вещества, образованные из геометрически правильно расположенных в пространстве материальных частиц — ионов, атомов либо молекул. Упорядоченное, закономерное их расположение образует в пространстве кристаллическую решетку - бесконечное трехмерное периодическое образование. В ней выделяют узлы (отдельные точки, центры тяжести атомов и ионов), ряды (совокупность узлов, лежащих на одной прямой) и плоские сетки (плоскости, проходящие через любые три узла). Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена в первую очередь их строго закономерным внутренним строением. Сетки кристаллической решетки соответствуют граням реального кристалла, места пересечения сеток - ряды - ребрам кристаллов, а места пересечения ребер - вершинам кристаллов. Большинство известных минералов и горных пород, в том числе и каменные строительные материалы, представляют собой кристаллические твердые тела.

Все кристаллы имеют ряд общих основных свойств .
Однородность строения - одинаковость узора взаимного расположения атомов во всех частях объема его кристаллической решетки.
Анизотропность - различие физических свойств кристаллов (теплопроводность, твердость, упругость и другие) по параллельным и непараллельным направлениям кристаллической решетки. Свойства кристаллов одинаковы по параллельным направлениям, но неодинаковы по непараллельным.
Способность самоограняться , т.е. принимать форму правильного многогранника при свободном росте кристаллов.
Симметричность - возможность совмещения кристалла или его частей определенными симметрическими преобразованиями, соответствующими симметрии их пространственных решеток.
Аморфными или минералоидами называют твердые тела, характеризующиеся беспорядоченным, хаотичным (как в жидкости) расположением слагающих его частиц (атомов, ионов, молекул), на-пример, стекла, смолы, пластмассы и пр. Аморфное вещество отличается изотропностью свойств, отсутствием четко выраженной температуры плавления и естественной геометрической формы.
Изучение кристаллических форм минералов показало, что мир кристаллов отличается симметрией, хорошо наблюдаемой в геометрической форме их огранки.
Симметричным считается объект, который может быть совмещен сам с собой определенными преобразованиями: поворотами, отражениями в зеркальной плоскости, отражением в центре симметрии. Геометрические образы (вспомогательные плоскости, прямые линии, точки), с помощью которых достигается совмещение, называются элементами симметрии. К ним относятся оси симметрии, плоскости симметрии, центр симметрии (или центр инверсии).
Центром симметрии называется особая точка внутри фигуры, при проведении через которую любая прямая встретит на равном от нее расстоянии одинаковые и обратно расположенные части фигуры. Плоскостью симметрии называется воображаемая плоскость, которая делит фигуру на две равные части так, что одна из частей является зеркальным отражением другой. Осью симметрии называется воображаемая прямая линия, при повороте вокруг которой на некоторый определенный угол повторяются одинаковые части фигуры.

Минералы, характеризующиеся кристаллическим строением, имеют определенный тип кристаллической решетки, частицы в которых удерживаются химическими связями. Исходя из представлений о валентных электронах, выделяют четыре основных типа химической связи:

1) ионная или гетерополярная (минерал- галит),

2) ковалентная или гомеополярная (минерал-алмаз),

3) металлическая (минерал-золото),

4) молекулярная или ван-дер-ваальсовая. Характер связи влияет на свойства кристаллических веществ (хрупкость, твердость, ковкость, температуру плавления и пр.). В кристалле возможно присутствие одного типа связи (гомодесмическая структура), или несколько типов (гетеродесмическая структура).

Мал золотник, да дорог

(Об исследованиях Торричелли читайте

Замечательный французский мыслитель, писатель и ученый Блез Паскаль, современник Торричелли, понял, что на основе таких сообщающихся сосудов легко создать могучий «жидкий» подъемный кран или гидравлический пресс.

Для этого диаметр у одной из сообщающихся трубок необходимо сделать намного меньше, чем у другой. Тогда с помощью сравнительно небольшого давления, приложенного к малой трубке, можно передвинуть тяжелую массу жидкости в другом сосуде!

Принцип, предложенный Паскалем, лежит в основе самых современных гидравлических машин и аппаратов, позволяющих получать очень большие давления, необходимые, в частности, для «насильственного» соединения водорода с металлами.

Так, еще не зная атомной и молекулярной структуры тел, ученые прошлого обнаруживали удивительные особенности поведения веществ, которые удалось объяснить только в XX веке…

Чтобы проверить механические свойства материала для сложных конструкций, его растягивают в раскаленном состоянии.

В твердом теле атомы почти не меняются местами, если, конечно, не нагревать его. Нагрев сильно увеличивает быстроту и размах движений атомов около положений равновесия. При высокой температуре твердое тело можно расплавить или даже испарить.

Особую группу твердых тел составляют кристаллы, где атомы распределены в строгом геометрическом порядке. Существует много возможностей расположить атомы в правильные ряды, шеренги и составить из них разнообразные геометрические фигуры, хотя, как доказал еще в прошлом веке русский ученый Е, С. Федоров, наиболее устойчивых конструкций кристаллической решетки ровно 230. Все последующие проверки теории Федорова показали, что в природе не существует других, не предсказанных Федоровым стабильных кристаллических структур.

Строгая периодичность внутреннего строения кристаллов оказалась очень полезной для современной техники.

Свободный электрон, возникший в кристалле под воздействием на него температуры или света, может пройти гораздо большие расстояния, чем в обычном твердом теле, что очень важно при создании приборов для радиотехники.

Разнообразны кристаллы, существующие в природе! Снег, лежащий ранней зимой между кустами и деревьями, тоже состоит из крохотных кристалликов.

Свет проникает в кристалл глубже, чем в твердое тело того же химического состава, но состоящее из множества случайных, хаотично расположенных по отношению друг к другу атомных групп. И это свойство широко используется в оптике - лучшие линзы и призмы делаются, конечно, из кристаллов.

Обнаружены кристаллы, в которых после приложения давления на разных гранях возникают электрические заряды противоположного знака. И наоборот - после пропускания электрического тока эти кристаллы могут сильно сжиматься или расширяться.

Такие удивительные кристаллы, получившие название пьезо-кристаллов , сейчас широко применяются в электронной технике - ведь даже давление звуковой волны вызывает в них появление и ток электрических зарядов, который может быть легко обнаружен и передан по проводам…

Свойства кристаллов

Глубокое изучение свойств столь полезных кристаллов показало, что в них возможно достаточно свободное движение атомов. Более того - в кристаллах были найдены различные несовершенства, нарушения в правильном строении кристаллической решетки, пустоты, сдвиги атомов. Пользуясь этими нарушениями структуры, инородные примеси, посторонние металлические или газовые включения могут довольно глубоко проникнуть в кристалл, особенно когда его получают из расплава или раствора исходного вещества.

Именно поэтому прочность реальных кристаллов чаще всего в десятки, а то и в сотни раз меньше прочности, которой они должны были бы обладать по теоретическим расчетам.

Кристаллы-усы, увеличенные в 150 раз.Сплетенные с волокнами графита, стекла и полимеров кристаллические усы позволили получить новые материалы,легкие и очень прочные.

Около двадцати лет назад в нескольких лабораториях мира внимательные исследователи обнаружили под микроскопом, что на поверхности многих кристаллов самопроизвольно вырастают небольшие «усики». Но по атомным масштабам – это небоскребы, где высота в десятки и сотни раз превышает ширину основания.

Образование крохотных усиков (или, как их теперь называют, нитевидных кристаллов ) происходит за счет малозаметных передвижений атомов по поверхности кристалла. Ведь атомы поверхности опутаны электронными связями только с одной стороны - из глубины кристалла, и это дает им иногда возможность оторваться от соседей и двигаться. Такие блуждающие атомы начинают пристраиваться к случайному выступу на поверхности и окружают его. Рост выступа вверх происходит, как правило, по спирали. Образуется башня-конус, напоминающая устремленный в небо памятник III Интернационалу, символ братства народов, проект которого выполнил в двадцатых годах нашего столетия выдающийся художник и конструктор Владимир Татлин, Недавно проект этого памятника можно было видеть в залах Музея изобразительных искусств им. Пушкина в Москве.

Интересен механизм роста кристаллов-усиков , но самым необычным оказалось… полное отсутствие в них каких-либо дефектов. Прочность крохотных кристаллов в сотни раз превышала прочность массивных кристаллов, на поверхности которых они выросли, и полностью соответствовала теоретической.

Помню, когда в начале шестидесятых годов в одном из журналов появился мой обзор работ по нитевидным кристаллам-усикам, к нам в лабораторию стали приходить многочисленные посетители. Одних интересовали уникальные свойства новых материалов, других беспокоила возможность «незапланированного» роста кристаллов в радиотехнических схемах, где такие усики могли привести к внезапному выходу из строя электронных приборов.

Большую радость открытие нитевидных кристаллов вызвало у всех, кому необходимы прочные и легкие конструкционные материалы. Нитевидные кристаллы стали вплетать в полимерные волокна, соединять с металлами, чтобы получить канаты, ленты и трубы невиданной прочности и долговечности.

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.