Описательные характеистики кристалов

В кристаллах есть что – то удивительное и завораживающее. Они поражают своей чёткостью линий и симметрией, в которой скрывается необыкновенная красота.

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и своё жилище.

Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно огранённых кристаллов.

Большинство драгоценных камней отличаются блеском, прозрачностью, сильным светорассеиванием, высокой твёрдостью и способностью принимать огранку.

Кристаллы играли и играют до сих пор немаловажную роль в жизни человека. Они обладают оптическими и механическими свойствами, именно поэтому первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Кристаллы до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 века.

Что такое кристалл

Слово «кристалл» в переводе с греческого языка означает прозрачный лёд. Кристаллом первоначально называли горный хрусталь, встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лёд, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится.

Кристаллы – это твёрдые тела, атомы или молекулы которых занимают определённые, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани.

Форма возникающих многогранников зависит от условий образования кристалла. Главным свойством кристалла является постоянство углов между его рёбрами и соответственно между гранями.

Пример№1: Кристалл поваренной соли.

Форма может быть куб, параллелепипед или призма, а также тела неправильной конфигурации. Но всегда в его вершине встречаются три ребра, образующие между собой прямые углы.

Пример№2: Кристалл исландского шпата.

В вершине кристалла кальцита встречаются три ребра образующие острый угол 78 08’ и два тупых угла по 101 52’ каждый.

Существуют монокристаллы и поликристаллы.

Твёрдое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Одиночный кристалл, имеющий более или менее правильную геометрическую форму, называется монокристаллом. Характерной особенностью монокристалла является его анизотропия, то есть различие его физических свойств в разных направлениях.

Анизотропия

Примеры анизотропии:

1) Анизотропия механических свойств монокристалла, то есть его прочность в разных направлениях различна. Приведём пример. Под пресс кладут монокристалл поваренной соли. Сначала кристалл сдавливают со стороны противоположных граней, а затем со стороны противоположных рёбер. В последнем случае кристалл разрушится при меньшем усилии, так как частицы, расположенные по диагонали куба, удалены друг от друга дальше, чем частицы, расположенные вдоль рёбер. Поэтому смять такую конструкцию по диагонали будет легче, чем вдоль рёбер.

Различной является и упругость монокристалла в разных направлениях. А так как скорость звука зависит от упругих свойств вещества и от его плотности, то скорость распространения звука в монокристаллах в разных направлениях различна.

2) Анизотропия тепловых свойств монокристалла, то есть коэффициенты теплового расширения и теплопроводности имеют разные значения в разных направлениях.

Кристаллическая решётка

Ещё в 18 веке на основе изучения макроскопических свойств кристаллов было выдвинуто предположение, что кристалл состоит из ячеек правильной геометрической формы. Однако лишь в 1912 году эта гипотеза была подтверждена М. Лауэ, открывшим явление дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. Оказалось, что частицы, из которых состоит кристалл, образуют в пространстве правильную кристаллическую решётку. В этой решётке можно выделить некоторую ячейку минимальных размеров, характеризующуюся тем, что если её переносить параллельно самой себе каждый раз на расстояние, равное её ребру, то таким способом можно образовать сколь угодно большой монокристалл.

Вершина ячейки называется узлом кристаллической решётки. Прямая, проходящая через узлы решётки, - узловой линией. Плоскость, проходящая через узлы решётки, называется узловой плоскостью. Плоскости и линии, которые гуще всего усеяны узлами, образуют грани и рёбра кристалла.

В 1881 году Е. С. Фёдоров установил, что всего в природе возможны 230 различных пространственных видов симметрии, которые могут быть разбиты на 7 кристаллических систем или на 32 класса. Эти классы различаются формой ячейки – углами между рёбрами и гранями и соотношениями между размерами рёбер.

Типы кристаллических связей

В зависимости от того, какие частицы находятся в узлах кристаллической решётки и какие силы взаимодействия между ними преобладают, различают: атомные, ионные, молекулярные и металлические кристаллы.

Виды кристаллических решёток

1) Молекулярные кристаллы.

Молекулярными называют кристаллические решётки, в узлах которых располагаются молекулы. Химические связи в этих молекулах могут быть и полярными ( HCl, H2O ), и неполярными ( N2 , O3 , P4 , ).

Примерами веществ с молекулярными кристаллическими решётками являются : вода, оксид углерода (4), хлороводород, сероводород. Большинство твёрдых органических соединений имеют молекулярные кристаллические решётки.

Несмотря на то, что атомы молекул связаны очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому вещества с молекулярными кристаллическими решётками имеют малую твёрдость, низкие температуры плавления, летучи.

2)Атомные кристаллы.

Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы. В таких решётках атомы соединены между собой очень прочными ковалентными связями. Примером веществ с таким типом кристаллических решёток может служить алмаз.

Число веществ с атомной кристаллической решёткой не очень много. К ним относятся кристаллический бор, кремний, германий, а также сложные вещества, например такие, в состав которых входит оксид кремния SiO2 : кремнезём, кварц, песок, горный хрусталь.

Большинство веществ с атомной кристаллической решёткой имеют очень высокие температуры плавления, они прочны и тверды, практически нерастворимы.

3) Ионные кристаллы.

Ионным строением обладает большинство соединений металлов с неметаллами. В узлах кристаллической решётки находятся ионы металлов и ионы неметаллов или сложные ионы, состоящие из нескольких атомов, например, гидроксид-ион ОН-.

Ионные соединения имеют ионную связь, Ионными соединениями являются оксиды металлов, основания, соли.

4) Металлические кристаллы образуют вещества с металлической связью, то есть металлы. В узлах таких решёток находятся атомы и ионы, а между ними двигаются электроны. Такое строение металлических кристаллов объясняет характерные физические свойства металлов : ковкость, пластичность, тепло- и электропроводность, блеск.

Различают несколько видов металлических кристаллических решёток.

а) Кубическая объёмноцентрическая.

б) Кубическая гранецентрированная.

в) Гексогональная.

Симметрия кристаллов.

Классификация кристаллов и объяснение их физических свойств оказываются возможным только на основе изучения их симметрии. Для оценки степени симметричности служат элементы симметрии – ось, плоскости и центр симметрии.

Ось симметрии – это воображаемая прямая, при вращении вокруг которой на 360 градусов кристалл несколько раз совмещается сам с собой.

Плоскость симметрии – это плоскость, рассекающая кристалл на две части, каждая из которых является зеркальным отображением одна другой.

Центр симметрии – это точка внутри кристалла, в которой пересекаются все оси симметрии.

По выражению Е. С. Фёдорова ”Кристаллы блещут симметрией ”.

Например, кристаллы в форме куба (хлорид калия, поваренная соль и другие) имеют 23 элемента симметрии: 9 плоскостей симметрии, 13 осей симметрии и один центр симметрии.

Кристаллы алмаза, калиевых квасцов имеют форму октаэдра. Они обладают такими же элементами симметрии, что и кубы.

У кристаллов магния, имеющих форму гексогональной призмы 6 плоскостей симметрии и одна ось симметрии.

У кристаллов медного купороса имеется лишь центр симметрии, других элементов симметрии у них нет.

Из этого небольшого обзора симметрий различных кристаллов можно сделать вывод, что различные кристаллы обладают разной симметрией.

Дефекты в кристаллах

Реальная структура кристалла всегда отличается от идеальной схемы, в реальном кристалле всегда имеются различного рода дефекты : примесные атомы, вакансии, дислокации и так далее.

Вакансии - пустоты, образующиеся при удалении отдельных атомов.

Межузельные атомы - свои или атомы примеси, которые полностью удалить из кристалла невозможно.

Атомы замещения - атомы примеси, занявшие места собственных атомов.

Это - три типа точечных дефектов. Они сильно искажают кристаллическую структуру и приводят к слабым смещениям - деформациям всего кристалла.

Кроме точечных дефектов существуют дефекты линейные и объёмные. К линейным дефектам относятся дислокации. Дислокация - это незавершённый сдвиг одной части кристалла относительно другой.

Простая дислокация заключается в том, что в каком – либо участке кристалла образуется лишняя узловая плоскость. В результате кристалл оказывается разбитым на два блока, на линии раздела которых и лежит ядро дислокации.

Спиральная дислокация образуется в том случае, если линия узлов одного из блоков некоторой своей частью как бы соскользнёт на один период выше или ниже своего нормального направления.

Влияние дефектов на физические свойства кристалла

Ранее было описано, что кристалл заполнен дефектами. Наличие в кристалле дефектов приводит к уменьшению его прочности. Но не всё так просто по мере того, как растёт кристалл, растёт и число дефектов в нём. А так как дефекты взаимодействуют друг с другом, то, чем их больше, тем труднее им двигаться в кристалле.

Получается парадокс: если в кристалле есть дефект, то он разрушается легче, чем если дефекта нет. А если дефектов слишком много, то кристалл опять становится прочным.

Без дефектов кристалл « не хочет » расти. И всё же учёным удалось перехитрить природу. Научились выращивать кристаллы, в которых нет дефектов. Такие кристаллы очень прочны, но их минус состоит в том, что они ничтожно малы. В диаметре они достигают не более 2 микрон. Растить такой кристалл очень сложно, а вырастет он чуть потолще – в нём обязательно проявляются дефекты и прочность сразу снижается.

Исследование структуры кристалла

В 1912 году Максу Лауэ и его ученикам удалось поставить опыт по дифракции рентгеновских лучей, пропустив узкий пучок лучей через монокристалл. Интерференционные максимумы, возникшие в результате дифракции на узлах кристаллической решётки, можно было наблюдать на люминесцирующем экране или фотографировать.

В настоящее время метод Лауэ представляет лишь исторический интерес. Для практических целей используется либо порошковый метод, либо метод качающегося кристалла.

Порошковый метод, который предложили в 1926году П. Дебай и П. Шерер, позволяет исследовать структуру кристаллической решётки у вещества, находящегося в поликристаллическом состоянии. Это очень ценно, ибо выращивание монокристаллов значительных размеров представляет довольно сложную задачу, и часто вырастить нужный монокристалл вообще не удаётся.

Методом качающегося кристалла могут быть изучены только монокристаллы, что является недостатком этого метода. Однако он позволяет изучить структуру решётки значительно более детально, чем метод Дебая – Шерера.

Образование кристаллов в природе

Вообще говоря, кристаллы в природе образуются тремя путями : из расплава, из раствора и из паров.

Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды, так как вода, в сущности, не что иное, как расплавленный лед.

Кристаллы в природе образуются из растворов, примером чему могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды. В домашних условиях можно вырастить кристалл из насыщенного раствора.

Кристаллы образуются также непосредственно из пара или газа. При охлаждении газа электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твердое вещество. Так образуются снежинки; воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.

Получение кристаллов на практике.

На практике выращивают кристаллы либо из раствора, либо из расплава. Выращивание кристалла из раствора.

Получение кристаллов из раствора сводится к двум способам. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй – в медленном понижении температуры раствора. Если кристаллизация в растворе происходит быстро, то получается поликристалл, а если медленно, то – монокристалл.

Выращивание кристаллов из расплава

Для того чтобы вырастить один монокристалл, применяется, например, следующий способ. Тигель с расплавом медленно опускается сквозь отверстие в вертикальной трубчатой печи. Кристалл зарождается на дне тигля, так как оно раньше попадает в область более низких температур, а затем постепенно разрастается по всему объему расплава. Дно тигля специально делают узким, заостренным на конус, чтобы в нем мог расположиться только один кристаллический зародыш.

Этот способ часто применяется для выращивания кристаллов цинка, серебра, алюминия, меди и других металлов, а также хлористого натрия, бромистого калия, фтористого лития и других солей, используемых оптической промышленностью. За сутки можно вырастить кристалл поваренной соли массой порядка килограмма.

Недостатком описанного метода является загрязнение кристаллов материалом тигля.

Применение кристаллов в технике

Жидкие кристаллы применяют в медицине. Идея замены рентгеновского излучения ультразвуком возникла давно, ведь ультразвук для человеческого организма безвреден. Жидкие кристаллы оказались чувствительны к ультразвуку. При этом нарушается молекулярная упаковка жидкого кристалла, и оптическая картина этих нарушений позволяет судить о состоянии внутренних органов человека.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма - и ультрафиолетовое излучение. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ - информационная техника. От первых индикаторов знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном прошло лишь несколько лет.

Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя ничтожное количество энергии от малогабаритного аккумулятора или батарейки.

Кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия.

Наблюдение за выращиванием кристаллов в домашних условиях

Для выполнения поставленных перед собой задач я попытался вырастить кристаллы из растворов следующих веществ :

1) Медный купорос.

2) Поваренная соль.

3) Алюмокалиевые квасцы.

Для того чтобы вырастить кристаллы, я использовал один и тот же способ: в пропаренный стакан, я наливал 100 мл. дистиллированной воды, нагретой до температуры в 30 градусов, и определённое количество вещества, кристалл которого я хотел получить. Размешав данный раствор, я профильтровал его и положил стакан в сухое место.