Struktura krystalů: vlastnosti a fyzikální vlastnosti

Při pohledu na krystaly a výrobky z drahokamů chci pochopit, jak se tato tajemná mohla objevit krása, jak vznikají taková úžasná díla přírody. Existuje touha dozvědět se více o jejich vlastnostech. Koneckonců, zvláštní, nikde v přírodě, opakující se struktura krystalů umožňuje jejich použití všude: od šperků po nejnovější vědecké a technické vynálezy.

Studium krystalických minerálů

Struktura a vlastnosti krystalů jsou tak mnohostranné, že studium a zkoumání těchto jevů se zabývá samostatnou vědou-mineralogií. Slavný ruský akademik Alexander Evgenievich Fersman byl tak pohlcen a překvapen rozmanitostí a neomezeností světa krystalů, že se snažil zaujmout co nejvíce myslí tímto tématem. Ve své knize "zábavná mineralogie" nadšeně a vřelě naléhal, aby se seznámil s tajemstvími minerálů a ponořil se do světa drahokamů:

Opravdu vás chci zaujmout. Chci, abyste se začali zajímat o hory a lomy, doly a kopí, abyste začali sbírat sbírky minerálů, abyste s námi chtěli cestovat z města dále, k toku řeky, kde jsou vysoké skalnaté břehy, k vrcholům hor nebo ke skalnatému pobřeží, kde se rozbíjí kámen, těží písek nebo exploduje Ruda. Tam všude najdeme, co dělat: a v mrtvých skalách, pískech a kamenech se s vámi naučíme číst některé skvělé přírodní zákony, které řídí celý svět a podle kterých je postaven celý svět.

Fyzika se zabývá studiem krystalů a tvrdí, že každá opravdu pevná látka je krystal. Chemie zkoumá molekulární strukturu krystalů a dochází k závěru, že jakýkoli kov má krystalickou strukturu.

Studium úžasných vlastností krystalů má obrovský význam pro rozvoj moderních věd, strojírenství, stavebnictví a mnoha dalších průmyslových odvětví.

Základní zákony krystalů

První věc, která se při pohledu na krystal věnuje pozornost, je dokonalá mnohostranná forma, ale není hlavním rysem minerálu nebo kovu.

Při rozbití krystalu na malé střepy z dokonalého tvaru nezůstane nic, ale jakýkoli střep, jako dříve, zůstane krystalem. Charakteristickým znakem krystalu není jeho vzhled, ale význačný rys jeho vnitřní struktury.

Symetrie

První věc, která stojí za zapamatování a zmínku při studiu krystalů, je fenomén symetrie. Je rozšířený v okolním každodenním životě. Křídla motýla jsou symetrická, otisk skvrny na listu papíru ohnutém na polovinu. Symetrické sněhové krystaly. Šestihranná sněhová vločka má šest rovin symetrie. Ohýbáním vzoru podél jakékoli čáry znázorňující rovinu symetrie sněhové vločky můžete kombinovat její dvě poloviny.

Osa symetrie má takovou vlastnost, že otočením obrázku o nějaký známý úhel kolem něj můžete kombinovat vhodné části obrázku. V závislosti na velikosti vhodného úhlu, o který má být tvar otočen, jsou v krystalech definovány osy 2., 3., 4. a 6. řádu. V sněhových vločkách je tedy pozorována jediná osa symetrie šestého řádu, která je kolmá k kreslicí rovině.

Středem symetrie je takový bod v rovině obrázku, ve stejné vzdálenosti od kterého jsou v opačném směru stejné prvky struktury obrázku.

A co je uvnitř?

Vnitřní struktura krystalů je druh spojení molekul a atomů v pořadí charakteristickém pouze pro krystaly. Jak poznají vnitřní strukturu částic, pokud nejsou viditelné ani v mikroskopu?

K tomu se používají rentgenové paprsky. Německý fyzik M je používá k prosvítání krystalů. Laue, anglický fyzik otec a syn Bragg, ruský profesor Yu. Woolf zavedl zákony, které zkoumají strukturu a strukturu krystalů.

Všechno se ukázalo úžasné a nečekané. Samotná představa o struktuře molekuly se ukázala jako nepoužitelná pro krystalický stav hmoty.

Například látka známá všem, jako je stolní sůl, má chemické složení molekuly NaCl. Ale v krystalu se jednotlivé atomy chloru a sodíku nesčítají do jednotlivých molekul, ale tvoří specifickou konfiguraci zvanou prostorová nebo krystalová mřížka. Nejmenší částice chloru a sodíku mají elektrickou vazbu. Krystalová mřížka soli se skládá následovně. Jeden z valenčních elektronů vnějšího pláště atomu sodíku je vložen do vnějšího pláště atomu chloru, který není zcela naplněn nedostatkem chloru osmého elektronu ve třetí skořápce. V krystalu tedy každý iont sodíku i chloru nepatří do jedné molekuly, ale do celého krystalu. Protože atom chloru je monovalentní, může k sobě připojit pouze jeden elektron. Vlastnosti struktury krystalů však způsobují, že atom chloru je obklopen šesti atomy sodíku, a není možné určit, který z nich bude sdílen s chlorem elektronem.

Ukazuje se, že chemická molekula stolní soli a její krystal nejsou vůbec stejné. Celý monokrystal – je to jako jedna obrovská molekula.

Mřížka - pouze model

Je třeba se vyhnout chybě, když je prostorová mřížka zaměněna za platný model krystalové struktury. Mřížka-druh podmíněného obrazu příkladu sloučeniny elementárních částic ve struktuře krystalů. Místa spojení mřížky ve formě kuliček jasně umožňují znázornit atomy a čáry, které je spojují, jsou přibližným obrazem vazebných sil mezi nimi.

Ve skutečnosti jsou mezery mezi atomy uvnitř krystalu mnohem menší. Je to husté balení částic, které jej tvoří. Míč-symbol atomu, jehož použití umožňuje úspěšně odrážet vlastnosti hustého balení. Ve skutečnosti nedochází k jednoduchému kontaktu atomů, ale k vzájemnému jejich částečnému překrývání. Jinými slovy, obraz koule ve struktuře krystalové mřížky je pro přehlednost zobrazená koule takového poloměru, která pojme většinu elektronů atomu.

Zajištění pevnosti

Mezi dvěma opačně nabitými ionty vzniká elektrická přitažlivá síla. Je pojivem ve struktuře iontových krystalů, jako je stolní sůl. Pokud se však ionty velmi přiblíží, jejich elektronické oběžné dráhy se navzájem překrývají, objeví se odpudivé síly stejného jména nabitá částice. V krystalu je distribuce iontů taková, že odpudivé a tažné síly jsou v rovnováze a poskytují krystalickou pevnost. Tato struktura je charakteristická pro iontové krystaly.

A v krystalových mřížkách diamantu a grafitu dochází ke spojení atomů pomocí společných (kolektivních) elektronů. Úzce rozmístěné atomy mají společné elektrony, které obíhají kolem jádra jednoho i sousedního atomu.

Podrobné studium teorie sil s takovými vazbami je poměrně obtížné a leží v oblasti kvantové mechaniky.

Rozdíly kovů

Struktura kovových krystalů je složitější. Protože atomy kovu snadno darují dostupné vnější elektrony, mohou se volně pohybovat po celém objemu krystalu a vytvářet v něm takzvaný elektronový plyn. Díky takovým" putujícím " elektronům se vytvářejí síly, které zajišťují pevnost kovového ingotu. Studium struktury skutečných kovových krystalů ukazuje, že v závislosti na způsobu chlazení kovového ingotu mohou existovat nedokonalosti: povrchové, bodové a lineární. Velikosti takových defektů nepřesahují průměr několika atomů, ale zkreslují krystalovou mřížku a ovlivňují difúzní procesy v kovech.

Růst krystalů

Pro pohodlnější pochopení lze růst krystalické hmoty považovat za stavbu cihlové struktury. Pokud jeden cihla nedokončené zdivo představit jako kompozitní část krystalu, pak můžete určit, kde krystal poroste. Vlastnosti energie krystalu jsou takové, že položená na první cihlu zažije přitažlivost s jedné straně - zespod. Při pokládce na druhou stranu – ze dvou stran a na třetí-ze tří. V procesu krystalizace-přechodu z kapalného do pevného stavu - dochází k uvolňování energie (teplo tání). Pro největší sílu systému by její možná energie měla usilovat o minimální. Růst krystalů proto probíhá vrstvu po vrstvě. Nejprve bude dokončena řada roviny, poté celá rovina a teprve poté se začne stavět další.

Věda o krystalech

Základní zákon krystalografie - vědy o krystalech - říká, že všechny úhly mezi různými rovinami krystalických ploch jsou vždy konstantní a stejné. Jakkoli je rostoucí krystal zkreslený, úhly mezi jeho tvářemi si zachovávají stejnou hodnotu vlastní tomuto druhu. Bez ohledu na velikost, tvar a číslo se tváře stejné roviny krystalu vždy protínají ve stejném předdefinovaném úhlu. Zákon stálosti rohů byl objeven m.Do. Lomonosov v roce 1669 a hrál velkou roli při studiu struktury krystalů.

Anizotropie

Svéráz procesu formování krystaly jsou způsobeny fenoménem anizotropie-odlišnými fyzikálními charakteristikami v závislosti na směru růstu. Monokrystaly v různých směrech vedou elektřinu, teplo a světlo různými způsoby a mají nerovnoměrnou pevnost.

Stejný chemický prvek se stejnými atomy tedy může tvořit různé krystalové mřížky. Například uhlík může krystalizovat do diamantu a do grafitu. V tomto případě je diamant příkladem maximální pevnosti mezi minerály a grafit snadno zanechává své váhy při psaní tužkou na papír.

Měření úhlů mezi plochami minerálů má velký praktický význam pro určení jejich povahy.

Základní vlastnosti

Poté, co znáte vlastnosti struktury krystalů, můžete stručně popsat jejich základní vlastnosti:

• Anizotropie-nerovnoměrnost vlastností v různých směrech.
• Homogenita-elementární složky krystalů, které jsou rovnoměrně uspořádány v prostoru, mají stejné vlastnosti.
• Schopnost samoostření - jakýkoli úlomek krystalu v médiu vhodném pro jeho růst bude mít mnohostranný tvar a bude pokryt tvářemi odpovídajícími tomuto druhu krystalů. Právě tato vlastnost umožňuje krystalu zachovat jeho symetrii.
• Neměnnost teploty tání. K rozpadu prostorové mřížky minerálu, tj.

Krystaly-pevné látky, které získaly přirozený tvar symetrického mnohostěnu. Struktura krystalů charakterizovaná tvorbou prostorové mřížky sloužila jako základem pro vývoj ve fyzice teorie elektronické struktury pevných látek. Studium vlastností a struktury minerálů má důležitý praktický význam.