Prirodni kristali - sorte, svojstva, ekstrakcija i primjena. Najvažnija svojstva kristala

Glavna svojstva kristala - anizotropija, homogenost, sposobnost samosagorevanja i prisustvo konstantne temperature topljenja - određena su njihovom unutrašnjom strukturom.

Rice. 1. Primjer anizotropije je kristal minerala distena. U uzdužnom smjeru, njegova tvrdoća je 4,5, u poprečnom smjeru je 6. © Parent Géry

Ovo svojstvo se još naziva i disparitet. Izražava se u činjenici da fizička svojstva kristala (tvrdoća, čvrstoća, toplotna provodljivost, električna provodljivost, brzina širenja svjetlosti) nisu ista u različitim smjerovima. Čestice koje formiraju kristalnu strukturu u neparalelnim smjerovima međusobno su odvojene na različitim udaljenostima, zbog čega bi svojstva kristalne tvari u takvim smjerovima trebala biti različita. Karakterističan primjer tvari sa izraženom anizotropijom je liskun. Kristalne ploče ovog minerala lako se cijepaju samo duž ravnina koje su paralelne njegovoj lamelarnosti. U poprečnim smjerovima, mnogo je teže razdvojiti ploče liskuna.

Anizotropija se također očituje u činjenici da kada je kristal izložen bilo kojem otapalu, brzina kemijskih reakcija je različita u različitim smjerovima. Kao rezultat, svaki kristal, kada se rastvori, poprima svoje karakteristične oblike, koji se nazivaju figure za jetkanje.

Amorfne supstance karakteriše izotropnost (ekvivalencija) - fizička svojstva u svim pravcima se manifestuju na isti način.

Uniformitet

Izražava se u činjenici da su bilo koji elementarni volumeni kristalne tvari, jednako orijentirani u prostoru, apsolutno identični po svim svojim svojstvima: imaju istu boju, masu, tvrdoću itd. dakle, svaki kristal je homogeno, ali u isto vrijeme anizotropno tijelo.

Homogenost je svojstvena ne samo kristalnim tijelima. Čvrste amorfne formacije također mogu biti homogene. Ali amorfna tijela ne mogu sama po sebi poprimiti poliedarski oblik.

Sposobnost samoograničavanja

Sposobnost samorezanja izražava se u činjenici da se svaki fragment ili kuglica isklesan iz kristala u mediju pogodnom za njegov rast tokom vremena prekriva licem karakterističnim za dati kristal. Ova karakteristika je povezana sa kristalnom strukturom. Staklena kugla, na primjer, nema takvu osobinu.

Kristali iste supstance mogu se međusobno razlikovati po svojoj veličini, broju lica, ivicama i obliku lica. Zavisi od uslova formiranja kristala. S neujednačenim rastom, kristali su spljošteni, izduženi itd. Uglovi između odgovarajućih strana rastućeg kristala ostaju nepromijenjeni. Ova karakteristika kristala je poznata kao zakon konstantnosti uglova faseta. U ovom slučaju, veličina i oblik lica u različitim kristalima iste supstance, udaljenost između njih, pa čak i njihov broj mogu varirati, ali uglovi između odgovarajućih lica u svim kristalima iste supstance ostaju konstantni pod istim uslovima. pritiska i temperature.

Zakon konstantnosti uglova faseta ustanovljen je u krajem XVII stoljeća danskog naučnika Stenoa (1699.) o kristalima željeznog sjaja i gorskom kristalu, kasnije je ovaj zakon potvrdio M.V. Lomonosov (1749) i francuski naučnik Rome de Lille (1783). Zakon konstantnosti uglova faseta naziva se prvim zakonom kristalografije.

Zakon konstantnosti uglova faseta objašnjava se činjenicom da su svi kristali jedne supstance identični u unutrašnja struktura, tj. imaju istu strukturu.

Prema ovom zakonu, kristale određene supstance karakterišu njihovi specifični uglovi. Stoga je mjerenjem uglova moguće dokazati da kristal koji se proučava pripada jednoj ili drugoj tvari. Na tome se temelji jedna od metoda za dijagnosticiranje kristala.

Za mjerenje diedarskih uglova u kristalima izmišljeni su posebni uređaji - goniometri.

konstantna tačka topljenja

Izražava se u činjenici da kada se kristalno tijelo zagrije, temperatura raste do određene granice; daljnjim zagrijavanjem, tvar se počinje topiti, a temperatura ostaje konstantna neko vrijeme, jer sve dolazi vrućina do razaranja kristalne rešetke. Temperatura na kojoj počinje topljenje naziva se tačka topljenja.

Amorfne supstance, za razliku od kristalnih, nemaju jasno definisanu tačku topljenja. Na krivuljama hlađenja (ili zagrijavanja) kristalnih i amorfnih tvari može se vidjeti da u prvom slučaju postoje dvije oštre infleksije koje odgovaraju početku i kraju kristalizacije; u slučaju hlađenja amorfna supstanca imamo glatku krivu. Na osnovu toga, lako je razlikovati kristalne od amorfnih tvari.

Tek u 17. veku moderno čovečanstvo je ponovo otkrilo kristale za sebe. Datumom rođenja kristalografije, nauke koja proučava kristale, smatra se 1669.
Iako je naučna kristalografija nastala u 17. veku, teorijske osnove o strukturi kristala i metodama za njihovo proučavanje utvrđeni su tek u 19. veku. U 20. vijeku ova otkrića su najviše našla praktičnu primjenu različitim oblastima ljudski život. Kristali su se široko koristili u raznim oblastima nauke i tehnologije. Budućnost je takođe njihova.
Kristali nas okružuju sa svih strana. Oni su osnova fizičkog svijeta. Gotovo svi minerali se sastoje od njih, uključujući bazalt, granit, krečnjak i mermer. Od njih se sastoje svi metali i većina nemetala: guma, kosti, kosa, celuloza i još mnogo toga.
Živimo u svetu kristala. Kuće, čamci, autobusi, avioni, rakete, noževi i viljuške... sve se sastoji od njih.
Čak iu hrani unosimo kristalne supstance: so, šećer, a da ne govorimo o lekovima u tabletama i prahu koje uzimamo tokom bolesti.
Ne postoji mjesto na Zemlji gdje ne bi bilo kristala. Da, i u svemiru su rasprostranjeni, jer mu služe kao materijalna osnova.
1669. danski doktor N. Stenon napravio je važno otkriće, otkrio je da su u kristalima formiranim od iste supstance, uglovi između susjednih strana uvijek isti, bez obzira na oblik i veličinu kristala.
To znači da svaki kristal ima svoj jedinstveni ugao između lica.
Ovo otkriće je ušlo u kristalografiju kao zakon konstantnosti uglova. Dakle, ako je poznat ugao između strana, onda je moguće odrediti supstancu kristala bez pribjegavanja kemijskoj ili fizičkoj analizi. Treba ih samo uporediti sa uglovima poznatih kristala.
Osim toga, isti Stenon je bio prvi koji je predložio izvanrednu verziju da kristali ne rastu iznutra, kao što se primjećuje u biljkama, već izvana, namještanjem novih čestica na vanjske ravni.
Kristali se sastoje od atoma, jona i molekula. Ove čestice su raspoređene u strogo definisanom redosledu, formirajući prostornu rešetku. Atomi i ioni se u njima drže silama privlačenja i odbijanja. Ne miruju, već stalno fluktuiraju.
Svaki kristal ima svoj karakterističan oblik, koji ne zavisi samo od sredine u kojoj je rastao, već i od strukture prostorne rešetke. Oblik rešetke također određuje svojstva samog kristala. U tom smislu, najindikativniji primjer su dijamant i grafit, prostorne rešetke, koje formiraju atomi istog elementa - ugljika.
Grafit je crni mineral, mekan i duktilan, provodljiv struja i otporan na vatru. A sve zato što se njegova rešetka sastoji, takoreći, od slojeva, među kojima veza nije tako jaka kao između pojedinačnih atoma unutar ovog sloja. Takve slojeve je lako pomicati jedan u odnosu na drugi laganim pritiskom, što uočavamo kada pišemo olovkom. On je, kao što smo već pretpostavili, grafit.
Ali dijamant je sušta suprotnost od grafita. Proziran je, jačinom nadmašuje druge kristale, ali ne provodi struju i lako gori u struji kisika. Gotovo je dvostruko teži od grafita. "Kriv" je u svemu tome njegova prostorna rešetka. On je trodimenzionalan i svaki atom u njemu je čvrsto povezan sa četiri druga.
Kristali su čvrste tvari i mogu biti tekući ako njihovi molekuli imaju sposobnost da se orijentiraju u jednom smjeru "odjednom" ili u grupama-slojevima ili na druge načine.
Konačno, "kristali" mogu biti čisto energetski, nevidljivi, ali se nauka kristalografije još nije bavila takvim "duhovima".
U kristalu, lica se sijeku na rubovima, a ivice se sijeku na vrhovima. Lica, ivice i vrhovi - potrebnih elemenata faceting.
Glavne karakteristike kristala su uniformnost i ravnost. Dakle, ako kristali imaju ravne površine, onda je njihov sastav homogen. I obrnuto: ako je supstanca kristala homogena, onda ima ravne površine.
Kristali mogu stvarati zvukove, kao što je pijesak koji pjeva. Ovaj fenomen privlači pažnju putnika koji se nađe među pješčanim dinama pustinje Karakum ili drugih pustinja.
Odjednom se, niotkuda, čuju nejasni zvuci pjevanja, ali u blizini nema nikoga, samo pijesak. Ispuštaju zvukove kada počnu kliziti na laganom vjetru peščana padina.
Pjevani pijesak ne nalazi se samo u pustinjama. Harmonične melodije često nastaju kada hodate po mokrom pijesku na plaži.
Ruski putnik A. Elisejev ostavio je svoje utiske o Sahari:
„...u vrelom vazduhu čuli su se neki šarmantni zvukovi, prilično visoki, melodični, ne bez harmonije, sa jakom metalnom nijansom. Čuli su se odasvud, kao da su ih proizvodili nevidljivi duhovi pustinje...
Pustinja je bila tiha, ali zvuci su letjeli i topili se u vrućoj atmosferi, izranjali odnekud odozgo i nestajali kao u zemlji... Sad veseli, čas samilosni, čas oštri i bučni, čas nježni i melodični, činili su se da su govor živih bića, ali ne i zvuci mrtve pustinje...
Nijedna nimfa drevnih ljudi nije mogla smisliti ništa nevjerovatnije i divnije od ovih tajanstvenih pjesama pijeska.
Svi koji su čuli pesme peska su iznenađeni ovim fenomenom, a mnogi su pokušali da ga objasne. Na primjer, stari Egipćani su vjerovali da su takvi zvukovi proizvod pustinjskih duhova i bili su u pravu.
Savremeni naučnici smatraju da se razlog za pojavu zvukova možda krije u samoj strukturi zrna peska. Poznato je da sadrži mnogo kvarca i drugih silicijum dioksida.
Kvarc je najčešći silicijum oksid u zemljinoj kori. Njegovi kristali imaju niz izvanrednih svojstava. Bogate su jednostavnim, odnosno zatvorenim, zatvorenim oblicima. Ovdje možete pronaći piramide, prizme, romboedre - više od pet stotina jednostavnih oblika. Kvarc se odlikuje formiranjem blizanaca - simetričnih izraslina kristala.
Ali ne samo raznolikost vanjskih oblika iznenađuje kvarc. Njegov kristal nema centar simetrije, što je siguran znak da ima piezoelektrična svojstva.
Stoga, ako je kristal komprimiran, tada na njegovim stranama okomitim na smjer kompresije nastaju suprotni električni naboji: pozitivni - na jednoj strani, negativni - na drugoj.
Tako se mehanička energija uz pomoć kristala kvarca pretvara u električnu energiju. Ako uklonimo mehaničko opterećenje s kristala i počnemo ga rastezati, tada se polaritet naboja na licima mijenja u suprotne naboje. A to se događa u kristalu kvarca, koji je sam po sebi izolator!
Ovu pojavu u kristalima kvarca otkrio je 1817. godine francuski kristalograf R. Gayuy, a ponovo 1880. godine francuski naučnici, braća Jean i Pierre Curie, i nazvan je piezoelektricitet. Kasnije su otkrili i reverzibilnost ovog efekta.
Ispostavilo se da bi se kristal kvarca mogao komprimirati ili rastegnuti ako bi se na njegovim stranama stvorili suprotni električni naboji. U tom slučaju električna energija se pretvara u mehanička energija.
Upravo ovo svojstvo kristala daje razlog za vjerovanje da je pjevanje pustinjskog pijeska povezano sa boravkom duhova. Budući da su duhovi pustinje demonski entiteti koji predstavljaju haotično kretanje elektrona.
Demonskim entitetima nedostaje jezgro i magnetizam. Oni predstavljaju prazninu koja je okružena elektronima koji se nasumično kreću. Dakle, demonski entiteti su nosioci električnog naboja, koji uzrokuje napon na površini kristalnih molekula.
Kao rezultat ovog udara, kristali pijeska se sabijaju i otpuštaju, uzrokujući vibriranje zraka, što se manifestira u obliku zvukova.
Pjevanje pijeska snažno djeluje na ljudsku psihu, izazivajući instinktivni strah. Razlog za ovaj strah može se objasniti činjenicom da ljudska duša, u pevanju peska, hvata "dah" smrti, čiji je nosilac demonska suština.
Čovjek, životinja i biljka, kao živi organizmi, ne mogu podnijeti napetost i utjecati na kristale poput demonske esencije, ne mogu izazvati pjevanje pijeska. Pošto atomski sistem živih ćelija organskih tela proizvodi vibracije različite frekvencije i elektromagnetna indukcija, što čini sistem tijela zatvorenim u smislu električnog djelovanja. To jest, električna energija tijela je zarobljena vlastitim magnetnim poljem, koje je kontrolira.
I to samo u slučaju kada duhovnost osobe padne, što smanjuje potencijal magnetsko polje u njegovom tijelu može nastati višak električne energije i dodatni napon. To je tu napetost koju demonska sila hvata i podnosi. Ovaj višak električne energije negativno utječe, prije svega, na kristalne strukture ljudsko tijelo, a zatim do kristalnih tijela koja ga okružuju. Na primjer, na nakitu koji osoba nosi. Stoga su u davna vremena, prema stanju kamenja amajlija, predviđali stanje ljudskog zdravlja, pa čak i njihovu budućnost. Obratite pažnju na mlijeko koje je osjetljivo na prisustvo u kući zli duhovi.
Kao rezultat istraživanja, ustanovljeno je da kvarc u obliku ploče izrezane iz kristalnog tijela ima tako veliku elastičnost da može oscilirati vrlo visokom frekvencijom, sukcesivno se sabijati i rastezati kada se promijeni polaritet električnog polja.
Kvarc može vibrirati u širokom rasponu frekvencija, stvarajući akustične i električne valove, odnosno pjevanje. Kada pješčana lavina sklizne s dine ili se pješčana masa uruši, slojevi pijeska ispod njih doživljavaju promjenjiv pritisak od pokretnog sloja. Sabijaju se pod pritiskom i "ispravljaju" kada se pritisak smanji. Kristali kvarca prisutni u zrncima pijeska počinju oscilirati, vibrirati, stvarajući akustične valove. Slični procesi se javljaju kada hodate po mokrom pijesku.
Mehaničke vibracije kristala kvarca u zrncima pijeska dovode do stvaranja električnih naboja na njihovim licima, čiji se polaritet mijenja sinhrono sa mehaničke vibracije kristali. Ne postoje samo akustični valovi, već i naizmjenično električno polje određenog frekvencijskog spektra.
Svako zrno pijeska, svaki kristal pjeva svoju pjesmu na svojoj frekvenciji. Njihovi glasovi se zbrajaju. A sada zvuči polifono pjevanje, dovoljno glasno, raspon frekvencija je širok. To je ono što ljudsko uho čuje. Ali samo niske frekvencije. Naše uho ne percipira visoke frekvencije. Kada prestane kretanje pijeska, pobuđene mehaničke i električne vibracije kristala kvarca u zrncima pijeska blijede, a zvuk prestaje.
Sovjetski naučnik K. Baranski je 1957. godine otkrio da se akustični talasi mogu pobuđivati ​​direktno na površini kristala, što je dodatno proširilo opseg generisanih frekvencija. Tada su američki naučnici povećali plafon frekvencije za još jedan red veličine.
Ako pijesak pjeva kada je podvrgnut mehaničkim i električnim utjecajima, onda i sama Zemlja pjeva iz sličnog razloga. Pulsirajuće vatreno srce planete, uticaj drugih planeta i Sunca izazivaju kretanje i vibracije stena zemljine kore, čineći Zemlju zvukom. Njena pjesma, koju ljudsko uho ne percipira, nosi daleko u svemiru.
Zemljina kora je u stalnoj napetosti. Tu i tamo se javljaju zemljotresi i vulkanske erupcije, oslobađajući opasne zone od preopterećenja demonskih entiteta na njima - bezduhovnih praznina.
Broj potresa na Zemlji dostiže i do sto hiljada godišnje. Od ukupan broj potresi jaki zemljotresi se dešavaju i do hiljadu godišnje.
Iz centara deformacije zemljine kore, vibracije se prenose na velike udaljenosti. Brzina širenja talasa je veoma velika. U granitnim stijenama za uzdužne valove je više od 5000 metara u sekundi, za poprečne valove - oko 2509 metara u sekundi.
Na svom putu zemaljski valovi ili sabijaju stijene ili ih rastežu, uzrokujući stvaranje snažnih električnih naboja različitog polariteta. Posebno su velike u epicentru kompresije ili rastezanja, gdje zemljine stijene doživljavaju vrlo jake, do pucanja, deformacije.
Električna pražnjenja u obliku najjačih podzemnih munja brzo se šire kroz zone najmanjeg otpora i često se probijaju iz dubina do površine Zemlje, ostavljajući otopljene čvrste stijene ili čudne okrugle rupe.
Nema ničeg čudnog u tome što Zemlja zvuči. Njegove tvrde stijene, bazalt, graniti, pješčenici i drugi imaju kristalnu strukturu. Sadrže mnoge formacije kvarca. Kada se kristali deformišu, ne nastaju samo akustični i električni talasi, već se usput dešavaju i drugi fizički i hemijski procesi.
Strašnu tutnjavu dubokih oluja "čuju" mnoge životinje, ptice, insekti. Oni čak mogu biti i "najavljivači" približavanja podzemnog štrajka. I samo je osoba, po pravilu, zatečena nesvjestan. Od kada je prestao da sebe doživljava kao dio prirode i da prati procese koji se odvijaju u prirodi.
Osim što "pjevaju", kristali vibriraju u određenom rasponu svjetlosnog spektra, pa dobijaju svoju boju, na primjer kamenje za nakit. Kamenje je prozirno i snažnog sjaja sposobno da prenosi i modificira energiju zračenja. Boja minerala povezana je s uključivanjem u njihovu kristalnu rešetku metalnih jona koji lako mijenjaju svoju valenciju i sposobni su odustati od svojih elektrona uz minimalnu zalihu energije.
Neki od ovih elektrona "lutaju" među atomima kristalne rešetke, stupaju u interakciju s njima, razmjenjujući s njima energiju. Kao rezultat, lokalni poremećaji kristalne rešetke nastaju u kristalu i kontinuirano mijenjaju svoj obrazac. Na taj način kristal intenzivno živi svoj " unutrašnji život", čije vanjske manifestacije čine skupove "magičnih" svojstava kamenja-amuleta.
U takve metale spadaju gvožđe, bakar, mangan, hrom, retkozemni elementi, primese jedinjenja, koje primetno menjaju energetsku siluetu kristala.

Predavanje 16

Fizička svojstva kristala

Fizika čvrstog stanja bavi se proučavanjem strukture i fizičkih svojstava čvrstih tijela. Ustanovljava zavisnost fizičkih svojstava od atomska struktura supstance, razvija metode za dobijanje i proučavanje novih kristalnih materijala sa željenim karakteristikama.

Fizička svojstva kristala određena su:

1) priroda hemijski elementi, koji su dio kristala;

2) vrsta hemijske veze;

3) geometrijska priroda konstrukcije, tj. međusobnog dogovora atomi u kristalnoj strukturi;

4) nesavršenost konstrukcije, odnosno prisustvo nedostataka.

S druge strane, po fizičkim svojstvima kristala obično sudimo o vrsti hemijske veze.

Čvrstoću kristala najlakše je procijeniti po njihovim mehaničkim i termičkim svojstvima. Što je kristal jači, veća je njegova tvrdoća i viša je tačka topljenja. Ako proučavamo promjenu tvrdoće s promjenom sastava u nizu supstanci istog tipa i uporedimo dobivene podatke s odgovarajućim vrijednostima tališta, tada možemo primijetiti "paralelizam" u promjeni ovih svojstava.

Da vas podsjetim da je najkarakterističnija karakteristika fizičkih svojstava kristala njihova simetrija i anizotropija. Anizotropni medij karakterizira ovisnost mjerenog svojstva o smjeru mjerenja.

Već smo rekli da je hemija kristala usko povezana sa kristalografijom i fizikom. dakle, glavni zadatak kristalne fizike(odjeljak kristalografije koji proučava fizička svojstva kristala) je proučavanje pravilnosti fizičkih svojstava kristala iz njihove strukture, kao i ovisnosti ovih svojstava od vanjskih utjecaja.

Fizička svojstva tvari mogu se podijeliti u dvije grupe: strukturno osjetljiva i strukturno neosjetljiva svojstva. Prvi zavise od atomske strukture kristala, drugi - uglavnom od elektronske strukture i vrste hemijske veze. Primer prvog su mehanička svojstva (masa, gustina, toplotni kapacitet, tačka topljenja, itd.), primer drugog su toplotna i električna provodljivost, optička i druga svojstva.

Dakle, dobra električna provodljivost metala, zbog prisustva slobodnih elektrona, će se uočiti ne samo u kristalima, već iu rastopljenim metalima.

Jonska priroda veze očituje se, posebno, u činjenici da se mnoge soli, na primjer, halogenidi alkalnih metala, otapaju u polarnim otapalima, disociraju u ione. Međutim, činjenica da nema rastvorljivosti još ne može poslužiti kao dokaz da spoj ima nepolarnu vezu. Dakle, energija vezivanja, na primjer, oksida je toliko veća od energije vezivanja alkalnih halogenida da dielektrična konstanta vode više nije dovoljna da odvoji ione iz kristala.

Osim toga, neka jedinjenja, uglavnom s homeopolarnim tipom veze, pod utjecajem velike dielektrične konstante polarnog otapala, mogu disocirati na ione u otopini, iako ne moraju biti ionska jedinjenja u kristalnom stanju (na primjer, HCl , HBr).

U heterodezmičkim jedinjenjima, neka svojstva, kao što je mehanička čvrstoća jedinjenja, zavise samo od jednog (najslabijeg) tipa veze.

Stoga se kristal može smatrati, s jedne strane, diskontinuiranim (diskretnim) medijom. S druge strane, kristalna supstanca se može smatrati kontinuiranim anizotropnim medijem. U ovom slučaju fizička svojstva koja se manifestiraju u određenom smjeru ne zavise od prijevoda (transfera). Ovo omogućava da se opiše simetrija fizičkih svojstava koristeći grupe simetrije tačke.

Opisujući simetriju kristala, uzimamo u obzir samo vanjski oblik, odnosno razmatramo simetriju geometrijskih figura. P. Curie je pokazao da se simetrija materijalnih figura opisuje beskonačnim brojem grupa tačaka, koje u granici teže sedam ranije razmatranih graničnih grupa simetrije (porodice rotacionog konusa, fiksnog konusa, rotacionog cilindra, uvrnute cilindar, fiksni cilindar, familija lopte sa rotirajućim tačkama površine, familije fiksne lopte).

Grupe graničnih tačaka - Curie grupe - grupe tačaka koje sadrže ose beskonačnog reda se nazivaju. Postoji samo sedam grupa ograničenja: ¥, ¥mm, ¥/m, ¥22, ¥/mm, ¥/¥, ¥/¥mm.

Veza između grupe točkaste simetrije kristala i simetrije njegovih fizičkih svojstava formulirao je njemački fizičar F. Neumann: materijal pokazuje simetriju iste vrste kao i njegov kristalografski oblik u pogledu fizičkih svojstava. Ovo je poznato kao Neumannov princip.

Nemački fizičar W. Voigt, učenik F. Nemana, značajno je pojasnio ovaj princip i formulisao ga na sledeći način: grupa simetrije bilo kojeg fizičkog svojstva mora uključivati ​​sve elemente grupe točkaste simetrije kristala.

Razmotrimo neka fizička svojstva kristala.

Gustina kristala.

Gustoća tvari ovisi o kristalnoj strukturi tvari, njenoj hemijski sastav, faktor pakiranja atoma, valencije i radijusi njegovih sastavnih čestica.

Gustina se mijenja s promjenama temperature i pritiska, jer ovi faktori uzrokuju širenje ili kontrakciju tvari.

Ovisnost gustine od strukture može se demonstrirati na primjeru tri modifikacije Al2SiO5:

andaluzit (r = 3,14 - 3,16 g/cm3);

silimanit (r = 3,23 - 3,27 g/cm3);

kijanit (r = 3,53 - 3,65 g/cm3).

S povećanjem faktora pakiranja kristalne strukture, gustoća tvari se povećava. Na primjer, tokom polimorfne tranzicije grafita u dijamant sa promjenom koordinacionog broja atoma ugljika sa 3 na 4, gustoća se u skladu s tim povećava sa 2,2 na 3,5 g/cm3).

Gustoća stvarnih kristala je obično manja od izračunate gustine (idealni kristali) zbog prisustva defekata u njihovoj strukturi. Gustina dijamanta, na primjer, kreće se od 2,7 do 3,7 g/cm3. Dakle, smanjenjem stvarne gustine kristala, može se suditi o stepenu njihove neispravnosti.

Gustoća se također mijenja s promjenom hemijskog sastava supstance tokom izomorfnih supstitucija - kada se prelazi iz jednog člana izomorfnog niza u drugi. Na primjer, u seriji olivina (mg, Fe2+ )2[ SiO4 ] gustina raste kako se katjoni Mg2+ zamjenjuju sa Fe2+ sa r = 3,22 g/cm3 za forsterit mg2 [ SiO4 ] do r = 4,39 g/cm3 za fajalit.

Tvrdoća.

Tvrdoća se odnosi na stepen otpornosti kristala na spoljašnje uticaje. Tvrdoća nije fizička konstanta. Njegova vrijednost zavisi ne samo od proučavanog materijala, već i od uslova mjerenja.

Tvrdoća zavisi od:

tip strukture;

faktor pakovanja ( specifična gravitacija);

naboj jona koji formiraju kristal.

Na primjer, polimorfne modifikacije CaCO3 - kalcit i aragonit - imaju gustinu od 3 i 4, respektivno, i razlikuju se po različitoj gustoći njihove strukture:

· za strukturu kalcita sa CChSa = 6 - r = 2,72;

· za strukturu aragonita sa CChSa = 9 - r = 2,94 g/cm3).

U nizu identično konstruiranih kristala, tvrdoća raste s povećanjem naboja i smanjenjem veličine kationa. Prisustvo u strukturama dovoljno velikih anjona kao što su molekuli F-, OH-, H2O smanjuje tvrdoću.

Fasete različitih oblika kristala imaju različitu retikularnu gustoću i razlikuju se po svojoj tvrdoći. Dakle, najveću tvrdoću u dijamantskoj strukturi imaju (111) oktaedarske površine, koje imaju veću retikularnu gustoću u odnosu na (100) kocke.

Sposobnost deformacije.

Sposobnost kristala da se podvrgne plastičnoj deformaciji prvenstveno je određena prirodom hemijske veze između njegovih strukturnih elemenata.

kovalentna veza, koji ima strogu usmjerenost, naglo slabi čak i pri neznatnim pomacima atoma jedan u odnosu na drugi. Stoga kristali sa kovalentnim tipom veze (Sb, Bi, As, se, itd.) ne pokazuju sposobnost plastične deformacije.

metalni spoj nema usmjereni karakter i neznatno se mijenja kada se atomi pomjeraju jedan u odnosu na drugi. To određuje visok stepen plastičnost metala (duktilnost). Najsavitljiviji su oni metali čije su strukture građene po zakonu kubičnog najbližeg pakiranja, koji ima četiri smjera zbijenih slojeva. Manje kovanje metala sa heksagonalnim zbijenim pakovanjem - sa jednim smerom najgušćih slojeva. Dakle, među polimorfnim modifikacijama gvožđa, a-Fe i b-Fe skoro da nemaju savitljivost (rešetka tipa I), dok je g-Fe sa kubičnim bliskim pakovanjem (kubična rešetka centrirana na lice) kovan metal poput Cu, Pt , Au, Ag, itd.

Jonska veza nije usmjereno. Stoga su tipični jonski kristali (NaCl, CaF2, CaTe, itd.) krhki poput kristala sa kovalentnom vezom. Ali u isto vrijeme, imaju prilično visoku plastičnost. Klizanje u njima odvija se po određenim kristalografskim pravcima. Ovo se objašnjava činjenicom da se u kristalnoj strukturi mogu razlikovati mreže (110) koje se formiraju samo od Na+ jona ili od Cl– jona. Prilikom plastične deformacije jedna ravna mreža se pomiče u odnosu na susjednu na način da joni Na+ klize duž Cl- jona. Razlika u naelektrisanju jona u susednim mrežama sprečava pucanje i one ostaju paralelne sa svojim. početna pozicija. Klizanje duž ovih slojeva odvija se uz minimalne poremećaje u rasporedu atoma i najlakše je.

Toplinska svojstva kristala.

Toplotna provodljivost je usko povezana sa simetrijom. To se najjasnije može pokazati u sljedećem eksperimentu. Hajde da pokrijemo tanki sloj parafinske površine tri kristala: kocke, heksagonalne prizme, desnog paralelepipeda. Vrhom tanke vruće igle dotaknimo svaku od strana ovih kristala. Po obrisima tačaka topljenja može se suditi o brzini širenja topline na ravninama lica u različitim smjerovima.

Na kristalu kubične singonije konture tališta na svim stranama imat će oblik kruga, što ukazuje na istu brzinu širenja topline u svim smjerovima od točke kontakta s vrućom iglom. Oblik mrlja u ideji krugova na svim stranama kubičnog kristala povezan je s njegovom simetrijom.

Oblik mrlja na gornjoj i donjoj strani heksagonalne prizme također će imati oblik kruga (brzina širenja topline u ravni okomitoj na glavnu osu kristala srednje kategorije je ista u svim smjerovima). Na plohama heksagonalne prizme tačke topljenja će imati oblik elipse, jer osi 2. reda prolaze okomito na ove površine.

Na svim plohama desnog paralelepipeda (kristal ortogonalne singonije) tačke topljenja će imati oblik elipse, jer osi 2. reda prolaze okomito na ove površine.

Dakle, brzina širenja topline kroz kristalno tijelo je u direktnoj proporciji s kojim elementom linearne simetrije se širi. U kubnim kristalima površina distribucije toplote će imati oblik kugle. Posljedično, s obzirom na toplinsku provodljivost, kubični kristali su izotropni, odnosno podjednako su karakteristični u svim smjerovima. Toplotna provodna površina kristali srednje kategorije izraženo kao elipsoid okretanja (paralelno sa glavnom osom). AT kristali najniže kategorije a sve površine koje provode toplotu su elipsoidne.

Anizotropija toplotne provodljivosti usko je povezana sa strukturom kristalne supstance. Dakle, najgušće atomske mreže i redovi odgovaraju visokim vrijednostima toplinske provodljivosti. Stoga slojeviti i lančani kristali imaju velike razlike u smjerovima toplinske provodljivosti.

Toplotna provodljivost zavisi i od stepena neispravnosti kristala - za defektnije kristale ona je niža nego za sintetičke. Supstanca in amorfno stanje ima nižu toplotnu provodljivost od kristala istog sastava. Na primjer, toplotna provodljivost kvarcnog stakla je mnogo niža od toplotne provodljivosti kvarcnih kristala. Na osnovu ove nekretnine široka primena posuđe od kvarcnog stakla.

Optička svojstva.

Svaka tvar sa specifičnom kristalnom strukturom karakteriziraju jedinstvena optička svojstva. Optička svojstva su usko povezana s kristalnom strukturom čvrstih tijela i njenom simetrijom.

U vezi optička svojstva Sve tvari se mogu podijeliti na optički izotropne i anizotropne. Prvi uključuju amorfna tijela i kristale najviše kategorije, a drugi - sve ostalo. U optički izotropnim medijima svetlosni talas, koji je skup transverzalnih harmonijskih oscilacija elektromagnetne prirode, širi se istom brzinom u svim smjerovima. U ovom slučaju, oscilacije vektora intenziteta električnog i magnetskog polja također se javljaju u svim mogućim smjerovima, ali u ravni koja je okomita na smjer snopa. Duž njegovog smjera prenosi se svjetlosna energija. Ovo svjetlo se zove prirodni ili nepolarizovani(Slika a, b).

U optički anizotropnim medijima, brzine širenja talasa u različitim pravcima može biti drugačije. Pod određenim uslovima, tzv polarizovano svetlo, za koji sve oscilacije vektora električnih i magnetskih polja prolaze u strogo definisanom pravcu (slika c, d). Ponašanje takve polarizirane svjetlosti u kristalima je osnova za metodu kristalno-optičkih istraživanja pomoću polarizacionog mikroskopa.

Dvolomnost svjetlosti u kristalima.

linearno polarizovane sa međusobno okomitim ravnima oscilovanja. Razlaganje svjetlosti na dva polarizirana zraka naziva se dvolom ili dvolom.

Dvolomnost svjetlosti uočena je u kristalima svih singonija, osim kubične. Kod kristala najniže i srednje kategorije dvolom se javlja u svim smjerovima, osim u jednom ili dva smjera tzv. optičke ose.

Fenomen dvostrukog prelamanja povezan je sa anizotropijom kristala. Optička anizotropija kristala se izražava u činjenici da je brzina prostiranja svjetlosti u njima različita u različitim smjerovima.

AT kristali srednje kategorije među mnogim pravcima optičke anizotropije, postoji samo jedan pravac - optička osa, koji se poklapa sa glavnom osom simetrije 3., 4., 6. reda. U tom smjeru svjetlost putuje bez razdvajanja.

AT kristali najniže kategorije Postoje dva pravca duž kojih se svjetlost ne račva. Poprečni presjeci kristala okomiti na ove smjerove poklapaju se s optički izotropnim presjecima.

Uticaj strukturne karakteristike na optička svojstva.

U kristalnim strukturama sa slojevima blisko zbijenih atoma, udaljenost između atoma unutar sloja premašuje udaljenost između najbližih atoma smještenih u susjednim slojevima. Takav poredak dovodi do lakše polarizacije ako je vektor napona električnog polja svjetlosnog vala paralelan s ravninom slojeva.

električna svojstva.

Sve tvari se mogu podijeliti na provodnike, poluvodiče i dielektrike.

Neki kristali (dielektrici) se polariziraju pod utjecajem vanjskih utjecaja. Sposobnost dielektrika da polariziraju jedan je od njih. fundamentalna svojstva. Polarizacija je proces vezan za stvaranje električnih dipola u dielektriku pod djelovanjem vanjskog električnog polja.

U kristalografiji i fizici čvrstog stanja, fenomeni piezoelektričnost i piroelektričnost.

Piezoelektrični efekat - promjena polarizacije nekih dielektričnih kristala tokom mehaničke deformacije. Veličina rezultirajućih naboja je proporcionalna primijenjenoj sili. Znak naboja ovisi o vrsti kristalne strukture. Piezoelektrični efekat nastaje samo u kristalima koji nemaju centar inverzije, odnosno koji imaju polarne smjerove. Na primjer, kristali kvarca SiO2, sfalerit (ZnS).

Piroelektrični efekat - pojava električnih naboja na površini nekih kristala kada se zagrijavaju ili hlade. Piroelektrični efekat se javlja samo u dielektričnim kristalima sa jednim polarnim smerom, čiji se suprotni krajevi ne mogu kombinovati bilo kojom operacijom date grupe simetrije. Do pojave električnih naboja može doći samo prema određenim, polarnim pravcima. Lica okomita na ove smjerove primaju naboje različitih predznaka: jedan je pozitivan, a drugi negativan. Piroelektrični efekat se može javiti u kristalima koji pripadaju jednoj od klasa polarne simetrije: 1, 2, 3, 4, 6, m, mm2, 3m, 4mm, 6mm.

Iz geometrijske kristalografije slijedi da pravci koji prolaze kroz centar simetrije ne mogu biti polarni. Pravci okomiti na ravni simetrije ili ose parnog reda ne mogu biti ni polarni.

U klasi piroelektrika razlikuju se dvije podklase. Prva grupa uključuje linearne piroelektrike, kod kojih električna polarizacija u vanjskom polju linearno ovisi o jakosti električnog polja. Na primjer, turmalin NaMgAl3B3.Si6(O, OH)30.

Kristali druge podklase nazivaju se feroelektrici. Za njih je ovisnost polarizacije o jačini vanjskog polja nelinearna, a polarizabilnost ovisi o veličini vanjskog polja. Nelinearnu ovisnost polarizacije o jakosti električnog polja karakterizira histerezna petlja. Ova karakteristika feroelektrika sugerira da oni zadržavaju svoju električnu polarizaciju u odsustvu vanjskog polja. Zahvaljujući tome, kristali soli Rochelle (otuda i naziv feroelektrika) pokazali su se kao pouzdani čuvari električne energije i snimači električnih signala, što im omogućava da se koriste u "memorijskim ćelijama" računara.

Magnetna svojstva.

To je sposobnost tijela da komuniciraju sa magnetnim poljem, odnosno da se magnetiziraju kada se stave u magnetsko polje. U zavisnosti od veličine magnetske susceptibilnosti razlikuju se dijamagnetski, paramagnetni, feromagnetni i antiferomagnetni kristali.

Magnetska svojstva svih supstanci zavise ne samo od karakteristika njihove kristalne strukture, već i od prirode atoma (jona) koji ih sačinjavaju, odnosno magnetizam je određen elektronskom strukturom školjki i jezgara, kao i orbitalnim kretanjem elektrona (spinova) oko njih.

Kada se atom (jon) unese u magnetsko polje, kutna brzina elektrona u orbiti se mijenja zbog činjenice da se superponira dodatno rotacijsko kretanje elektrona oko jezgra. rotaciono kretanje, zbog čega atom prima dodatni magnetni moment. Štaviše, ako su svi elektroni sa suprotnim spinovima u atomu grupirani u parove (slika A), tada se magnetni momenti elektrona kompenzuju i njihov ukupni magnetni moment će biti jednak nuli. Takvi atomi se nazivaju dijamagnetički, a tvari koje se od njih sastoje - dijamagneti. Na primjer, inertni gasovi, metali B-podgrupe - Cu, Ag, Au, Zn, Cd, većina jonskih kristala (NaCl, CaF2), kao i supstance sa pretežnom kovalentnom vezom - Bi, Sb, Ga, grafit. U kristalima sa slojevitim strukturama, magnetska susceptibilnost za pravce koji leže u sloju znatno premašuje onu za okomite pravce.

Prilikom punjenja elektronskih omotača u atomima, elektroni imaju tendenciju da budu nespareni. Dakle, postoji veliki broj supstanci, magnetni momenti elektrona, u čijim atomima su nasumično locirani i u odsustvu spoljašnjeg magnetnog polja u njima ne dolazi do spontane orijentacije magnetnih momenata (slika B). Ukupni magnetni moment, zbog elektrona koji nisu vezani u parovima i koji međusobno slabo djeluju, bit će konstantan, pozitivan ili nešto veći od onog kod dielektrika. Takvi atomi se zovu magnetni, a supstance - paramagneti. Kada se paramagnet unese u magnetsko polje, dezorijentisani spinovi dobijaju neku orijentaciju, usled čega se primećuju tri tipa uređenja nekompenzovanih magnetnih momenata - tri vrste fenomena: feromagnetizam (slika C), antiferomagnetizam (slika D) i ferimagnetizam (slika E).

feromagnetna svojstva posjeduju tvari čiji su magnetni momenti atoma (jona) usmjereni paralelno jedan prema drugom, zbog čega se vanjsko magnetsko polje može povećati milionima puta. Naziv grupe povezan je s prisustvom u njoj elemenata željezne podgrupe Fe, Ni, Co.

Ako su magnetni momenti pojedinačnih atoma antiparalelni i jednaki, tada je ukupni magnetni moment atoma nula. Takve supstance se nazivaju antiferomagneti. To uključuje okside prijelaznih metala - MnO, NiO, CoO, FeO, mnoge fluoride, kloride, sulfide, selenide, itd.

Kada antiparalelni momenti atoma kristalne strukture nisu jednaki, ukupni moment se ispostavlja da je različit od nule, a takve strukture imaju spontanu magnetizaciju. Slična svojstva su feriti(Fe3O4, minerali grupe granata).

Kristali su jedna od najljepših i najmisterioznijih kreacija prirode. Teško je sada imenovati tu daleku godinu u zoru razvoja čovječanstva, kada je pažljiv pogled jednog od naših predaka među stenama zemlje izdvojio sitno sjajno kamenje, slično složenim geometrijskim oblicima, koje je ubrzo počelo služiti kao dragocjeno. ornamenti.

Proći će nekoliko milenijuma, a ljudi će shvatiti da su uz ljepotu prirodnih dragulja u njihov život ušli i kristali.

Kristali se nalaze posvuda. Hodamo po kristalima, gradimo od kristala, obrađujemo kristale, uzgajamo kristale u laboratoriji, stvaramo uređaje, široko koristimo kristale u nauci i tehnologiji, liječimo se kristalima, nalazimo ih u živim organizmima, prodiremo u tajne strukture kristala.

Kristali koji leže u zemlji su beskrajno raznoliki. Veličine prirodnih poliedara ponekad dostižu ljudski rast i više. Ima kristala-latica tanjih od papira i kristala u slojevima debljine nekoliko metara. Ima kristala malih, uskih, oštrih, kao igle, a ima i ogromnih, poput stubova. U nekim dijelovima Španije takvi kristalni stupovi postavljaju se za kapiju. Muzej rudarskog instituta u Sankt Peterburgu čuva kristal gorskog kristala (kvarca) visok više od metra i težak više od tone. Mnogi kristali su savršeno čisti i providni poput vode.

Kristali leda i snijega

Kristali ledene vode, odnosno led i snijeg, svima su poznati. Ovi kristali pokrivaju ogromna prostranstva Zemlje skoro pola godine, leže na vrhovima planina i klize s njih kao glečeri, plutaju kao sante leda u okeanima. Ledeni pokrivač rijeke, masa glečera ili sante leda, naravno, nije jedan veliki kristal. Gusta masa leda je obično polikristalna, odnosno sastavljena od mnogih pojedinačnih kristala; nisu uvijek prepoznatljivi, jer su mali i svi su srasli. Ponekad se ovi kristali mogu vidjeti u ledu koji se topi. Svaki pojedinačni kristal leda, svaka pahulja, je krhka i mala. Često se kaže da snijeg pada poput pahulja. Ali i ovo poređenje je, moglo bi se reći, previše "teško": pahulja je lakša od pahulja. Deset hiljada pahuljica čini težinu jednog penija. Ali, kombinovani u ogromnim količinama zajedno, snežni kristali mogu zaustaviti voz, formirajući snežne blokade.

Kristali leda mogu uništiti letjelicu za nekoliko minuta. Zaleđivanje - strašni neprijatelj aviona - takođe je rezultat rasta kristala.

Ovdje imamo posla s rastom kristala iz prehlađenih para. AT gornjih slojeva atmosfere, vodene pare ili kapljica vode, mogu se dugo čuvati u prehlađenom stanju. Prehlađenje u oblacima dostiže -30. Ali čim se leteći avion probije u ove prehlađene oblake, istog časa počinje nasilna kristalizacija. U trenutku, avion je prekriven gomilom brzo rastućih kristala.

Gems

Od najranijih vremena ljudske kulture ljudi su cijenili ljepotu drago kamenje. Dijamant, rubin, safir i smaragd su najskuplje i omiljeno kamenje. Slijede aleksandrit, topaz, gorski kristal, ametist, granit, akvamarin, krizolit. Nebeskoplava tirkizna, nježni biseri i prelivi opal su visoko cijenjeni.

Dragocjenom kamenju se od davnina pripisuju ljekovitost i razna natprirodna svojstva, a uz njih se vežu brojne legende.

Dragoceno kamenje služilo je kao mjera bogatstva prinčeva i careva.

U muzejima Moskovskog Kremlja možete se diviti bogatoj kolekciji dragog kamenja koje je nekada pripadalo Kraljevska porodica i mala grupa bogatih ljudi. Poznato je da je šešir kneza Potemkina - Tauride bio toliko optočen dijamantima i da je zbog toga bio toliko težak da ga vlasnik nije mogao nositi na glavi, ađutant je nosio šešir u rukama iza kneza.

Među blagom dijamantskog fonda Rusije je i jedan od najvećih i najlepših dijamanata na svetu „Šah“.

Dijamant je poslao perzijski šah ruskom caru Nikolaju I kao otkupninu za ubistvo ruskog ambasadora Aleksandra Sergejeviča Griboedova, autora komedije Jao od pameti.

Naša domovina je bogata draguljima od bilo koje druge zemlje na svijetu.

Kristali u svemiru

Ne postoji nijedno mjesto na Zemlji gdje ne bi bilo kristala. Na drugim planetama, na udaljenim zvijezdama, kristali stalno nastaju, rastu i kolabiraju.

U svemirskim vanzemaljcima - meteoritima postoje kristali poznati na Zemlji, a ne nalaze se na Zemlji. U ogromnom meteoritu koji je pao u februaru 1947. godine na Daleki istok pronađeni su kristali gvožđa nikla dužine nekoliko centimetara, dok su u zemaljskim uslovima prirodni kristali Ovi minerali su toliko mali da se mogu vidjeti samo mikroskopom.

2. Struktura i svojstva kristala

2. 1 Šta su kristali, kristalni oblici

Kristali se formiraju na prilično niskoj temperaturi kada termičko kretanje tako polako da ne uništi određenu strukturu. karakteristična karakteristikačvrsto stanje materije je postojanost njenog oblika. To znači da su njegove sastavne čestice (atomi, ioni, molekuli) međusobno kruto povezane i njihovo toplotno kretanje se odvija kao oscilacija oko fiksnih tačaka koje određuju ravnotežnu udaljenost između čestica. Relativni položaj tačaka ravnoteže u čitavoj supstanci treba da obezbedi minimum energije za ceo sistem, što se ostvaruje njihovim određenim uređenim rasporedom u prostoru, odnosno u kristalu.

Kristal je, prema definiciji G. W. Wulffa, tijelo ograničeno zbog svojih unutrašnjih svojstava ravnim površinama - plohama.

Ovisno o relativnim veličinama čestica koje formiraju kristal i vrsti kemijske veze između njih, kristali imaju različit oblik, određen načinom na koji su čestice povezane.

U skladu sa geometrijskim oblikom kristala, postoje sledeći kristalni sistemi:

1. kubni (mnogi metali, dijamant, NaCl, KCl).

2. Heksagonalni (H2O, SiO2, NaNO3),

3. Tetragonalni (S).

4. Rombični (S, KNO3, K2SO4).

5. Monoklinički (S, KClO3, Na2SO4*10H2O).

6. Triklinika (K2C2O7, CuSO4*5 H2O).

2.2 Fizička svojstva kristala

Za kristal ove klase može se odrediti simetrija njegovih svojstava. Dakle, kubni kristali su izotropni u smislu prijenosa svjetlosti, električne i toplinske provodljivosti, toplinskog širenja, ali su anizotropni u smislu elastičnih, električnih svojstava. Najanizotropniji kristali niskih singonija.

Sva svojstva kristala su međusobno povezana i određena su atomsko-kristalnom strukturom, silama veze između atoma i energetskim spektrom elektrona. Neka svojstva, na primjer: električna, magnetska i optička, značajno zavise od raspodjele elektrona po energetskim nivoima. Mnoga svojstva kristala presudno zavise ne samo od simetrije, već i od broja nedostataka (čvrstoća, plastičnost, boja i druga svojstva).

Izotropija (od grčkog isos - jednak, isti i tropos - okret, pravac) nezavisnost svojstava medija od pravca.

Anizotropija (od grčkog anisos - nejednak i tropos - smjer) je ovisnost svojstava tvari o smjeru.

Kristali su ispunjeni mnogo različitih defekata. Defekti, takoreći, oživljavaju kristal. Zbog prisustva defekata, kristal otkriva "sjećanje" na događaje u kojima je postao ili kada je bio, defekti pomažu kristalu da se "prilagodi" okolini. Defekti kvalitativno mijenjaju svojstva kristala. Čak iu vrlo malim količinama, defekti snažno utječu na ona fizička svojstva koja u idealnom kristalu u potpunosti ili gotovo da nema, budući da su u pravilu „energetski povoljni“, defekti oko sebe stvaraju područja povećane fizičke i kemijske aktivnosti.

3. Uzgoj kristala

Uzgoj kristala je uzbudljiva aktivnost i, možda, najjednostavnija, najpristupačnija i najjeftinija za kemičare početnike, što sigurnija u smislu tuberkuloze. Pažljiva priprema za izvođenje usavršava vještine u sposobnosti pažljivog rukovanja supstancama i pravilnog organiziranja plana rada.

Rast kristala se može podijeliti u dvije grupe.

3.1 Prirodno formiranje kristala u prirodi

Formiranje kristala u prirodi (prirodni rast kristala).

Preko 95% svih stijene, od kojih se sastoji zemljina kora, nastali su tokom kristalizacije magme. Magma je mješavina mnogih supstanci. Sve ove supstance različite temperature kristalizacija. Stoga se tokom hlađenja magma dijeli na dijelove: pojavljuju se prvi kristali tvari s najvišom temperaturom kristalizacije i počinju rasti u magmi.

Kristali se formiraju iu slanim jezerima. Ljeti voda iz jezera brzo ispari i kristali soli počinju da ispadaju iz nje. Samo jezero Baskunčak u astrahanskoj stepi moglo bi mnogim državama davati so za 400 godina.

Neki životinjski organizmi su "tvornice" kristala. Koralji formiraju čitava ostrva, izgrađena od mikroskopskih kristala ugljičnog vapna.

Biserni dragi kamen je također izgrađen od kristala koje proizvodi biserna školjka.

Kamen u jetri, bubrežni kamen i kamenac u bešici koji izazivaju ozbiljne bolesti kod ljudi su kristali.

3.2 Vještački rast kristala

Vještački uzgoj kristala (uzgoj kristala u laboratorijama, fabrikama).

Uzgoj kristala je fizički i hemijski proces.

Rastvorljivost tvari u različitim otapalima može se pripisati fizičkim fenomenima, budući da dolazi do razaranja kristalne rešetke, u tom slučaju se apsorbira toplina (egzotermni proces).

Postoji i hemijski proces - hidroliza (reakcija soli sa vodom).

Prilikom odabira supstance važno je uzeti u obzir sljedeće činjenice:

1. Supstanca ne smije biti toksična

2. Supstanca mora biti stabilna i dovoljno hemijski čista

3. Sposobnost supstance da se rastvori u dostupnom rastvaraču

4. Dobijeni kristali moraju biti stabilni

Postoji nekoliko metoda za uzgoj kristala.

1. Priprema prezasićenih rastvora sa daljom kristalizacijom u otvorenom sudu (najčešća tehnika) ili zatvorenom. Zatvoreno - industrijska metoda, za njegovu implementaciju ogroman staklena posuda sa termostatom koji simulira vodeno kupatilo. U posudi se nalazi rastvor sa gotovim semenom, a svaka 2 dana temperatura pada za 0,1°C, ova metoda omogućava dobijanje tehnološki ispravnih i čistih monokristala. Ali to zahtijeva visoki troškovi struja i skupa oprema.

2. Isparavanje zasićenog rastvora otvoreni put kada postepeno isparavanje rastvarača, na primjer, iz labavo zatvorene posude s otopinom soli, može samo po sebi dovesti do kristala. Zatvoren način uključuje držanje zasićene otopine u eksikatoru preko jakog sredstva za sušenje (fosfor(V) oksid ili koncentrirana sumporna kiselina).

II. Praktični dio.

1. Uzgoj kristala iz zasićenih otopina

Osnova za uzgoj kristala je zasićena otopina.

Instrumenti i materijali: staklo 500 ml, filter papir, prokuvana voda, kašika, levak, soli CuSO4*5H2O, K2CrO4 (kalijum hromat), K2Cr2O4 (kalijum dihromat), kalijum alum, NiSO4 (nikl sulfat), NaCl (natrijum hlorid), C12H22O11 (šećer).

Za pripremu otopine soli uzimamo čistu, dobro opranu čašu od 500 ml. u to uliti vrelu (t=50-60C) prokuvanu vodu 300ml. ulijte tvar u čašu u malim porcijama, pomiješajte, postižući potpuno otapanje. Kada je otopina "zasićena", odnosno supstanca će ostati na dnu, dodajte još tvari i ostavite otopinu na sobnoj temperaturi jedan dan. Da biste spriječili ulazak prašine u otopinu, pokrijte staklo filter papirom. Otopina bi trebala ispasti prozirna, višak tvari u obliku kristala trebao bi ispasti na dno čaše.

Pripremljeni rastvor ocediti od taloga kristala i staviti u tikvicu otpornu na toplotu. Tu se stavlja i malo hemijski čiste supstance (taloženih kristala). Zagrijte tikvicu u vodenom kupatilu dok se potpuno ne otopi. Dobijeni rastvor se još zagreva 5 minuta na t = 60-70C, sipa u čistu čašu, umota u peškir, ostavi da se ohladi. Nakon jednog dana, na dnu čaše se formiraju mali kristali.

2. Izrada prezentacije "Kristali"

Slikamo dobijene kristale, koristeći mogućnosti interneta, pripremamo prezentaciju i kolekciju "Kristala".

Izrada slike pomoću kristala

Kristali su oduvijek bili poznati po svojoj ljepoti, zbog čega se koriste kao nakit. Oni ukrašavaju odjeću, posuđe, oružje. Kristali se mogu koristiti za kreiranje slika. Naslikao sam pejzaž "Zalazak sunca". Uzgojeni kristali se koriste kao materijal za izradu pejzaža.

Zaključak

U ovom radu je ispričan samo mali dio onoga što se danas zna o kristalima, međutim, i ove informacije su pokazale koliko su kristali izvanredni i misteriozni u svojoj suštini.

U oblacima, na vrhovima planina, u peščanim pustinjama, morima i okeanima, u naučnim laboratorijama, u biljnim ćelijama, u živim i mrtvim organizmima - sretaćemo kristale svuda.

Ali možda se kristalizacija materije odvija samo na našoj planeti? Ne, sada znamo da na drugim planetama i udaljenim zvijezdama kristali neprestano nastaju, rastu i razbijaju se. Meteoriti, svemirski glasnici, također se sastoje od kristala, a ponekad uključuju i kristalne tvari koje se ne nalaze na Zemlji.

Kristali su posvuda. Ljudi su navikli koristiti kristale, praviti od njih nakit, diviti im se. Sada kada su metode naučene vještački uzgoj kristali, njihov opseg se proširio, a možda i budućnost najnovije tehnologije pripada kristalima i kristalnim agregatima.

Licej moderne tehnologije menadžment

Physics abstract

Kristali i njihova svojstva

Završeno:

Provjereno:

Uvod

Kristalna tijela su jedna od varijanti minerala.

Čvrste tvari nazivaju se kristalnim, čija fizička svojstva nisu ista u različitim smjerovima, već se poklapaju u paralelnim smjerovima.

Porodica kristalnih tijela sastoji se od dvije grupe - monokristala i polikristala. Prvi ponekad imaju geometrijski ispravan vanjski oblik, dok drugi, poput amorfnih tijela, nemaju svojstveni određeni oblik. Ali za razliku od amorfnih tijela, struktura polikristala je heterogena, zrnasta. Oni su skup nasumično orijentiranih malih kristala sraslih jedan s drugim - kristalita. Polikristalna struktura lijevanog željeza, na primjer, može se otkriti ispitivanjem slomljenog uzorka pomoću lupe.

Kristali se razlikuju po veličini. Mnogi od njih se mogu vidjeti samo mikroskopom. Ali postoje džinovski kristali teški nekoliko tona.

Struktura kristala

Raznolikost kristala u obliku je veoma velika. Kristali mogu imati od četiri do nekoliko stotina faseta. Ali u isto vrijeme, oni imaju izvanredno svojstvo - bez obzira na veličinu, oblik i broj strana istog kristala, sve ravne strane se sijeku jedna s drugom pod određenim uglovima. Uglovi između odgovarajućih lica su uvijek isti. Kristali kamene soli, na primjer, mogu imati oblik kocke, paralelepipeda, prizme ili tijela većeg od složenog oblika, ali njihova lica se uvijek sijeku pod pravim uglom. Površine kvarca imaju oblik nepravilnih šesterokuta, ali su uglovi između lica uvijek isti - 120°.

Zakon konstantnosti uglova, koji je 1669. godine otkrio Danac Nikolaj Steno, najvažniji je zakon nauke o kristalima - kristalografije.

Mjerenje uglova između strana kristala je od velike praktične važnosti, budući da se priroda minerala u mnogim slučajevima može pouzdano odrediti iz rezultata ovih mjerenja. Najjednostavniji instrument za mjerenje uglova kristala je primijenjeni goniometar. Upotreba primijenjenog goniometra moguća je samo za proučavanje velikih kristala, a tačnost mjerenja napravljenih uz njegovu pomoć je također niska. Razlikovati, na primjer, kristale kalcita i salitre, sličnog oblika i čiji su uglovi između odgovarajućih strana jednaki 101 ° 55" prvog i 102°41,5" drugog, uz pomoć primijenjenog goniometra je vrlo teško. Stoga se u laboratorijskim uvjetima mjerenja uglova između kristalnih površina obično izvode pomoću složenijih i preciznijih instrumenata.

Kristali pravilnog geometrijskog oblika su rijetki u prirodi. Zajednička akcija ovih nepovoljni faktori, kao i fluktuacije temperature, blisko okruženje sa susjednim čvrstim tvarima, ne dozvoljavaju rastućem kristalu da dobije svoj karakterističan oblik. Osim toga, značajan dio kristala, koji je u dalekoj prošlosti imao savršen rez, uspio je da ga izgubi pod utjecajem vode, vjetra, trenja o drugim čvrstim tvarima. Dakle, mnoga zaobljena prozirna zrna koja se mogu naći u obalskom pijesku su kristali kvarca koji su izgubili lice kao rezultat dugotrajnog trenja jedno o drugo.

Postoji nekoliko načina da saznate da li solidan kristal. Najjednostavniji od njih, ali vrlo neprikladan za upotrebu, otkriven je kao rezultat slučajnog promatranja krajem 18. stoljeća. Francuski naučnik Renne Gayuy slučajno je ispustio jedan od svojih kristala. Nakon pregleda fragmenata kristala, primijetio je da su mnogi od njih umanjene kopije originalnog uzorka.

Izvanredno svojstvo mnogih kristala, kada se zgnječe, da daju fragmente slične po obliku originalnom kristalu, omogućilo je Hayuyu da pretpostavi da se svi kristali sastoje od malih čestica, nevidljivih u mikroskopu, gusto zbijenih u redove, koji imaju ispravan geometrijski oblik svojstven ovu supstancu. Manifold geometrijski oblici Guyui je objasnio ne samo razne forme"cigle" od kojih su sastavljene, ali i Različiti putevi njihov stajling.

Hayuyeva hipoteza ispravno je odražavala suštinu fenomena - uređen i gust raspored strukturni elementi kristale, ali nije odgovorila cela linija kritična pitanja. Postoji li ograničenje za spremanje obrazaca? Ako postoji, koja je najmanja "cigla"? Da li atomi i molekuli materije imaju oblik poliedra?

Još u 18. veku Engleski naučnik Robert Huk i holandski naučnik Kristijan Hajgens skrenuli su pažnju na mogućnost konstruisanja pravilnih poliedara od čvrsto zbijenih loptica. Sugerirali su da se kristali grade od sfernih čestica - atoma ili molekula. Vanjski oblici kristala, prema ovoj hipotezi, posljedica su karakteristika gustog pakiranja atoma ili molekula. Nezavisno od njih, veliki ruski naučnik M. V. Lomonosov došao je do istog zaključka 1748. godine.

Kada su kuglice najgušće zbijene u jedan ravan sloj, svaka kuglica je okružena sa šest drugih loptica, čiji centri čine pravilan šestougao. Ako se polaganje drugog sloja vrši duž rupa između kuglica prvog sloja, tada će drugi sloj biti isti kao i prvi, samo pomaknut u odnosu na njega u prostoru.

Polaganje trećeg sloja kuglica može se izvršiti na dva načina (slika 1). U prvoj metodi, kuglice trećeg sloja se postavljaju u rupe koje se nalaze tačno iznad kuglica prvog sloja, a treći sloj se tacna kopija prvo. Naknadno ponavljanje slaganja slojeva na ovaj način rezultira strukturom koja se naziva heksagonalna čvrsto zbijena struktura. Kod druge metode, kuglice trećeg sloja se postavljaju u rupe koje nisu tačno iznad kuglica prvog sloja. Ovom metodom pakiranja dobija se struktura koja se naziva kubična čvrsto zbijena struktura. Oba pakovanja daju stopu punjenja zapremine od 74%. Nijedan drugi način raspoređivanja kuglica u prostoru u odsustvu njihove deformacije ne daje veći stepen ispunjenja zapremine.

Slaganjem loptica red po red metodom heksagonalnog zatvorenog pakovanja može se dobiti pravilna šestougaona prizma, drugi način pakovanja dovodi do mogućnosti izgradnje kocke od kuglica.

Ako princip bliskog pakiranja djeluje u konstrukciji kristala od atoma ili molekula, onda bi se činilo da bi se kristali u prirodi trebali pojaviti samo u obliku heksagonalnih prizmi i kocki. Kristali ovog oblika su zaista vrlo česti. Heksagonalno gusto pakovanje atoma odgovara, na primjer, obliku kristala cinka, magnezija, kadmijuma. Kubično gusto pakovanje odgovara obliku kristala bakra, aluminijuma, srebra, zlata i niza drugih metala.

Ali raznolikost svijeta kristala nipošto nije ograničena na ova dva oblika.

Postojanje kristalnih oblika koji ne odgovaraju principu najbližeg pakovanja kuglica jednake veličine može imati različite razloge.

Prvo, kristal se može izgraditi po principu bliskog pakovanja, ali od atoma različite veličine ili od molekula koji imaju oblik koji se veoma razlikuje od sfernog (slika 2). Atomi kiseonika i vodonika su sfernog oblika. Kada se spoje jedan atom kisika i dva atoma vodika, njihove elektronske ljuske međusobno prodiru. Stoga molekula vode ima oblik koji se značajno razlikuje od sfernog. Kada se voda stvrdne, gusto pakovanje njenih molekula ne može se izvršiti na isti način kao pakovanje loptica jednake veličine.

Drugo, razlika između pakiranja atoma ili molekula i onog najgušćeg može se objasniti postojanjem jačih veza između njih u određenim smjerovima. U slučaju atomskih kristala, smjer veza određen je strukturom vanjskih elektronskih omotača atoma, u molekularnim kristalima - strukturom molekula.

Prilično je teško razumjeti strukturu kristala koristeći samo volumetrijske modele njihove strukture. U tom smislu, često se koristi metoda prikazivanja strukture kristala pomoću prostorne kristalne rešetke. To je prostorna mreža čiji se čvorovi poklapaju sa položajem centara atoma (molekula) u kristalu. Takvi modeli su vidljivi, ali se od njih ne može ništa naučiti o obliku i veličini čestica koje čine kristale.

Osnova kristalne rešetke je jedinična ćelija - figura najmanja veličina, čijim je sukcesivnim prijenosom moguće konstruisati cijeli kristal. Da biste jedinstveno okarakterizirali ćeliju, morate odrediti dimenzije njenih rubova a, b i c i vrijednost uglova a , b i g između njih. Dužina jednog od rebara naziva se konstanta rešetke, a cijeli skup od šest veličina koje definiraju ćeliju naziva se parametri ćelije.

Slika 3 pokazuje kako se cijeli prostor može izgraditi dodavanjem elementarnih ćelija.

Važno je obratiti pažnju na činjenicu da većina atoma, a za mnoge vrste kristalne rešetke, čak ni svaki atom ne pripada jednoj elementarnoj ćeliji, već je istovremeno dio nekoliko susjednih elementarnih ćelija. Razmotrimo, na primjer, jediničnu ćeliju kristala kamene soli.

Za elementarnu ćeliju kristala kamene soli, od koje se može izgraditi cijeli kristal prijenosom u prostor, treba uzeti dio kristala prikazan na slici. U ovom slučaju treba uzeti u obzir da joj od jona koji se nalaze na vrhovima ćelije pripada samo jedna osmina svakog od njih; od jona koji leže na rubovima ćelije, posjeduje jednu četvrtinu svakog; od jona koji leže na licu, svaka od dvije susjedne jedinične ćelije čini polovinu jona.

Izračunajmo broj jona natrijuma i broj jona hlora koji su dio jedne elementarne ćelije kamene soli. Ćelija u potpunosti posjeduje jedan jon hlora, koji se nalazi u centru ćelije, i jednu četvrtinu svakog od 12 jona koji se nalaze na ivicama ćelije. Ukupni hloridni joni u jednoj ćeliji 1+12*1/4=4 . Joni natrijuma u jediničnoj ćeliji - šest polovina na licu i osam osmina na vrhu, ukupno 6*1/2+8*1/8=4.