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

Glavna svojstva kristala - anizotropija, homogenost, sposobnost samosagorevanja i prisutnost stalne temperature taljenja - određena su njihovom unutarnjom strukturom.

Riža. 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 također naziva disparitet. Izražava se u činjenici da fizikalna svojstva kristala (tvrdoća, čvrstoća, toplinska vodljivost, električna vodljivost, brzina širenja svjetlosti) nisu ista u različitim smjerovima. Čestice koje tvore kristalnu strukturu u neparalelnim smjerovima odvojene su jedna od druge na različitim udaljenostima, zbog čega bi svojstva kristalne tvari u takvim smjerovima trebala biti različita. Karakterističan primjer tvari s izraženom anizotropijom je liskun. Kristalne ploče ovog minerala lako se cijepaju samo duž ravnina paralelnih s njegovom lamelarnošću. U poprečnim smjerovima mnogo je teže cijepati ploče liskuna.

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

Amorfne tvari karakterizira izotropnost (ekvivalentnost) – fizička svojstva u svim smjerovima očituju se na isti način.

Ujednačenost

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 ulomak ili kuglica isklesan iz kristala u mediju pogodnom za njegov rast s vremenom prekriva licem karakterističnim za dani kristal. Ova značajka povezana je s kristalnom strukturom. Staklena kugla, na primjer, nema takvu značajku.

Kristali iste tvari mogu se međusobno razlikovati po veličini, broju lica, rubovima i obliku lica. Ovisi o uvjetima nastanka kristala. S neravnomjernim rastom, kristali su spljošteni, izduženi itd. Kutovi između odgovarajućih strana rastućeg kristala ostaju nepromijenjeni. Ova karakteristika kristala poznata je kao zakon konstantnosti fasetnih kutova. U tom slučaju veličina i oblik lica u različitim kristalima iste tvari, udaljenost između njih, pa čak i njihov broj mogu varirati, ali kutovi između odgovarajućih strana u svim kristalima iste tvari ostaju konstantni pod istim uvjetima tlaka i temperature.

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

Zakon konstantnosti kutova faseta objašnjava se činjenicom da su svi kristali jedne tvari identični u unutarnja struktura, tj. imaju istu strukturu.

Prema ovom zakonu, kristale određene tvari karakteriziraju njihovi specifični kutovi. Stoga je mjerenjem kutova moguće dokazati da kristal koji se proučava pripada jednoj ili drugoj tvari. Na tome se temelji jedna od metoda dijagnosticiranja kristala.

Za mjerenje diedralnih kutova u kristalima izumljeni su posebni uređaji - goniometri.

konstantna točka taljenja

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

Amorfne tvari, za razliku od kristalnih, nemaju jasno definiranu točku taljenja. 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 tvar imamo glatku krivulju. Na temelju toga lako je razlikovati kristalne od amorfnih tvari.

Tek u 17. stoljeću moderno čovječanstvo ponovno je otkrilo kristale za sebe. Datumom rođenja kristalografije, nauke koja proučava kristale, smatra se 1669. godina.
Iako je znanstvena kristalografija nastala u 17.st. teorijske osnove o strukturi kristala i metodama za njihovo proučavanje postavljeni su tek u 19. stoljeću. U 20. stoljeću ta su otkrića najviše našla praktičnu provedbu različitim područjima ljudski život. Kristali su se široko koristili u raznim područjima znanosti i tehnologije. Budućnost je također njihova.
Kristali nas okružuju sa svih strana. Oni su osnova fizičkog svijeta. Od njih se sastoje gotovo svi minerali, uključujući bazalt, granit, vapnenac i mramor. Od njih se sastoje svi metali i većina nemetala: guma, kosti, kosa, celuloza i još mnogo toga.
Živimo u svijetu kristala. Kuće, čamci, autobusi, avioni, rakete, noževi i vilice... sve je sastavljeno od njih.
Čak iu hrani unosimo kristalne tvari: sol, šećer, a da ne govorimo o lijekovima u tabletama i prašcima koje uzimamo tijekom bolesti.
Nema mjesta na Zemlji gdje ne bi bilo kristala. Da, i u svemiru su rasprostranjeni, jer mu služe kao materijalna osnova.
1669. danski liječnik N. Stenon izradio je važno otkriće, otkrio je da su u kristalima koje formira ista tvar, kutovi između susjednih strana uvijek isti, bez obzira na oblik i veličinu kristala.
To znači da svaki kristal ima svoj jedinstveni kut između lica.
Ovo otkriće ušlo je u kristalografiju kao zakon konstantnosti kutova. Dakle, ako je poznat kut između lica, tada je moguće odrediti tvar kristala bez pribjegavanja kemijskoj ili fizikalnoj analizi. Treba ih samo usporediti s kutovima poznatih kristala.
Osim toga, isti je Stenon bio prvi koji je predložio izvanrednu verziju da kristali ne rastu iznutra, kao što se opaža u biljkama, već izvana, namještanjem novih čestica na vanjske ravnine.
Kristali se sastoje od atoma, iona i molekula. Te su čestice raspoređene u strogo definiranom redoslijedu, tvoreći prostornu rešetku. Atomi i ioni se u njima drže silama privlačenja i odbijanja. Ne stoje mirno, već stalno fluktuiraju.
Svaki kristal ima svoj karakterističan oblik, koji ne ovisi samo o okruženju u kojem je rastao, već i o strukturi prostorne rešetke. Oblik rešetke također određuje svojstva samog kristala. U tom smislu, najindikativniji primjer su dijamant i grafit, prostorne rešetke, koje tvore 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 promatramo 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. Trodimenzionalan je i svaki atom u njemu čvrsto je povezan s četiri druga.
Kristali su čvrste tvari i mogu biti tekući ako njihove molekule 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 znanost kristalografije još nije pozabavila takvim "duhovima".
U kristalu se lica sijeku na rubovima, a bridovi se sijeku na vrhovima. Lica, rubovi i vrhovi - potrebnih elemenata fasetiranje.
Glavne karakteristike kristala su ujednačenost i ravnost. Dakle, ako kristali imaju ravne površine, onda je njihov sastav homogen. I obrnuto: ako je tvar kristala homogena, tada ima ravne strane.
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 začuju nerazgovjetni zvuci pjevanja, ali u blizini nema nikoga, samo pijesak. Ispuštaju zvukove kada počnu kliziti na laganom vjetru pješčana padina.
Pjevani pijesak ne nalazi se samo u pustinjama. Skladne melodije često nastaju kada hodate po mokrom pijesku na plaži.
Ruski putnik A. Elisejev ostavio je svoje dojmove o Sahari:
"...u vrelom zraku čuli su se neki šarmantni zvukovi, prilično visoki, melodični, ne bez harmonije, s jakim metalnim tonovima. Čuli su se odasvud, kao da su ih proizvodili nevidljivi duhovi pustinje...
Pustinja je bila tiha, ali zvukovi su letjeli i topili se u užarenoj atmosferi, nastajali odnekud odozgo i nestajali kao u zemlji... Sad veseli, čas suosjećajni, čas oštri i bučni, čas nježni i melodični, činili su se biti dijalekt živih bića, ali ne i zvukovi mrtve pustinje...
Niti jedna nimfa drevnih ljudi nije mogla smisliti ništa nevjerojatnije i divnije od ovih tajanstvenih pjesama pijeska.
Svi koji su čuli pjesme pijeska iznenađeni su ovom pojavom, a mnogi su je pokušali objasniti. Na primjer, stari Egipćani su vjerovali da su takvi zvukovi proizvod pustinjskih duhova i bili su u pravu.
Suvremeni znanstvenici vjeruju da se razlog za pojavu zvukova možda krije u samoj strukturi zrna pijeska. Poznato je da sadrži puno kvarca i drugih silicija.
Kvarc je najčešći silicij 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 je karakteriziran stvaranjem 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. Uklonimo li 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 opet 1880. francuski znanstvenici, braća Jean i Pierre Curie, i nazvan je piezoelektricitet. Kasnije su otkrili i reverzibilnost ovog učinka.
Pokazalo se da bi se kristal kvarca mogao komprimirati ili rastegnuti ako bi se na njegovim stranama stvorili suprotni električni naboji. U tom se slučaju električna energija pretvara u mehanička energija.
Upravo ovo svojstvo kristala daje razlog za vjerovanje da je pjevanje pustinjskog pijeska povezano s boravkom duhova. Budući da su duhovi pustinje demonski entiteti koji predstavljaju kaotično kretanje elektrona.
Demonskim entitetima nedostaje jezgra i magnetizam. Oni predstavljaju prazninu koja je okružena elektronima koji se nasumično kreću. Dakle, demonski entiteti su nositelji električnog naboja, koji uzrokuje napon na površini kristalnih molekula.
Kao rezultat tog udara, kristali pijeska se stisnu i otpuste, uzrokujući vibriranje zraka, što se očituje u obliku zvukova.
Pjevanje pijeska snažno djeluje na ljudsku psihu, izaziva instinktivni strah. Razlog tog straha može se objasniti činjenicom da ljudska duša u pjevanju pijeska hvata "dah" smrti, čiji je nositelj demonska esencija.
Čovjek, životinja i biljka, kao živi organizmi, ne mogu podnijeti napetost i utjecati na kristale poput demonske esencije, ne mogu izazvati pjevanje pijeska. Budući da atomski sustav živih stanica organskih tijela proizvodi vibracije različite frekvencije i elektromagnetska indukcija, što čini tjelesni sustav zatvorenim u smislu električnog djelovanja. To jest, električnu energiju tijela hvata vlastito magnetsko polje koje njome upravlja.
I to samo u slučaju kada duhovnost osobe padne, što smanjuje potencijal magnetsko polje 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 na kristalna 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 prisutnost 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 se procesi događaju pri hodanju po mokrom pijesku.
Mehaničke vibracije kristala kvarca u zrncima pijeska dovode do stvaranja električnih naboja na njihovim licima, čiji se polaritet mijenja sinkrono s mehaničke vibracije kristali. Ne postoje samo akustični valovi, već i izmjenično električno polje određenog frekvencijskog spektra.
Svako zrno pijeska, svaki kristal pjeva svoju pjesmu na svojoj frekvenciji. Njihovi se glasovi 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 se kretanje pijeska zaustavi, pobuđene mehaničke i električne vibracije kristala kvarca u zrncima pijeska izumiru, a zvuk prestaje.
Godine 1957. sovjetski znanstvenik K. Baransky otkrio je da se akustični valovi mogu pobuđivati ​​izravno na površini kristala, što je dodatno proširilo raspon generiranih frekvencija. Zatim su američki znanstvenici povećali gornju granicu 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 planeta, utjecaj drugih planeta i Sunca uzrokuju kretanje i titranje stijena zemljine kore, čineći Zemlju zvukom. Njezina pjesma, koju ljudsko uho ne percipira, nosi daleko u svemiru.
Zemljina kora je u stalnoj napetosti. Tu i tamo se događaju potresi i vulkanske erupcije, oslobađajući opasne zone od preopterećenja demonskih entiteta na njima – bezduhovnih praznina.
Broj potresa na Zemlji doseže i do sto tisuća godišnje. Iz ukupni broj potresi jaki potresi događaju se i do tisuću godišnje.
Iz središta deformacije zemljine kore, vibracije se prenose na velike udaljenosti. Brzina širenja valova je vrlo velika. U granitnim stijenama za uzdužne valove to je više od 5000 metara u sekundi, za poprečne valove - oko 2509 metara u sekundi.
Na svom putu kopneni 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 puknuća, deformacije.
Električna pražnjenja u obliku najjačih podzemnih munja brzo se šire zonama najmanjeg otpora i često se probijaju iz dubina do površine Zemlje, ostavljajući otopljene čvrste stijene ili čudne okrugle rupe.
Nema ništa čudno u tome što Zemlja zvuči. Njegove tvrde stijene, bazalt, graniti, pješčenici i drugi imaju kristalnu strukturu. Sadrže mnoge formacije kvarca. Kada se kristali deformiraju, ne nastaju samo akustični i električni valovi, već se usput događaju i drugi fizikalni i kemijski procesi.
Užasan huk dubokih oluja "čuju" mnoge životinje, ptice, kukci. Oni čak mogu biti i "navjestitelji" nadolazećeg podzemnog štrajka. I samo je osoba, u pravilu, zatečena nesvjesna. Otkad je prestao sebe doživljavati kao dio prirode i pratiti procese koji se odvijaju u prirodi.
Osim što "pjevaju", kristali vibriraju u određenom rasponu svjetlosnog spektra, pa dobivaju svoju boju, primjerice kamenje za nakit. Kamenje je prozirno i snažnog sjaja sposobno prenositi i modificirati energiju zračenja. Boja minerala povezana je s uključivanjem u njihovu kristalnu rešetku metalnih iona koji lako mijenjaju svoju valenciju i sposobni su odustati od svojih elektrona uz minimalnu zalihu energije.
Neki od tih elektrona "lutaju" među atomima kristalne rešetke, u interakciji s njima, razmjenjujući s njima energiju. Kao rezultat toga, lokalni poremećaji kristalne rešetke nastaju u kristalu i kontinuirano mijenjaju svoj uzorak. Na taj način kristal intenzivno živi svoj " unutarnji život", čije vanjske manifestacije čine skupove "magičnih" svojstava kamenja-amuleta.
U takve metale spadaju željezo, bakar, mangan, krom, rijetki zemni elementi, primjese spojeva, koji zamjetno mijenjaju energetsku siluetu kristala.

Predavanje 16

Fizička svojstva kristala

Fizika čvrstog stanja bavi se proučavanjem strukture i fizikalnih svojstava čvrstih tijela. Ustanovljava ovisnost fizikalnih svojstava o atomska struktura tvari, razvija metode za dobivanje i proučavanje novih kristalnih materijala sa željenim karakteristikama.

Fizička svojstva kristala određena su:

1) priroda kemijski elementi, koji su dio kristala;

2) vrsta kemijske veze;

3) geometrijska priroda strukture, t.j. međusobni dogovor atomi u kristalnoj strukturi;

4) nesavršenost strukture, tj. prisutnost nedostataka.

S druge strane, po fizičkim svojstvima kristala obično prosuđujemo vrstu kemijske veze.

Čvrstoću kristala najlakše je procijeniti po njihovim mehaničkim i toplinskim svojstvima. Što je kristal jači, veća je njegova tvrdoća i viša je točka taljenja. Ako proučavamo promjenu tvrdoće s promjenom sastava u nizu tvari iste vrste i usporedimo dobivene podatke s odgovarajućim vrijednostima tališta, tada možemo primijetiti "paralelizam" u promjeni ovih svojstava.

Podsjetim da je najkarakterističnija značajka fizikalnih svojstava kristala njihova simetrija i anizotropija. Anizotropni medij karakterizira ovisnost mjerenog svojstva o smjeru mjerenja.

Već smo rekli da je kristalna kemija usko povezana s kristalografijom i fizikom. Tako, glavni zadatak kristalne fizike(odjeljak kristalografije koji proučava fizička svojstva kristala) je proučavanje zakonitosti fizikalnih svojstava kristala iz njihove strukture, kao i ovisnosti tih svojstava o vanjskim utjecajima.

Fizikalna svojstva tvari mogu se podijeliti u dvije skupine: strukturno osjetljiva i strukturno neosjetljiva svojstva. Prvi ovise o atomskoj strukturi kristala, drugi - uglavnom o elektroničkoj strukturi i vrsti kemijske veze. Primjer prvoga su mehanička svojstva (masa, gustoća, toplinski kapacitet, točka taljenja, itd.), primjer drugoga su toplinska i električna vodljivost, optička i druga svojstva.

Dakle, dobra električna vodljivost metala, zbog prisutnosti slobodni elektroni, promatrat će se ne samo u kristalima, već i u rastaljenim metalima.

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

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

U heterodezmičkim spojevima neka svojstva, poput mehaničke čvrstoće spojeva, ovise samo o jednoj (najslabijoj) vrsti veze.

Stoga se kristal može smatrati, s jedne strane, diskontinuiranim (diskretnim) medijem. S druge strane, kristalna tvar se može smatrati kontinuiranim anizotropnim medijem. U ovom slučaju fizička svojstva koja se očituju u određenom smjeru ne ovise o prijevodima (transferima). To omogućuje opisivanje simetrije fizikalnih svojstava pomoću skupina točaka simetrije.

Opisujući simetriju kristala, uzimamo u obzir samo vanjski oblik, odnosno razmatramo simetriju geometrijskih likova. P. Curie je pokazao da se simetrija materijalnih figura opisuje beskonačnim brojem skupina točaka, koje u granici teže sedam ranije razmatranih graničnih skupina simetrije (familije rotacionog stošca, fiksnog stošca, rotirajući cilindar, uvijena cilindar, fiksni cilindar, familija lopte s rotirajućim točkama površine, obitelji fiksne lopte).

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

Veza između skupine točkaste simetrije kristala i simetrije njegovih fizikalnih svojstava formulirao je njemački fizičar F. Neumann: materijal pokazuje simetriju iste vrste kao i njegov kristalografski oblik s obzirom na fizikalna svojstva. To je poznato kao Neumannov princip.

Njemački fizičar W. Voigt, učenik F. Nemana, značajno je pojasnio ovaj princip i formulirao ga na sljedeći način: skupina simetrije bilo kojeg fizičkog svojstva mora uključivati ​​sve elemente točkaste skupine simetrije kristala.

Razmotrimo neka fizička svojstva kristala.

Gustoća kristala.

Gustoća tvari ovisi o kristalnoj strukturi tvari, njezinoj kemijski sastav, faktor pakiranja atoma, valencija i polumjera njegovih sastavnih čestica.

Gustoća se mijenja s promjenama temperature i tlaka, budući da ti čimbenici uzrokuju širenje ili kontrakciju tvari.

Ovisnost gustoće o strukturi može se pokazati na primjeru triju modifikacija 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, tijekom polimorfnog prijelaza grafita u dijamant s promjenom koordinacijskog broja ugljikovih atoma s 3 na 4, gustoća se također povećava s 2,2 na 3,5 g/cm3).

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

Gustoća se također mijenja s promjenom kemijskog sastava tvari tijekom izomorfnih supstitucija – pri prelasku s jednog člana izomorfnog niza na drugi. Na primjer, u seriji olivina (mg, Fe2+ )2[ SiO4 ] gustoća raste kako se kationi Mg2+ zamjenjuju Fe2+ od r = 3,22 g/cm3 za forsterit mg2 [ SiO4 ] do r = 4,39 g/cm3 za fajalit.

Tvrdoća.

Tvrdoća se odnosi na stupanj otpornosti kristala na vanjske utjecaje. Tvrdoća nije fizička konstanta. Njegova vrijednost ovisi ne samo o proučavanom materijalu, već i o uvjetima mjerenja.

Tvrdoća ovisi o:

vrsta strukture;

faktor pakiranja ( specifična gravitacija);

naboj iona koji tvore kristal.

Na primjer, polimorfne modifikacije CaCO3 - kalcit i aragonit - imaju gustoće od 3 i 4, respektivno, i razlikuju se po različitoj gustoći svojih struktura:

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

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

U nizu identično građenih kristala, tvrdoća raste s povećanjem naboja i smanjenjem veličine kationa. Prisutnost u strukturama dovoljno velikih aniona kao što su molekule F-, OH-, H2O smanjuje tvrdoću.

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

Sposobnost deformacije.

Sposobnost kristala za plastičnu deformaciju određena je prvenstveno prirodom kemijske veze između njegovih strukturnih elemenata.

kovalentna veza, koji ima strogu usmjerenost, oštro slabi čak i pri beznačajnim pomacima atoma jedan u odnosu na drugi. Stoga kristali s kovalentnom vrstom veze (Sb, Bi, As, se, itd.) ne pokazuju sposobnost plastične deformacije.

metalni spoj nema usmjereni karakter i neznatno se mijenja kada se atomi međusobno pomaknu. Ono određuje visok stupanj plastičnost metala (duktilnost). Najsavitljiviji su oni metali čije su strukture građene prema zakonu kubičnog najbližeg pakiranja, koji ima četiri smjera tijesno zbijenih slojeva. Manje kovanje metala sa šesterokutnim bliskim pakiranjem - s jednim smjerom najgušćih slojeva. Dakle, među polimorfnim modifikacijama željeza, a-Fe i b-Fe gotovo da nemaju savitljivost (rešetka tipa I), dok je g-Fe s kubičnim bliskim pakiranjem (kubična rešetka usmjerena na lice) kovan metal poput Cu, Pt , Au, Ag itd.

Jonska veza nije usmjerena. Stoga su tipični ionski kristali (NaCl, CaF2, CaTe, itd.) krhki poput kristala s kovalentnom vezom. Ali u isto vrijeme, oni imaju prilično visoku plastičnost. Klizanje u njima odvija se po određenim kristalografskim smjerovima. To se objašnjava činjenicom da se u kristalnoj strukturi mogu razlikovati mreže (110) koje formiraju samo Na+ ioni ili Cl–. Tijekom plastične deformacije jedna ravna mreža pomiče se u odnosu na susjednu na način da ioni Na+ klize duž Cl- iona. Razlika u nabojima iona u susjednim mrežama sprječava pucanje, a oni ostaju paralelni sa svojima. početna pozicija. Klizanje duž ovih slojeva odvija se uz minimalne poremećaje u rasporedu atoma i najlakše je.

Toplinska svojstva kristala.

Toplinska vodljivost usko je povezana sa simetrijom. To se najjasnije može pokazati u sljedećem eksperimentu. Pokrijmo tanki sloj parafinske površine triju kristala: kocke, heksagonalne prizme, desnog paralelepipeda. Vrhom tanke vruće igle dotaknimo svako od lica ovih kristala. Iz obrisa tališta 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 dodira 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 ravnini okomitoj na glavnu os kristala srednje kategorije jednaka je u svim smjerovima). Na plohama heksagonalne prizme tališta će imati oblik elipse, budući da osi 2. reda prolaze okomito na te plohe.

Na svim plohama desnog paralelepipeda (kristal ortogonalne singonije) tališta će imati oblik elipse, budući da osi 2. reda prolaze okomito na te plohe.

Dakle, brzina širenja topline kroz kristalno tijelo je u izravnom razmjeru s elementom linearne simetrije duž kojeg se širi. U kubičnim kristalima površina raspodjele topline imat će oblik kugle. Prema tome, s obzirom na toplinsku vodljivost, kubični kristali su izotropni, tj. jednako su karakteristični u svim smjerovima. Površina toplinske vodljivosti kristali srednje kategorije izraženo kao elipsoid okretanja (paralelno s glavnom osi). NA kristali najniže kategorije a sve plohe vodljivosti topline su elipsoidne.

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

Toplinska vodljivost ovisi i o stupnju neispravnosti kristala – za više neispravnih kristala ona je niža nego za sintetske. Tvar u amorfno stanje ima nižu toplinsku vodljivost od kristala istog sastava. Na primjer, toplinska vodljivost kvarcnog stakla je mnogo niža od toplinske vodljivosti kvarcnih kristala. Na temelju ove nekretnine široka primjena posuđe od kvarcnog stakla.

Optička svojstva.

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

U vezi optička svojstva Sve tvari možemo podijeliti na optički izotropne i anizotropne. Prvi uključuju amorfna tijela i kristale najviše kategorije, potonji - sve ostalo. U optički izotropnim medijima svjetlosni val, koji je skup poprečnih harmonijskih oscilacija elektromagnetske prirode, širi se istom brzinom u svim smjerovima. U tom slučaju se oscilacije vektora intenziteta električnog i magnetskog polja također javljaju u svim mogućim smjerovima, ali u ravnini okomitoj na smjer snopa. Duž njegovog smjera prenosi se svjetlosna energija. Ovo svjetlo se zove prirodni ili nepolarizirani(Slika a, b).

U optički anizotropnim medijima, brzine širenja valova u različitim smjerovima može biti drugačiji. Pod određenim uvjetima, tzv polarizirano svjetlo, za koji sve oscilacije vektora električnih i magnetskih polja prolaze u strogo definiranom smjeru (slika c, d). Ponašanje takve polarizirane svjetlosti u kristalima je osnova za metodu kristalno-optičkih istraživanja pomoću polarizacijskog mikroskopa.

Dvolomnost svjetlosti u kristalima.

linearno polarizirano s međusobno okomitim ravninama titranja. Razlaganje svjetlosti na dva polarizirana snopa naziva se dvolom ili dvolom.

Dvolomnost svjetlosti uočava se u kristalima svih singonija, osim kubične. U kristalima najniže i srednje kategorije dvolom se javlja u svim smjerovima, osim u jednom ili dva smjera, tzv. optičke osi.

Fenomen dvolomnosti povezan je s anizotropijom kristala. Optička anizotropija kristala izražava se u činjenici da je brzina širenja svjetlosti u njima različita u različitim smjerovima.

NA kristali srednje kategorije među mnogim smjerovima optičke anizotropije, postoji jedan jedini smjer - optička os, koji se podudara s glavnom osi simetrije 3., 4., 6. reda. U tom smjeru svjetlost putuje bez cijepanja.

NA kristali najniže kategorije Dva su smjera duž kojih se svjetlost ne račva. Poprečni presjeci kristala okomiti na ove smjerove podudaraju se s optički izotropnim presjecima.

Utjecaj strukturne značajke 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 možemo podijeliti na vodiče, poluvodiče i dielektrike.

Neki kristali (dielektrici) su polarizirani pod utjecajem vanjskih utjecaja. Sposobnost dielektrika da polariziraju jedan je od njih. temeljna svojstva. Polarizacija je proces povezan s stvaranjem električnih dipola u dielektriku pod djelovanjem vanjskog električnog polja.

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

Piezoelektrični efekt - promjena polarizacije nekih dielektričnih kristala tijekom mehaničke deformacije. Veličina rezultirajućih naboja proporcionalna je primijenjenoj sili. Predznak naboja ovisi o vrsti kristalne strukture. Piezoelektrični efekt nastaje samo u kristalima bez inverzijskog centra, tj. koji imaju polarne smjerove. Na primjer, kristali kvarca SiO2, sfalerit (ZnS).

Piroelektrični efekt - pojava električnih naboja na površini nekih kristala kada se zagrijavaju ili hlade. Piroelektrični učinak javlja se samo u dielektričnim kristalima s jednim polarnim smjerom, čiji se suprotni krajevi ne mogu kombinirati niti jednom operacijom dane simetrijske skupine. Pojava električnih naboja može se dogoditi samo prema određenim, polarnim pravcima. Lica okomita na ove smjerove primaju naboje različitih predznaka: jedan je pozitivan, a drugi negativan. Piroelektrični efekt može se pojaviti u kristalima koji pripadaju jednoj od klasa polarne simetrije: 1, 2, 3, 4, 6, m, mm2, 3m, 4mm, 6mm.

Iz geometrijske kristalografije proizlazi da pravci koji prolaze kroz središte simetrije ne mogu biti polarni. Smjerovi okomiti na ravnine simetrije ili osi parnog reda također ne mogu biti polarni.

U klasi piroelektrika razlikuju se dvije podklase. Prva skupina 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 jakosti vanjskog polja nelinearna, a polarizabilnost ovisi o veličini vanjskog polja. Nelinearnu ovisnost polarizacije o jakosti električnog polja karakterizira histerezna petlja. Ova značajka feroelektrika sugerira da oni zadržavaju svoju električnu polarizaciju u odsutnosti 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 omogućuje da se koriste u "memorijskim stanicama" računala.

Magnetna svojstva.

To je sposobnost tijela da komuniciraju s magnetskim poljem, odnosno da se magnetiziraju kada se stave u magnetsko polje. Ovisno o veličini magnetske susceptibilnosti razlikuju se dijamagnetski, paramagnetski, feromagnetski i antiferomagnetski kristali.

Magnetska svojstva svih tvari ne ovise samo o značajkama njihove kristalne strukture, već i o prirodi atoma (iona) koji ih sastoje, odnosno magnetizam je određen elektroničkom strukturom ljuski i jezgri, kao i orbitalnim gibanjem elektrona (spinova) oko njih.

Kada se atom (ion) unese u magnetsko polje, kutna brzina elektrona u orbiti se mijenja zbog činjenice da se dodatno rotacijsko gibanje elektrona oko jezgre superponira rotacijsko gibanje, uslijed čega atom dobiva dodatni magnetski moment. Štoviše, ako su svi elektroni s suprotnim spinovima u atomu grupirani u parove (slika A), tada se magnetski momenti elektrona kompenziraju i njihov će ukupni magnetski moment biti jednak nuli. Takvi atomi nazivaju se dijamagnetički, a tvari koje se od njih sastoje - dijamagneti. Na primjer, inertni plinovi, metali B-podskupine - Cu, Ag, Au, Zn, Cd, većina ionskih kristala (NaCl, CaF2), kao i tvari s pretežnom kovalentnom vezom - Bi, Sb, Ga, grafit. U kristalima slojevite strukture, magnetska osjetljivost za smjerove koji leže u sloju znatno premašuje onu za okomite smjerove.

Prilikom punjenja elektronskih ljuski u atomima, elektroni imaju tendenciju da budu nespareni. Stoga postoji veliki broj tvari, magnetski momenti elektrona, u čijim se atomima nalaze nasumično i u odsutnosti vanjskog magnetskog polja u njima ne dolazi do spontane orijentacije magnetskih momenata (slika B). Ukupni magnetski moment, zbog elektrona koji nisu vezani u paru i međusobno slabo djeluju, bit će konstantan, pozitivan ili nešto veći od onog kod dielektrika. Takvi atomi se nazivaju magnetski, a tvari - paramagneti. Kada se paramagnet unese u magnetsko polje, pogrešno usmjereni spinovi poprimaju određenu orijentaciju, zbog čega se uočavaju tri vrste uređenja nekompenziranih magnetskih momenata - tri vrste fenomena: feromagnetizam (slika C), antiferomagnetizam (slika D) i ferimagnetizam (slika E).

feromagnetska svojstva posjeduju tvari čiji su magnetski momenti atoma (iona) usmjereni međusobno paralelno, uslijed čega se vanjsko magnetsko polje može povećati milijune puta. Naziv grupe povezan je s prisutnošću u njoj elemenata željezne podskupine Fe, Ni, Co.

Ako su magnetski momenti pojedinih atoma antiparalelni i jednaki, tada je ukupni magnetski moment atoma jednak nuli. Takve tvari 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 ispada 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 najtajnovitijih kreacija prirode. Teško je sada imenovati tu daleku godinu u zoru razvoja čovječanstva, kada je pažljiv pogled jednog od naših predaka među zemaljskim stijenama izdvojio maleno sjajno kamenje, slično složenim geometrijskim oblicima, koje je ubrzo počelo služiti kao dragocjeno. ukrasi.

Proći će nekoliko tisućljeća, 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 laboratoriju, stvaramo uređaje, široko koristimo kristale u znanosti 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 dosežu ljudski rast i više. Ima kristala-latica tanjih od papira i kristala u slojevima debljine nekoliko metara. Ima kristala malih, uskih, oštrih, poput iglica, a ima i ogromnih, poput stupova. U nekim dijelovima Španjolske takvi se kristalni stupovi postavljaju za vrata. Muzej rudarskog instituta u Sankt Peterburgu pohranjuje kristal gorskog kristala (kvarca) visok više od metra i težak više od tone. Mnogi kristali su savršeno čisti i prozirni poput vode.

Kristali leda i snijega

Svima su poznati kristali vode koja se smrzava, odnosno led i snijeg. Ti kristali gotovo pola godine prekrivaju ogromna prostranstva Zemlje, leže na vrhovima planina i klize s njih kao ledenjaci, plutaju kao sante leda u oceanima. Ledeni pokrivač rijeke, masa glečera ili sante leda, naravno, nije jedan veliki kristal. Gusta masa leda obično je polikristalna, odnosno sastavljena od mnogih pojedinačnih kristala; nisu uvijek prepoznatljivi, jer su mali i svi zajedno srasli. Ponekad se ti kristali mogu vidjeti u ledu koji se topi. Svaki pojedinačni kristal leda, svaka pahulja, krhka je i mala. Često se kaže da snijeg pada poput pahulja. Ali čak je i ova usporedba, moglo bi se reći, previše "teška": pahulja je lakša od paperja. Deset tisuća snježnih pahulja čini težinu jednog penija. Ali, kombinirani u ogromnim količinama zajedno, snježni kristali mogu zaustaviti vlak, stvarajući snježne blokade.

Kristali leda mogu uništiti zrakoplov za nekoliko minuta. Zaleđivanje - strašni neprijatelj zrakoplova - također je rezultat rasta kristala.

Ovdje imamo posla s rastom kristala iz prehlađenih para. NA gornjih slojeva atmosfere, vodene pare ili vodenih kapljica, mogu se dugo čuvati u prehlađenom stanju. Prehlađenje u oblacima doseže -30. Ali čim se leteći avion probije u ove prehlađene oblake, istog sata počinje nasilna kristalizacija. Trenutačno, zrakoplov je prekriven hrpom brzo rastućih kristala.

Dragulji

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 se kamenju od davnina pripisuje ljekovitost i razna nadnaravna svojstva, a uz njih se vežu brojne legende.

Dragocjeno kamenje služilo je kao mjera bogatstva prinčeva i careva.

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

Među blagom dijamantnog fonda Rusije je jedan od najvećih i najljepših dijamanata na svijetu "Šah".

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

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

Kristali u svemiru

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

U svemirskim vanzemaljcima - meteoritima postoje kristali poznati na Zemlji, a ne pronađeni na Zemlji. U ogromnom meteoritu koji je pao u veljači 1947. na Dalekom istoku pronađeni su kristali željeza nikla dugi nekoliko centimetara, dok su u zemaljskim uvjetima prirodni kristali Ti minerali su toliko mali da se mogu vidjeti samo mikroskopom.

2. Struktura i svojstva kristala

2. 1 Što su kristali, kristalni oblici

Kristali nastaju na prilično niskoj temperaturi kada toplinsko kretanje tako polako da ne uništi određenu strukturu. karakteristično obilježječvrsto stanje materije je postojanost njenog oblika. To znači da su njegove sastavne čestice (atomi, ioni, molekule) međusobno kruto povezane i njihovo se toplinsko gibanje događa kao oscilacija oko fiksnih točaka koje određuju ravnotežnu udaljenost između čestica. Relativni položaj točaka ravnoteže u cijeloj tvari trebao bi osigurati minimum energije za cijeli sustav, što se ostvaruje njihovim određenim uređenim rasporedom u prostoru, odnosno u kristalu.

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

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

U skladu s geometrijskim oblikom kristala, postoje sljedeći kristalni sustavi:

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, kubični kristali su izotropni u smislu prijenosa svjetlosti, električne i toplinske vodljivosti, 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, veznim silama između atoma i energetskim spektrom elektrona. Neka svojstva, na primjer: električna, magnetska i optička, značajno ovise o raspodjeli elektrona po energetskim razinama. Mnoga svojstva kristala presudno ovise ne samo o simetriji, već i o broju nedostataka (čvrstoća, plastičnost, boja i druga svojstva).

Izotropija (od grč. isos - jednak, isti i tropos - okret, smjer) neovisnost svojstava medija od smjera.

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

Kristali su napučeni s mnogo različitih nedostataka. Nedostaci, takoreći, oživljavaju kristal. Zbog prisutnosti nedostataka, kristal otkriva "sjećanje" na događaje u kojima je postao ili kada je bio, defekti pomažu kristalu da se "prilagodi" okolini. Nedostaci kvalitativno mijenjaju svojstva kristala. Čak iu vrlo malim količinama, defekti snažno utječu na ona fizikalna 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, najjednostavniji, najpristupačniji i najjeftiniji za kemičare početnike, što sigurniji u smislu tuberkuloze. Pažljiva priprema za izvršenje usavršava vještine u sposobnosti pažljivog rukovanja tvarima i pravilnog organiziranja vašeg plana rada.

Rast kristala može se podijeliti u dvije skupine.

3.1 Prirodno stvaranje kristala u prirodi

Formiranje kristala u prirodi (prirodni rast kristala).

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

Kristali nastaju i u slanim jezerima. Ljeti voda iz jezera brzo ispari i iz nje počinju ispadati kristali soli. Samo jezero Baskunchak u astrahanskoj stepi moglo bi mnogim državama osigurati sol za 400 godina.

Neki životinjski organizmi su "tvornice" kristala. Koralji tvore cijele otoke od mikroskopskih kristala ugljičnog vapna.

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

Žučni kamenci u jetri, bubrezima i mokraćnom mjehuru koji uzrokuju ozbiljne ljudske bolesti su kristali.

3.2 Umjetni rast kristala

Umjetni uzgoj kristala (uzgoj kristala u laboratorijima, tvornicama).

Uzgoj kristala je fizički i kemijski proces.

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

Postoji i kemijski proces - hidroliza (reakcija soli s vodom).

Prilikom odabira tvari važno je uzeti u obzir sljedeće činjenice:

1. Tvar ne smije biti otrovna

2. Tvar mora biti stabilna i dovoljno kemijski čista

3. Sposobnost tvari da se otapa u dostupnom otapalu

4. Dobiveni kristali moraju biti stabilni

Postoji nekoliko metoda za uzgoj kristala.

1. Priprema prezasićenih otopina s daljnjom kristalizacijom u otvorenoj posudi (najčešća tehnika) ili zatvorenoj. Zatvoreno - industrijska metoda, za njegovu provedbu ogroman staklena posuda s termostatom koji simulira vodena kupka. U posudi se nalazi otopina s gotovim sjemenom, a svaka 2 dana temperatura se snižava za 0,1°C, što omogućuje dobivanje tehnološki ispravnih i čistih monokristala. Ali to zahtijeva visoki troškovi struju i skupu opremu.

2. Isparavanje zasićene otopine otvoreni put, kada postupno isparavanje otapala, na primjer, iz slabo zatvorene posude s otopinom soli, može samo po sebi dovesti do kristala. Zatvoreni način uključuje držanje zasićene otopine u eksikatoru iznad 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.

Oprema i materijal: staklo 500 ml, filter papir, prokuhana voda, žlica, lijevak, soli CuSO4*5H2O, K2CrO4 (kalijev kromat), K2Cr2O4 (kalijev dikromat), kalijev alum, NiSO4 (nikl sulfat), NaCl (natrijev klorid), C12H22O11 (šećer).

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

Pripremljenu otopinu ocijedite od taloga kristala i stavite u tikvicu otpornu na toplinu. Tu također stavite malo kemijski čiste tvari (taloženih kristala). Zagrijte tikvicu u vodenoj kupelji dok se potpuno ne otopi. Dobivena otopina se još zagrijava 5 minuta na t = 60-70C, ulije u čistu čašu, zamota u ručnik, ostavi da se ohladi. Nakon jednog dana na dnu čaše se formiraju mali kristali.

2. Izrada prezentacije "Kristali"

Dobivene kristale fotografiramo, 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 izradu slika. Naslikao sam pejzaž "Zalazak sunca". Uzgojeni kristali koriste se kao materijal za izradu krajolika.

Zaključak

U ovom radu ispričan je samo mali dio onoga što se o kristalima danas zna, međutim, i ovaj podatak je pokazao koliko su kristali u svojoj biti izvanredni i tajanstveni.

U oblacima, na vrhovima planina, u pješčanim pustinjama, morima i oceanima, u znanstvenim laboratorijima, u biljnim stanicama, u živim i mrtvim organizmima - kristale ćemo sresti posvuda.

Ali možda se kristalizacija materije odvija samo na našem planetu? Ne, sada znamo da na drugim planetima i udaljenim zvijezdama kristali neprestano nastaju, rastu i razgrađuju se cijelo vrijeme. Meteoriti, svemirski glasnici, također se sastoje od kristala, a ponekad uključuju kristalne tvari koje se ne nalaze na Zemlji.

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

Licej moderne tehnologije upravljanje

Apstrakt fizike

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 podudaraju u paralelnim smjerovima.

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

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

Struktura kristala

Raznolikost kristala u obliku je vrlo 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, sva ravna lica sijeku se međusobno pod određenim kutovima. Kutovi između odgovarajućih lica uvijek su isti. Kristali kamene soli, na primjer, mogu imati oblik kocke, paralelepipeda, prizme ili tijela većeg od složen oblik, ali njihova se lica uvijek sijeku pod pravim kutom. Fasete kvarca imaju oblik nepravilnih šesterokuta, ali su kutovi između strana uvijek isti - 120°.

Zakon postojanosti kutova, koji je 1669. godine otkrio Danac Nikolai Steno, najvažniji je zakon znanosti o kristalima - kristalografije.

Mjerenje kutova između kristalnih ploha od velike je praktične važnosti, budući da se u mnogim slučajevima priroda minerala može pouzdano odrediti iz rezultata tih mjerenja. Najjednostavniji instrument za mjerenje kutova kristala je primijenjeni goniometar. Korištenje primijenjenog goniometra moguće je samo za proučavanje velikih kristala, a točnost mjerenja napravljenih uz njegovu pomoć također je niska. Razlikovati, na primjer, kristale kalcita i salitre, sličnog oblika i čiji su kutovi 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 kutova između kristalnih ploha obično provode složenijim i točnijim instrumentima.

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

Postoji nekoliko načina da saznate da li čvrsta kristal. Najjednostavniji od njih, ali vrlo neprikladan za uporabu, otkriven je kao rezultat slučajnog promatranja krajem 18. stoljeća. Francuski znanstvenik Renne Gayuy slučajno je ispustio jedan od svojih kristala. Nakon što je pregledao fragmente kristala, primijetio je da su mnogi od njih smanjene kopije originalnog uzorka.

Izvanredno svojstvo mnogih kristala, kada su zdrobljeni, da daju fragmente sličnog oblika izvornom 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 tvar. Razdjelnik geometrijski oblici Guyui je objasnio ne samo razne forme"cigle" od kojih su sastavljene, ali i različiti putevi njihov styling.

Hayuyeva hipoteza ispravno je odražavala suštinu fenomena - uređen i gust raspored strukturni elementi kristale, ali nije odgovorila cijela linija kritična pitanja. Postoji li ograničenje za spremanje obrasca? Ako postoji, koja je najmanja "cigla"? Imaju li atomi i molekule tvari oblik poliedra?

Još u 18. stoljeću Engleski znanstvenik Robert Hooke i nizozemski znanstvenik Christian Huygens skrenuli su pozornost na mogućnost konstruiranja pravilnih poliedara od tijesno zbijenih kuglica. Sugerirali su da se kristali grade od sfernih čestica – atoma ili molekula. Vanjski oblici kristala, prema ovoj hipotezi, posljedica su obilježja gustog pakiranja atoma ili molekula. Neovisno o njima, veliki ruski znanstvenik M. V. Lomonosov došao je do istog zaključka 1748. godine.

Kada su kuglice najgušće zbijene u jedan ravan sloj, svaku kuglicu okružuje šest drugih kuglica, čija središta tvore pravilan šesterokut. Ako se polaganje drugog sloja provodi 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 izvesti na dva načina (slika 1). U prvoj metodi, kuglice trećeg sloja stavljaju se u rupe koje se nalaze točno iznad kuglica prvog sloja, a treći sloj se točna kopija prvi. Naknadno ponavljanje slaganja slojeva na ovaj način rezultira strukturom koja se naziva heksagonalna zbijena struktura. Kod druge metode, kuglice trećeg sloja stavljaju se u rupe koje nisu točno iznad kuglica prvog sloja. Ovom metodom pakiranja dobiva se struktura koja se naziva kubična čvrsto zbijena struktura. Oba pakiranja daju stopu punjenja volumena od 74%. Niti jedan drugi način raspoređivanja kuglica u prostoru u nedostatku njihove deformacije ne daje veći stupanj ispunjenja volumena.

Slaganjem kuglica red po red metodom heksagonalnog zatvorenog pakiranja može se dobiti pravilna šesterokutna prizma, drugi način pakiranja dovodi do mogućnosti građenja kocke od kuglica.

Ako princip bliskog pakiranja djeluje u konstrukciji kristala od atoma ili molekula, onda bi se činilo da bi se u prirodi kristali trebali nalaziti samo u obliku šesterokutnih prizmi i kocki. Kristali ovog oblika doista su vrlo česti. Heksagonalno gusto pakiranje atoma odgovara, na primjer, obliku kristala cinka, magnezija, kadmija. Kubično gusto pakiranje odgovara obliku kristala bakra, aluminija, 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 pakiranja kuglica jednake veličine može imati različite razloge.

Prvo, kristal se može izgraditi prema principu bliskog pakiranja, ali od atoma različite veličine ili od molekula koje imaju oblik koji se jako razlikuje od sfernog (slika 2). Atomi kisika i vodika imaju sferni oblik. 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 skrutne, gusto pakiranje njezinih molekula ne može se provesti na isti način kao pakiranje kuglica 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 prikaza strukture kristala pomoću prostorne kristalne rešetke. To je prostorna mreža čiji se čvorovi podudaraju s položajem središta atoma (molekula) u kristalu. Takvi su modeli prozirni, ali se od njih ne može ništa naučiti o obliku i veličini čestica koje čine kristale.

Osnova kristalne rešetke je elementarna ćelija - lik najmanja veličina, čijim je uzastopnim prijenosom moguće konstruirati cijeli kristal. Da biste jedinstveno okarakterizirali ćeliju, morate odrediti dimenzije njenih rubova a, b i c i vrijednost kutova a , b i g između njih. Duljina 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 pozornost na činjenicu da većina atoma, a za mnoge vrste kristalne rešetke, čak ni svaki atom ne pripada jednoj elementarnoj stanici, 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 prijenosom u prostoru može izgraditi cijeli kristal, treba uzeti dio kristala prikazan na slici. U ovom slučaju treba uzeti u obzir da joj od iona koji se nalaze na vrhovima stanice pripada samo jedna osmina svakog od njih; od iona koji leže na rubovima stanice, posjeduje jednu četvrtinu svake; od iona koji leže na licu, svaka od dvije susjedne jedinične stanice čini polovicu iona.

Izračunajmo broj natrijevih iona i broj iona klora koji su dio jedne elementarne ćelije kamene soli. Stanica u cijelosti posjeduje jedan ion klora, smješten u središtu stanice, i jednu četvrtinu svakog od 12 iona smještenih na rubovima stanice. Ukupni kloridni ioni u jednoj ćeliji 1+12*1/4=4 . Natrijevi ioni u jediničnoj ćeliji - šest polovica na licima i osam osmina na vrhovima, ukupno 6*1/2+8*1/8=4.