Når man ser på krystaller og ædelstene, ønsker man at forstå, hvordan denne mystiske skønhed kunne have opstået, hvordan sådanne fantastiske naturværker skabes. Der er et ønske om at lære mere om deres ejendomme. Når alt kommer til alt, tillader den særlige, intetsteds i naturen gentagne struktur af krystaller, at de kan bruges over alt: fra smykker til de nyeste videnskabelige og tekniske opfindelser.
Undersøgelse af krystallinske mineraler
Krystallers struktur og egenskaber er så mangefacetterede, at en separat videnskab, mineralogi, er engageret i undersøgelsen og undersøgelsen af disse fænomener. Den berømte russiske akademiker Alexander Evgenievich Fersman var så optaget og overrasket over mangfoldigheden og uendeligheden af krystallernes verden, at han forsøgte at fange så mange sind som muligt med dette emne. I sin bog Entertaining Mineralogy opfordrede han entusiastisk og varmt til at stifte bekendtskab med mineralernes hemmeligheder og kaste sig ud i ædelstenernes verden:
Jeg vil virkelig gerne have digfængsle. Jeg ønsker, at du begynder at interessere dig for bjerge og stenbrud, miner og miner, så du begynder at samle samlinger af mineraler, så du vil følge med os fra byen længere væk, til flodens løb, hvor der er høje klippebanker, til toppen af bjerge eller til den klippefyldte kyst, hvor sten brydes, sand udvindes, eller malm eksploderer. Der, over alt vil du og jeg finde noget at lave: og i døde klipper, sand og sten vil vi lære at læse nogle store naturlove, som styrer hele verden, og som hele verden er bygget efter.
Fysik studerer krystaller og argumenterer for, at enhver virkelig solid krop er en krystal. Kemi undersøger den molekylære struktur af krystaller og kommer til den konklusion, at ethvert metal har en krystallinsk struktur.
Undersøgelsen af krystallers fantastiske egenskaber er af stor betydning for udviklingen af moderne videnskab, teknologi, byggeindustrien og mange andre industrier.
Grundlæggende love for krystaller
Det første folk bemærker, når de ser på en krystal, er dens ideelle mangefacetterede form, men det er ikke hovedtræk ved et mineral eller metal.
Når en krystal brydes i små fragmenter, vil der ikke være noget tilbage af den ideelle form, men ethvert fragment vil som før forblive en krystal. Et karakteristisk træk ved en krystal er ikke dens udseende, men de karakteristiske træk ved dens indre struktur.
Symmetrisk
Den første ting at huske og bemærke, når man studerer krystaller, er fænomenetsymmetri. Det er udbredt i hverdagen. Sommerfuglevinger er symmetriske, et aftryk af en klat på et stykke papir foldet på midten. Symmetriske snekrystaller. Det sekskantede snefnug har seks symmetriplan. Ved at bøje billedet langs en linje, der viser snefnugets symmetriplan, kan du kombinere dets to halvdele med hinanden.
Symmetriaksen har en sådan egenskab, at det ved at dreje en figur med en kendt vinkel rundt om den er muligt at kombinere passende dele af figuren med hinanden. Afhængigt af størrelsen af en passende vinkel, som figuren skal roteres med, bestemmes akser af 2., 3., 4. og 6. orden i krystallerne. I snefnug er der således en enkelt symmetriakse af sjette orden, som er vinkelret på tegneplanet.
Symmetricentret er et sådant punkt i figurens plan, i samme afstand, hvorfra der i den modsatte retning er de samme strukturelle elementer i figuren.
Hvad er der indeni?
Den indre struktur af krystaller er en slags kombination af molekyler og atomer i en rækkefølge, der kun er ejendommelig for krystaller. Hvordan kender de partiklernes indre struktur, hvis de ikke er synlige selv med et mikroskop?
Røntgenstråler bruges til dette. Ved at bruge dem til gennemskinnelige krystaller etablerede den tyske fysiker M. Laue, de engelske fysikere far og søn Bragg og den russiske professor Yu. Wolf de love, i henhold til hvilke strukturen og strukturen af krystaller studeres.
Alt var overraskende og uventet. Samokonceptet om molekylets struktur viste sig at være uanvendeligt for stoffets krystallinske tilstand.
For eksempel har et så velkendt stof som bords alt den kemiske sammensætning af NaCl-molekylet. Men i en krystal lægger individuelle atomer af klor og natrium ikke sammen til separate molekyler, men danner en bestemt konfiguration kaldet et rumligt eller krystalgitter. De mindste partikler af klor og natrium er elektrisk bundet. Krystalgitteret af s alt dannes som følger. En af valenselektronerne i den ydre skal af natriumatomet indføres i den ydre skal af kloratomet, som ikke er helt fyldt på grund af fraværet af den ottende elektron i den tredje skal af klor. I en krystal hører hver ion af både natrium og klor således ikke til ét molekyle, men til hele krystallen. På grund af det faktum, at kloratomet er monovalent, kan det kun binde en elektron til sig selv. Men de strukturelle træk ved krystallerne fører til, at kloratomet er omgivet af seks natriumatomer, og det er umuligt at afgøre, hvem af dem der vil dele en elektron med klor.
Det viser sig, at det kemiske molekyle af bords alt og dets krystal slet ikke er det samme. Hele den enkelte krystal er som ét kæmpe molekyle.
Grill - kun model
Fejlen bør undgås, når det rumlige gitter tages som en reel model af krystalstrukturen. Gitter - en slags betinget billede af et eksempel på forbindelsen af elementære partikler i strukturen af krystaller. Gitterforbindelsespunkter i form af kuglervisuelt giver dig mulighed for at afbilde atomer, og linjerne, der forbinder dem, er et omtrentligt billede af bindingskræfterne mellem dem.
I virkeligheden er hullerne mellem atomer inde i en krystal meget mindre. Det er en tæt pakning af dets partikler. En bold er en konventionel betegnelse for et atom, hvis brug gør det muligt med succes at afspejle egenskaberne ved tæt pakning. I virkeligheden er der ikke en simpel kontakt mellem atomer, men deres gensidige delvise overlapning med hinanden. Med andre ord er billedet af en kugle i strukturen af krystalgitteret for klarhedens skyld den afbildede kugle med en sådan radius, der indeholder hoveddelen af atomets elektroner.
styrkeløfte
Der er en elektrisk tiltrækningskraft mellem to modsat ladede ioner. Det er et bindemiddel i strukturen af ioniske krystaller såsom bords alt. Men hvis du bringer ionerne meget tæt på, så vil deres elektronbaner overlappe hinanden, og frastødende kræfter fra ens ladede partikler vil opstå. Inde i krystallen er fordelingen af ioner sådan, at de frastødende og tiltrækkende kræfter er i balance, hvilket giver krystallinsk styrke. Denne struktur er typisk for ioniske krystaller.
Og i krystalgitteret af diamant og grafit er der en forbindelse af atomer ved hjælp af almindelige (kollektive) elektroner. Tætsiddende atomer har fælles elektroner, der kredser om kernen af både et og naboatomer.
En detaljeret undersøgelse af teorien om kræfter med sådanne bindinger er ret vanskelig og ligger inden for kvantemekanikken.
Metal Differences
Strukturen af metalkrystaller er mere kompleks. På grund af det faktum, at metalatomer let donerer de tilgængelige eksterne elektroner, kan de frit bevæge sig gennem hele krystallens volumen og danner den såkaldte elektrongas inde i den. Takket være sådanne "vandrende" elektroner skabes kræfter, der sikrer metalbarens styrke. Undersøgelsen af strukturen af ægte metalkrystaller viser, at afhængigt af metoden til afkøling af en metalbarre kan den indeholde ufuldkommenheder: overflade, punkt og lineær. Størrelsen af sådanne defekter overstiger ikke diameteren af flere atomer, men de forvrænger krystalgitteret og påvirker diffusionsprocesser i metaller.
Crystal Growth
For en mere bekvem forståelse kan væksten af et krystallinsk stof repræsenteres som opførelsen af en murstensstruktur. Hvis en mursten af et ufærdigt murværk præsenteres som en integreret del af en krystal, så er det muligt at bestemme, hvor krystallen vil vokse. Krystallens energiegenskaber er sådan, at murstenen placeret på den første mursten vil opleve tiltrækning fra den ene side - nedefra. Når du lægger på den anden - fra to sider, og på den tredje - fra tre. I krystallisationsprocessen - overgangen fra en flydende til en fast tilstand - frigives energi (smeltevarme). For den største styrke af systemet bør dets mulige energi have en tendens til et minimum. Derfor sker væksten af krystaller lag for lag. Først vil en række af flyet blive færdiggjort, derefter hele flyet, og først derefter begynder det næste at blive bygget.
Science ofkrystaller
Krystallografiens grundlæggende lov - videnskaben om krystaller - siger, at alle vinkler mellem forskellige planer af krystalflader altid er konstante og ens. Uanset hvor forvrænget en voksende krystal er, bevarer vinklerne mellem dens flader den samme værdi, der er iboende i denne type. Uanset størrelse, form og antal, skærer overfladerne af det samme krystalplan altid i den samme forudbestemte vinkel. Loven om vinklers konstanthed blev opdaget af M. V. Lomonosov i 1669 og spillede en stor rolle i studiet af strukturen af krystaller.
Anisotropi
Det særlige ved krystaldannelsesprocessen skyldes fænomenet anisotropi - forskellige fysiske egenskaber afhængigt af vækstretningen. Enkeltkrystaller leder elektricitet, varme og lys forskelligt i forskellige retninger og har uens styrke.
Det samme kemiske grundstof med de samme atomer kan således danne forskellige krystalgitre. For eksempel kan kulstof krystallisere til diamant og til grafit. Samtidig er diamant et eksempel på den maksimale styrke blandt mineraler, og grafit forlader let sine skæl, når man skriver med blyant på papir.
Måling af vinklerne mellem overflader af mineraler er af stor praktisk betydning for at bestemme deres natur.
Grundlæggende funktioner
Efter at have lært de strukturelle træk ved krystaller, kan vi kort beskrive deres hovedegenskaber:
- Anisotropi - ujævne egenskaber i forskellige retninger.
- Ensartethed - elementærbestanddelene af krystaller, med lige stor afstand, har de samme egenskaber.
- Evnen til selvskæring - ethvert fragment af en krystal i et medium, der er egnet til dets vækst, vil antage en mangefacetteret form og vil være dækket med flader svarende til denne type krystaller. Det er denne egenskab, der gør det muligt for krystallen at bevare sin symmetri.
- Invariansen af smeltepunktet. Ødelæggelsen af et minerals rumlige gitter, det vil sige overgangen af et krystallinsk stof fra en fast til en flydende tilstand, sker altid ved samme temperatur.
Krystaller er faste stoffer, der har fået den naturlige form som et symmetrisk polyeder. Strukturen af krystaller, karakteriseret ved dannelsen af et rumligt gitter, tjente som grundlag for udviklingen i fysik af teorien om den elektroniske struktur af et fast stof. Studiet af mineralers egenskaber og struktur er af stor praktisk betydning.
