Quan mirem cristalls i gemmes, un vol entendre com podria haver aparegut aquesta misteriosa bellesa, com es creen obres tan sorprenents de la natura. Hi ha un desig d'aprendre més sobre les seves propietats. Al cap i a la fi, l'estructura especial dels cristalls, que no es repeteix en cap lloc a la natura, permet utilitzar-los a tot arreu: des de joies fins a les darreres invencions científiques i tècniques.
Estudi de minerals cristal·lins
L'estructura i les propietats dels cristalls són tan polièdriques que una ciència separada, la mineralogia, es dedica a l'estudi i estudi d'aquests fenòmens. El famós acadèmic rus Alexander Evgenievich Fersman va quedar tan absorbit i sorprès per la diversitat i infinitat del món dels cristalls que va intentar captivar el màxim de ments possibles amb aquest tema. En el seu llibre Entertaining Mineralogy, va instar amb entusiasme i calor a familiaritzar-se amb els secrets dels minerals i endinsar-se en el món de les gemmes:
Et vull moltcaptivar. Vull que comencis a interessar-te per les muntanyes i les pedreres, les mines i les mines, perquè comencis a recollir col·leccions de minerals, perquè vulguis anar amb nos altres des de la ciutat més llunyana, fins al curs del riu, on hi ha són alts bancs rocosos, fins als cims de les muntanyes o a la vora rocosa del mar, on es trenca la pedra, s'extreu sorra o explota el mineral. Allà, a tot arreu, tu i jo trobarem alguna cosa a fer: i en roques mortes, sorres i pedres, aprendrem a llegir unes grans lleis de la natura que regeixen el món sencer i segons les quals està construït el món sencer.
La física estudia els cristalls, argumentant que qualsevol cos realment sòlid és un cristall. La química investiga l'estructura molecular dels cristalls i arriba a la conclusió que qualsevol metall té una estructura cristal·lina.
L'estudi de les sorprenents propietats dels cristalls és de gran importància per al desenvolupament de la ciència, la tecnologia, la indústria de la construcció i moltes altres indústries modernes.
Lleis bàsiques dels cristalls
El primer que la gent nota quan mira un cristall és la seva forma multifacètica ideal, però no és la característica principal d'un mineral o metall.
Quan un cristall es trenca en petits fragments, no quedarà res de la forma ideal, però qualsevol fragment, com abans, seguirà sent un cristall. Una característica distintiva d'un cristall no és el seu aspecte, sinó els trets característics de la seva estructura interna.
Simètric
El primer que cal recordar i tenir en compte quan s'estudien els cristalls és el fenomensimetria. Està molt estès a la vida quotidiana. Les ales de papallona són simètriques, una empremta d'una taca en un paper plegat per la meitat. Cristalls de neu simètrics. El floc de neu hexagonal té sis plans de simetria. Si doblegueu la imatge al llarg de qualsevol línia que representi el pla de simetria del floc de neu, podeu combinar les seves dues meitats entre si.
L'eix de simetria té una propietat tal que, fent girar una figura per algun angle conegut al seu voltant, és possible combinar parts adequades de la figura entre si. Depenent de la mida d'un angle adequat pel qual s'ha de girar la figura, es determinen eixos del 2n, 3r, 4t i 6è ordre als cristalls. Així, en els flocs de neu, hi ha un únic eix de simetria de sisè ordre, que és perpendicular al pla de dibuix.
El centre de simetria és un punt del pla de la figura, a la mateixa distància de la qual en sentit contrari es troben els mateixos elements estructurals de la figura.
Què hi ha dins?
L'estructura interna dels cristalls és una mena de combinació de molècules i àtoms en un ordre propi només dels cristalls. Com coneixen l'estructura interna de les partícules si no són visibles fins i tot amb un microscopi?
Per a això s'utilitzen Raigs X. Utilitzant-los per a cristalls translúcids, el físic alemany M. Laue, el pare i el fill dels físics anglesos Bragg i el professor rus Yu. Wolf van establir les lleis segons les quals s'estudia l'estructura i l'estructura dels cristalls.
Tot va ser sorprenent i inesperat. Samoel concepte d'estructura de la molècula va resultar inaplicable a l'estat cristal·lí de la matèria.
Per exemple, una substància tan coneguda com la sal de taula té la composició química de la molècula de NaCl. Però en un cristall, els àtoms individuals de clor i sodi no sumen molècules separades, sinó que formen una determinada configuració anomenada xarxa espacial o cristal·lina. Les partícules més petites de clor i sodi estan connectades elèctricament. La xarxa cristal·lina de sal es forma de la següent manera. Un dels electrons de valència de la capa exterior de l'àtom de sodi s'introdueix a la capa exterior de l'àtom de clor, que no s'omple completament a causa de l'absència del vuitè electró a la tercera capa de clor. Així, en un cristall, cada ió tant de sodi com de clor no pertany a una molècula, sinó a tot el cristall. A causa del fet que l'àtom de clor és monovalent, només pot unir-se un electró. Però les característiques estructurals dels cristalls fan que l'àtom de clor estigui envoltat de sis àtoms de sodi i és impossible determinar quin d'ells compartirà un electró amb el clor.
Resulta que la molècula química de la sal de taula i el seu cristall no són gens la mateixa cosa. Tot el cristall simple és com una molècula gegant.
Grilla - només model
L'error s'ha d'evitar quan la xarxa espacial es pren com un model real de l'estructura cristal·lina. Gelosia: una mena d'imatge condicional d'un exemple de connexió de partícules elementals en l'estructura dels cristalls. Punts de connexió de la xarxa en forma de bolesvisualment us permeten representar àtoms i les línies que els connecten són una imatge aproximada de les forces d'unió entre ells.
En realitat, els buits entre els àtoms dins d'un cristall són molt més petits. És un empaquetament dens de les seves partícules constituents. Una bola és una designació convencional d'un àtom, l'ús de la qual permet reflectir amb èxit les propietats de l'empaquetament proper. En realitat, no hi ha un simple contacte d'àtoms, sinó la seva superposició parcial mútua entre si. En altres paraules, la imatge d'una bola a l'estructura de la xarxa cristal·lina és, per a més claredat, l'esfera representada d'aquest radi que conté la part principal dels electrons de l'àtom.
Promesa de força
Hi ha una força elèctrica d'atracció entre dos ions de càrrega oposada. És un aglutinant en l'estructura dels cristalls iònics com la sal de taula. Però si apropeu molt els ions, aleshores les seves òrbites d'electrons es superposaran i apareixeran forces repulsives de partícules de càrrega semblant. Dins del cristall, la distribució dels ions és tal que les forces repulsives i atractives estan en equilibri, proporcionant força cristal·lina. Aquesta estructura és típica dels cristalls iònics.
I a les xarxes cristal·lines del diamant i el grafit hi ha una connexió d'àtoms amb l'ajuda d'electrons comuns (col·lectius). Els àtoms molt espaiats tenen electrons comuns que giren al voltant del nucli tant d'un àtom com dels veïns.
Un estudi detallat de la teoria de forces amb aquests enllaços és bastant difícil i es troba en el camp de la mecànica quàntica.
Diferències de metall
L'estructura dels cristalls metàl·lics és més complexa. A causa del fet que els àtoms metàl·lics donen fàcilment els electrons externs disponibles, es poden moure lliurement per tot el volum del cristall, formant l'anomenat gas electrònic al seu interior. Gràcies a aquests electrons "errants", es creen forces que asseguren la força del lingot metàl·lic. L'estudi de l'estructura dels cristalls metàl·lics reals mostra que, segons el mètode de refredament d'un lingot metàl·lic, aquest pot contenir imperfeccions: superficials, puntuals i lineals. La mida d'aquests defectes no supera el diàmetre de diversos àtoms, però distorsionen la xarxa cristal·lina i afecten els processos de difusió dels metalls.
Creixement de cristalls
Per a una comprensió més còmoda, el creixement d'una substància cristal·lina es pot representar com l'erecció d'una estructura de maó. Si un maó d'una maçoneria inacabada es presenta com a part integral d'un cristall, és possible determinar on creixerà el cristall. Les propietats energètiques del cristall són tals que el maó col·locat al primer maó experimentarà atracció des d'un costat, des de baix. Quan es col·loca al segon, des de dos costats, i al tercer, des de tres. En el procés de cristal·lització, la transició d'un estat líquid a un estat sòlid, s'allibera energia (calor de fusió). Per obtenir la màxima força del sistema, la seva energia possible hauria de tendir al mínim. Per tant, el creixement dels cristalls es produeix capa per capa. Primer, es completarà una fila de l'avió, després tot l'avió i només llavors es començarà a construir la següent.
Ciència decristalls
La llei bàsica de la cristal·lografia, la ciència dels cristalls, diu que tots els angles entre els diferents plans de les cares dels cristalls són sempre constants i iguals. Per molt distorsionat que estigui un cristall en creixement, els angles entre les seves cares conserven el mateix valor inherent a aquest tipus. Independentment de la mida, la forma i el nombre, les cares del mateix pla cristal·lí sempre es tallen en el mateix angle predeterminat. La llei de la constància dels angles va ser descoberta per M. V. Lomonosov el 1669 i va tenir un paper important en l'estudi de l'estructura dels cristalls.
Anisotropia
La peculiaritat del procés de formació de cristalls es deu al fenomen d'anisotropia: diferents característiques físiques depenent de la direcció del creixement. Els cristalls simples condueixen l'electricitat, la calor i la llum de manera diferent en diferents direccions i tenen una força desigual.
Així, un mateix element químic amb els mateixos àtoms pot formar diferents xarxes cristal·lines. Per exemple, el carboni pot cristal·litzar en diamant i en grafit. Al mateix temps, el diamant és un exemple de la màxima força entre els minerals, i el grafit deixa fàcilment les seves escates quan s'escriu amb un llapis sobre paper.
Mesurar els angles entre les cares dels minerals és de gran importància pràctica per determinar-ne la naturalesa.
Funcions bàsiques
Un cop après les característiques estructurals dels cristalls, podem descriure breument les seves propietats principals:
- Anisotropia: propietats desiguals en diferents direccions.
- Uniformitat - elementalels components dels cristalls, igualment espaiats, tenen les mateixes propietats.
- La capacitat d'autotallar: qualsevol fragment d'un cristall en un medi adequat per al seu creixement tindrà una forma polièdrica i estarà cobert amb cares corresponents a aquest tipus de cristalls. Aquesta propietat és la que permet que el cristall mantingui la seva simetria.
- La invariància del punt de fusió. La destrucció de la xarxa espacial d'un mineral, és a dir, la transició d'una substància cristal·lina d'un estat sòlid a un estat líquid, es produeix sempre a la mateixa temperatura.
Els cristalls són sòlids que han pres la forma natural d'un poliedre simètric. L'estructura dels cristalls, caracteritzada per la formació d'una xarxa espacial, va servir de base per al desenvolupament en física de la teoria de l'estructura electrònica d'un sòlid. L'estudi de les propietats i l'estructura dels minerals és de gran importància pràctica.
