Wanneer jy na kristalle en edelstene kyk, wil 'n mens verstaan hoe hierdie geheimsinnige skoonheid kon verskyn het, hoe sulke wonderlike natuurwerke geskep word. Daar is 'n begeerte om meer oor hul eiendomme te leer. Die spesiale, nêrens in die natuur herhalende struktuur van kristalle laat hulle immers oral gebruik word nie: van juweliersware tot die nuutste wetenskaplike en tegniese uitvindings.
Bestudering van kristallyne minerale
Die struktuur en eienskappe van kristalle is so veelvlakkig dat 'n aparte wetenskap, mineralogie, besig is met die studie en studie van hierdie verskynsels. Die beroemde Russiese akademikus Alexander Evgenievich Fersman was so geabsorbeer en verras deur die diversiteit en oneindigheid van die wêreld van kristalle dat hy probeer het om soveel as moontlik gedagtes met hierdie onderwerp te boei. In sy boek Entertaining Mineralogy het hy entoesiasties en hartlik aangemoedig om kennis te maak met die geheime van minerale en in die wêreld van edelstene te duik:
Ek wil jou regtig hêboei. Ek wil hê jy moet begin belangstel in berge en steengroewe, myne en myne, sodat jy versamelings van minerale begin versamel, sodat jy saam met ons wil gaan van die stad verder weg, na die loop van die rivier, waar daar is hoë rotsoewers, tot op die toppe van berge of na die rotsagtige seestrand, waar klip gebreek word, sand ontgin word of erts ontplof. Daar, oral sal ek en jy iets kry om te doen: en in dooie rotse, sand en klippe sal ons 'n paar groot natuurwette leer lees wat die hele wêreld beheer en waarvolgens die hele wêreld gebou is.
Fisika bestudeer kristalle, met die argument dat enige werklik soliede liggaam 'n kristal is. Chemie ondersoek die molekulêre struktuur van kristalle en kom tot die gevolgtrekking dat enige metaal 'n kristallyne struktuur het.
Die studie van die wonderlike eienskappe van kristalle is van groot belang vir die ontwikkeling van moderne wetenskap, tegnologie, die konstruksiebedryf en baie ander nywerhede.
Basiese wette van kristalle
Die eerste ding wat mense oplet wanneer hulle na 'n kristal kyk, is die ideale veelvlakkige vorm daarvan, maar dit is nie die hoofkenmerk van 'n mineraal of metaal nie.
Wanneer 'n kristal in klein fragmente gebreek word, sal niks van die ideale vorm oorbly nie, maar enige fragment, soos voorheen, sal 'n kristal bly. 'n Kenmerkende kenmerk van 'n kristal is nie sy voorkoms nie, maar die kenmerkende kenmerke van sy interne struktuur.
Simmetries
Die eerste ding om te onthou en op te let wanneer kristalle bestudeer word, is die verskynselsimmetrie. Dit is wydverspreid in die alledaagse lewe. Skoenlappervlerke is simmetries, 'n afdruk van 'n klad op 'n stuk papier wat in die helfte gevou is. Simmetriese sneeukristalle. Die seskantige sneeuvlok het ses vlakke van simmetrie. Deur die prentjie langs enige lyn te buig wat die vlak van simmetrie van die sneeuvlok uitbeeld, kan jy sy twee helftes met mekaar kombineer.
Die simmetrie-as het so 'n eienskap dat dit moontlik is om geskikte dele van die figuur met mekaar te kombineer deur 'n figuur teen 'n bekende hoek om dit te draai. Afhangende van die grootte van 'n geskikte hoek waarmee die figuur geroteer moet word, word asse van die 2de, 3de, 4de en 6de orde in die kristalle bepaal. Dus, in sneeuvlokkies is daar 'n enkele simmetrie-as van die sesde orde, wat loodreg op die tekenvlak is.
Die middelpunt van simmetrie is so 'n punt in die vlak van die figuur, op dieselfde afstand waarvandaan in die teenoorgestelde rigting dieselfde strukturele elemente van die figuur is.
Wat is binne?
Die interne struktuur van kristalle is 'n soort kombinasie van molekules en atome in 'n volgorde wat net eie is aan kristalle. Hoe ken hulle die interne struktuur van deeltjies as hulle nie eens met 'n mikroskoop sigbaar is nie?
X-strale word hiervoor gebruik. Deur hulle tot deurskynende kristalle te gebruik, het die Duitse fisikus M. Laue, die Engelse fisici pa en seun Bragg, en die Russiese professor Yu. Wolf die wette daargestel waarvolgens die struktuur en struktuur van kristalle bestudeer word.
Alles was verrassend en onverwags. Samodie konsep van die struktuur van die molekule blyk nie van toepassing te wees op die kristallyne toestand van materie nie.
So 'n bekende stof soos tafelsout het byvoorbeeld die chemiese samestelling van die NaCl-molekule. Maar in 'n kristal voeg individuele atome van chloor en natrium nie by tot aparte molekules nie, maar vorm 'n sekere konfigurasie wat 'n ruimtelike of kristalrooster genoem word. Die kleinste deeltjies chloor en natrium is elektries gebind. Die kristalrooster van sout word soos volg gevorm. Een van die valenselektrone van die buitenste dop van die natriumatoom word in die buitenste dop van die chlooratoom ingebring, wat nie heeltemal gevul is nie as gevolg van die afwesigheid van die agtste elektron in die derde dop van chlooratoom. Dus, in 'n kristal, behoort elke ioon van beide natrium en chloor nie aan een molekule nie, maar aan die hele kristal. As gevolg van die feit dat die chlooratoom eenwaardig is, kan dit slegs een elektron aan homself heg. Maar die strukturele kenmerke van die kristalle lei daartoe dat die chlooratoom deur ses natriumatome omring word, en dit is onmoontlik om te bepaal watter van hulle 'n elektron met chloor sal deel.
Dit blyk dat die chemiese molekule van tafelsout en sy kristal glad nie dieselfde is nie. Die hele enkele kristal is soos een reusagtige molekule.
Grille - slegs model
Die fout moet vermy word wanneer die ruimtelike rooster as 'n werklike model van die kristalstruktuur geneem word. Rooster - 'n soort voorwaardelike beeld van 'n voorbeeld van die verbinding van elementêre deeltjies in die struktuur van kristalle. Roosterverbindingspunte in die vorm van ballevisueel laat jou toe om atome uit te beeld, en die lyne wat hulle verbind is 'n benaderde beeld van die bindingskragte tussen hulle.
In werklikheid is die gapings tussen atome binne 'n kristal baie kleiner. Dit is 'n digte pakking van sy samestellende deeltjies. 'n Bal is 'n konvensionele benaming van 'n atoom, waarvan die gebruik dit moontlik maak om die eienskappe van digte pakking suksesvol te weerspieël. In werklikheid is daar nie 'n eenvoudige kontak van atome nie, maar hul onderlinge gedeeltelike oorvleueling met mekaar. Met ander woorde, die beeld van 'n bal in die struktuur van die kristalrooster is, vir duidelikheid, die uitgebeelde sfeer van so 'n radius wat die hoofdeel van die elektrone van die atoom bevat.
Belofte van krag
Daar is 'n elektriese aantrekkingskrag tussen twee teenoorgestelde gelaaide ione. Dit is 'n bindmiddel in die struktuur van ioniese kristalle soos tafelsout. Maar as jy die ione baie naby bring, sal hul elektronbane mekaar oorvleuel, en afstootkragte van soortgelyke gelaaide deeltjies sal verskyn. Binne die kristal is die verspreiding van ione so dat die afstoot- en aantrekkingskragte in balans is, wat kristalsterkte verskaf. Hierdie struktuur is tipies vir ioniese kristalle.
En in die kristalroosters van diamant en grafiet is daar 'n verbinding van atome met behulp van algemene (kollektiewe) elektrone. Atome wat dig spasieer het, het gemeenskaplike elektrone wat om die kern van beide een en naburige atome wentel.
'n Gedetailleerde studie van die teorie van kragte met sulke bindings is redelik moeilik en lê in die veld van kwantummeganika.
metaalverskille
Die struktuur van metaalkristalle is meer kompleks. As gevolg van die feit dat metaalatome maklik die beskikbare eksterne elektrone skenk, kan hulle vrylik deur die hele volume van die kristal beweeg en die sogenaamde elektrongas daarin vorm. Danksy sulke "dwalende" elektrone word kragte geskep wat die sterkte van die metaalstaaf verseker. Die studie van die struktuur van egte metaalkristalle toon dat, afhangende van die metode om 'n metaalstaaf af te koel, dit onvolmaakthede kan bevat: oppervlak, punt en lineêr. Die grootte van sulke defekte oorskry nie die deursnee van verskeie atome nie, maar hulle verwring die kristalrooster en beïnvloed diffusieprosesse in metale.
Crystal Growth
Vir 'n geriefliker begrip kan die groei van 'n kristallyne stof voorgestel word as die oprigting van 'n baksteenstruktuur. As een baksteen van 'n onvoltooide messelwerk as 'n integrale deel van 'n kristal aangebied word, is dit moontlik om te bepaal waar die kristal sal groei. Die energie-eienskappe van die kristal is sodanig dat die baksteen wat op die eerste baksteen geplaas is, aantrekkingskrag van die een kant sal ervaar – van onder af. As jy op die tweede lê - van twee kante, en aan die derde - van drie. In die proses van kristallisasie - die oorgang van 'n vloeistof na 'n vaste toestand - word energie (smeltwarmte) vrygestel. Vir die grootste sterkte van die stelsel moet sy moontlike energie tot 'n minimum neig. Daarom vind die groei van kristalle laag vir laag plaas. Eers sal 'n ry van die vliegtuig voltooi word, dan die hele vliegtuig, en eers dan sal die volgende een begin gebou word.
Wetenskap vankristalle
Die basiese wet van kristallografie - die wetenskap van kristalle - sê dat alle hoeke tussen verskillende vlakke van kristalvlakke altyd konstant en dieselfde is. Maak nie saak hoe verwronge 'n groeiende kristal is nie, die hoeke tussen sy vlakke behou dieselfde waarde wat inherent aan hierdie tipe is. Ongeag die grootte, vorm en getal, die vlakke van dieselfde kristalvlak sny altyd teen dieselfde voorafbepaalde hoek. Die wet van konstantheid van hoeke is ontdek deur M. V. Lomonosov in 1669 en het 'n groot rol gespeel in die studie van die struktuur van kristalle.
Anisotropie
Die eienaardigheid van die proses van kristalvorming is te wyte aan die verskynsel van anisotropie – verskillende fisiese eienskappe na gelang van die groeirigting. Enkelkristalle gelei elektrisiteit, hitte en lig verskillend in verskillende rigtings en het ongelyke sterkte.
Dus, dieselfde chemiese element met dieselfde atome kan verskillende kristalroosters vorm. Koolstof kan byvoorbeeld in diamant en in grafiet kristalliseer. Terselfdertyd is diamant 'n voorbeeld van die maksimum sterkte onder minerale, en grafiet verlaat maklik sy skubbe wanneer jy met 'n potlood op papier skryf.
Die meting van die hoeke tussen die vlakke van minerale is van groot praktiese belang om die aard daarvan te bepaal.
Basiese kenmerke
Nadat ons die strukturele kenmerke van kristalle geleer het, kan ons hul hoofeienskappe kortliks beskryf:
- Anisotropie - ongelyke eienskappe in verskillende rigtings.
- Eenvormigheid - elementêrdie bestanddele van kristalle, ewe gespasieer, het dieselfde eienskappe.
- Die vermoë om self te sny - enige fragment van 'n kristal in 'n medium wat geskik is vir sy groei sal 'n veelvlakkige vorm aanneem en sal bedek wees met vlakke wat ooreenstem met hierdie tipe kristalle. Dit is hierdie eienskap wat die kristal toelaat om sy simmetrie te behou.
- Die invariansie van die smeltpunt. Die vernietiging van die ruimtelike rooster van 'n mineraal, dit wil sê die oorgang van 'n kristallyne stof van 'n vaste stof na 'n vloeibare toestand, vind altyd by dieselfde temperatuur plaas.
Kristalle is vaste stowwe wat die natuurlike vorm van 'n simmetriese veelvlak aangeneem het. Die struktuur van kristalle, gekenmerk deur die vorming van 'n ruimtelike rooster, het gedien as die basis vir die ontwikkeling in fisika van die teorie van die elektroniese struktuur van 'n vaste stof. Die studie van die eienskappe en struktuur van minerale is van groot praktiese belang.
