Pri pohľade na kryštály a drahokamy chce človek pochopiť, ako sa táto tajomná krása mohla objaviť, ako vznikajú také úžasné diela prírody. Existuje túžba dozvedieť sa viac o ich vlastnostiach. Koniec koncov, špeciálna, nikde v prírode sa neopakujúca štruktúra kryštálov umožňuje ich použitie všade: od šperkov až po najnovšie vedecké a technické vynálezy.
Štúdium kryštalických minerálov
Štruktúra a vlastnosti kryštálov sú také mnohostranné, že štúdiom a štúdiom týchto javov sa zaoberá samostatná veda, mineralógia. Slávny ruský akademik Alexander Evgenievich Fersman bol natoľko pohltený a prekvapený rozmanitosťou a nekonečnosťou sveta kryštálov, že sa snažil touto témou zaujať čo najviac myslí. Vo svojej knihe Entertaining Mineralogy nadšene a vrúcne nabádal zoznámiť sa s tajomstvami minerálov a ponoriť sa do sveta drahokamov:
Naozaj ťa chcemzaujať. Chcem, aby ste sa začali zaujímať o hory a lomy, bane a bane, aby ste začali zbierať zbierky minerálov, aby ste s nami chceli ísť z mesta ďalej, k toku rieky, kde je sú vysoké skalnaté brehy, na vrcholky hôr alebo na skalnaté pobrežie, kde sa láme kameň, ťaží sa piesok alebo exploduje ruda. Tam, všade, vy a ja nájdeme niečo, čo môžete robiť: a v mŕtvych skalách, pieskoch a kameňoch sa naučíme čítať niektoré veľké prírodné zákony, ktoré riadia celý svet a podľa ktorých je celý svet vybudovaný.
Fyzika študuje kryštály a tvrdí, že každé skutočne pevné teleso je kryštál. Chémia skúma molekulárnu štruktúru kryštálov a prichádza k záveru, že každý kov má kryštalickú štruktúru.
Štúdium úžasných vlastností kryštálov má veľký význam pre rozvoj modernej vedy, techniky, stavebníctva a mnohých ďalších odvetví.
Základné zákony kryštálov
Prvá vec, ktorú si ľudia všimnú pri pohľade na kryštál, je jeho ideálny mnohostranný tvar, no nie je to hlavný znak minerálu alebo kovu.
Keď je kryštál rozbitý na malé úlomky, nič nezostane v ideálnej forme, ale akýkoľvek úlomok, ako predtým, zostane kryštálom. Charakteristickým znakom kryštálu nie je jeho vzhľad, ale charakteristické znaky jeho vnútornej štruktúry.
Symetrický
Prvá vec, ktorú si treba zapamätať a všimnúť si pri štúdiu kryštálov, je fenoménsymetria. Je rozšírený v každodennom živote. Motýlie krídla sú symetrické, odtlačok škvrnky na papieri preloženom na polovicu. Symetrické snehové kryštály. Šesťhranná snehová vločka má šesť rovín symetrie. Ohnutím obrázku pozdĺž ľubovoľnej čiary znázorňujúcej rovinu symetrie snehovej vločky môžete spojiť jej dve polovice.
Os symetrie má takú vlastnosť, že otočením figúry o nejaký známy uhol okolo nej je možné navzájom kombinovať vhodné časti figúry. Podľa veľkosti vhodného uhla, o ktorý je potrebné postavu pootočiť, sa v kryštáloch určujú osi 2., 3., 4. a 6. rádu. V snehových vločkách teda existuje jediná os symetrie šiesteho rádu, ktorá je kolmá na rovinu kresby.
Stred symetrie je taký bod v rovine obrázku, v rovnakej vzdialenosti od ktorého sú v opačnom smere rovnaké konštrukčné prvky obrázku.
Čo je vnútri?
Vnútorná štruktúra kryštálov je akousi kombináciou molekúl a atómov v poradí typickom iba pre kryštály. Ako poznajú vnútornú štruktúru častíc, ak nie sú viditeľné ani mikroskopom?
Na to sa používa röntgen. Nemecký fyzik M. Laue, anglickí fyzici otec a syn Braggovci a ruský profesor Yu. Wolf pomocou nich na priesvitné kryštály stanovili zákony, podľa ktorých sa študuje štruktúra a štruktúra kryštálov.
Všetko bolo prekvapujúce a neočakávané. SamoKoncept štruktúry molekuly sa ukázal byť neaplikovateľný na kryštalický stav hmoty.
Napríklad taká známa látka ako kuchynská soľ má chemické zloženie ako molekula NaCl. Ale v kryštáli sa jednotlivé atómy chlóru a sodíka nesčítavajú do oddelených molekúl, ale vytvárajú určitú konfiguráciu nazývanú priestorová alebo kryštálová mriežka. Najmenšie častice chlóru a sodíka sú elektricky viazané. Kryštalická mriežka soli sa vytvorí nasledovne. Jeden z valenčných elektrónov vonkajšieho obalu atómu sodíka je zavedený do vonkajšieho obalu atómu chlóru, ktorý nie je úplne naplnený v dôsledku absencie ôsmeho elektrónu v treťom obale chlóru. V kryštáli teda každý ión sodíka aj chlóru nepatrí do jednej molekuly, ale do celého kryštálu. Vzhľadom na to, že atóm chlóru je monovalentný, môže k sebe pripojiť iba jeden elektrón. Štrukturálne vlastnosti kryštálov však vedú k tomu, že atóm chlóru je obklopený šiestimi atómami sodíka a nie je možné určiť, ktorý z nich bude zdieľať elektrón s chlórom.
Ukazuje sa, že chemická molekula kuchynskej soli a jej kryštál nie sú vôbec to isté. Celý monokryštál je ako jedna obrovská molekula.
Mreža – iba model
Chybe by sa malo predísť, keď sa priestorová mriežka berie ako skutočný model kryštálovej štruktúry. Mriežka - druh podmieneného obrazu príkladu spojenia elementárnych častíc v štruktúre kryštálov. Spojovacie body mriežky vo forme guľôčokvizuálne vám umožňujú zobraziť atómy a čiary, ktoré ich spájajú, sú približným obrazom väzbových síl medzi nimi.
V skutočnosti sú medzery medzi atómami vo vnútri kryštálu oveľa menšie. Je to hustá vrstva častíc, z ktorých pozostáva. Guľa je konvenčné označenie atómu, ktorého použitie umožňuje úspešne odrážať vlastnosti tesného balenia. V skutočnosti nejde o jednoduchý kontakt atómov, ale o ich vzájomné čiastočné prekrývanie sa navzájom. Inými slovami, obrazom gule v štruktúre kryštálovej mriežky je pre názornosť zobrazená guľa s takým polomerom, ktorá obsahuje hlavnú časť elektrónov atómu.
Sľub sily
Medzi dvoma opačne nabitými iónmi je elektrická príťažlivá sila. Je to spojivo v štruktúre iónových kryštálov, ako je kuchynská soľ. Ak však ióny priblížite veľmi blízko, ich dráhy elektrónov sa navzájom prekryjú a objavia sa odpudivé sily podobne nabitých častíc. Vo vnútri kryštálu je distribúcia iónov taká, že odpudivé a príťažlivé sily sú v rovnováhe a poskytujú kryštalickú silu. Táto štruktúra je typická pre iónové kryštály.
A v kryštálových mriežkach diamantu a grafitu dochádza k spojeniu atómov pomocou spoločných (kolektívnych) elektrónov. Blízko rozmiestnené atómy majú spoločné elektróny, ktoré sa točia okolo jadra jedného aj susedných atómov.
Podrobné štúdium teórie síl s takýmito väzbami je dosť ťažké a leží v oblasti kvantovej mechaniky.
Kovové rozdiely
Štruktúra kovových kryštálov je zložitejšia. Vďaka tomu, že atómy kovu ľahko darujú dostupné externé elektróny, môžu sa voľne pohybovať po celom objeme kryštálu a vytvárať v ňom takzvaný elektrónový plyn. Vďaka takýmto „túlavým“elektrónom vznikajú sily, ktoré zabezpečujú pevnosť kovového ingotu. Štúdium štruktúry kryštálov skutočného kovu ukazuje, že v závislosti od spôsobu chladenia kovového ingotu môže obsahovať nedokonalosti: povrchové, bodové a lineárne. Veľkosť takýchto defektov nepresahuje priemer niekoľkých atómov, ale deformujú kryštálovú mriežku a ovplyvňujú difúzne procesy v kovoch.
Rast kryštálov
Pre pohodlnejšie pochopenie možno rast kryštalickej látky znázorniť ako stavbu tehlovej konštrukcie. Ak je jedna tehla nedokončeného muriva prezentovaná ako integrálna súčasť kryštálu, potom je možné určiť, kde bude kryštál rásť. Energetické vlastnosti kryštálu sú také, že tehla umiestnená na prvej tehle zažije príťažlivosť z jednej strany – zospodu. Pri položení na druhú - z dvoch strán a na tretiu - z troch. V procese kryštalizácie – prechodu z kvapalného do tuhého skupenstva – sa uvoľňuje energia (teplo topenia). Pre čo najväčšiu pevnosť systému by jeho možná energia mala smerovať k minimu. Preto rast kryštálov prebieha vrstvu po vrstve. Najprv sa dokončí rad lietadla, potom celé lietadlo a až potom sa začne stavať ďalšie.
Vedakryštály
Základný zákon kryštalografie – veda o kryštáloch – hovorí, že všetky uhly medzi rôznymi rovinami plôch kryštálov sú vždy konštantné a rovnaké. Bez ohľadu na to, ako deformovaný je rastúci kryštál, uhly medzi jeho plochami si zachovávajú rovnakú hodnotu, ktorá je vlastná tomuto typu. Bez ohľadu na veľkosť, tvar a počet sa plochy tej istej kryštálovej roviny vždy pretínajú pod rovnakým vopred určeným uhlom. Zákon stálosti uhlov objavil M. V. Lomonosov v roku 1669 a zohral významnú úlohu pri štúdiu štruktúry kryštálov.
Anizotropia
Zvláštnosť procesu tvorby kryštálov je spôsobená fenoménom anizotropie – rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami v závislosti od smeru rastu. Monokryštály vedú elektrinu, teplo a svetlo odlišne v rôznych smeroch a majú nerovnakú silu.
Ten istý chemický prvok s rovnakými atómami teda môže vytvárať rôzne kryštálové mriežky. Napríklad uhlík môže kryštalizovať na diamant a na grafit. Diamant je zároveň príkladom maximálnej sily medzi minerálmi a grafit ľahko opúšťa šupiny pri písaní ceruzkou na papier.
Meranie uhlov medzi stenami minerálov má veľký praktický význam pre určenie ich povahy.
Základné funkcie
Keď sme sa naučili štrukturálne vlastnosti kryštálov, môžeme stručne opísať ich hlavné vlastnosti:
- Anizotropia – nerovnomerné vlastnosti v rôznych smeroch.
- Jednotnosť – elementárnazložky kryštálov, ktoré sú rovnako vzdialené, majú rovnaké vlastnosti.
- Schopnosť samorezu - akýkoľvek fragment kryštálu v médiu vhodnom na jeho rast nadobudne mnohostranný tvar a bude pokrytý plochami zodpovedajúcimi tomuto typu kryštálov. Práve táto vlastnosť umožňuje kryštálu zachovať si symetriu.
- Nemennosť teploty topenia. Deštrukcia priestorovej mriežky minerálu, teda prechod kryštalickej látky z tuhého do kvapalného skupenstva, prebieha vždy pri rovnakej teplote.
Kryštály sú pevné látky, ktoré nadobudli prirodzený tvar symetrického mnohostenu. Štruktúra kryštálov, charakterizovaná tvorbou priestorovej mriežky, slúžila ako základ pre rozvoj teórie elektrónovej štruktúry pevnej látky vo fyzike. Štúdium vlastností a štruktúry minerálov má veľký praktický význam.
