Специални физични свойства на кристалите. кристали

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Добра работакъм сайта">

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

Хоствано на http://www.allbest.ru/

Общкристални свойства

Въведение

Кристалите са твърди тела, които имат естествения вид на правилни симетрични полиедри въз основа на техните вътрешна структура, тоест върху едно от няколкото определени правилни подреждания на частиците, които изграждат материята.

Физиката на твърдото тяло се основава на идеята за кристалността на материята. Всички теории за физичните свойства на кристалните твърди тела се основават на концепцията за перфектната периодичност на кристалните решетки. Използвайки тази идея и твърденията за симетрията и анизотропията на кристалите, които следват от нея, физиците са разработили теория за електронната структура на твърдите тела. Тази теория дава възможност да се даде строга класификация на твърдите тела, определяйки техния тип и макроскопични свойства. Въпреки това, той позволява да се класифицират само известни, изследвани вещества и не позволява предварително да се определи съставът и структурата на нови. сложни вещества, което би имало даден набор от свойства. Тази последна задача е особено важна за практиката, тъй като нейното решение би позволило създаването на материали по поръчка за всеки конкретен случай. С подходящи външни условиясвойствата на кристалните вещества се определят от техния химичен състав и вида на кристалната решетка. Изследването на зависимостта на свойствата на веществото от неговия химичен състав и кристална структура обикновено се разделя на следните отделни етапи: 1) общо изследване на кристалите и кристалното състояние на материята 2) изграждане на теорията на химичните връзки и нейните приложение за изучаване на различни класове кристални вещества 3) изследване на общите модели на промени в структурата на кристалните вещества, когато техният химичен състав се промени 4) установяването на правила, които позволяват предварително да се определи химичният състав и структурата на веществата, които имат определен набор от физични свойства.

Основенкристални свойства- анизотропия, хомогенност, способност за самоизгаряне и наличие на постоянна температура на топене.

1. Анизотропия

кристална анизотропия самоизгаряне

Анизотропия – изразява се в това, че физични свойствакристалите не са еднакви в различни посоки. Физическите величини включват параметри като якост, твърдост, топлопроводимост, скорост на разпространение на светлината и електрическа проводимост. Характерен пример за вещество с изразена анизотропия е слюдата. Кристални плочи от слюда - лесно се цепят само по равнините. В напречни посоки е много по-трудно да се разделят плочите на този минерал.

Пример за анизотропия е кристал на минерала дистен. В надлъжна посока твърдостта на дистена е 4,5, в напречна посока - 6. Минералът дистен (Al 2 O), който се отличава с рязко различна твърдост в различни посоки. По удължението дистеновите кристали лесно се надраскват с острието на ножа, в посока, перпендикулярна на удължението, ножът не оставя следи.

Ориз. 1 Disthene Crystal

Минерал кордиерит (Mg 2 Al 3). Минерал, алумосиликат на магнезий и желязо. Кристалът кордиерит изглежда различно оцветен в три различни посоки. Ако от такъв кристал се изреже куб с лица, тогава може да се забележи следното. Перпендикулярно на тези посоки, след това по диагонала на куба (отгоре нагоре се наблюдава сиво-син цвят, във вертикална посока - индиго-син цвят, а в посока напречно на куба - жълт.

Ориз. 2 Куб, издълбан от кордиерит.

Кристал от готварска сол, който има формата на куб. От такъв кристал могат да се режат пръчки в различни посоки. Три от тях са перпендикулярни на лицата на куба, успоредни на диагонала

Всеки от примерите е изключителен по своята специфика. Но чрез прецизни изследвания учените са стигнали до извода, че всички кристали са анизотропни по един или друг начин. Също така, твърдите аморфни образувания могат да бъдат хомогенни и дори анизотропни (анизотропия например може да се наблюдава при разтягане или притискане на стъкло), но аморфните тела не могат сами по себе си да приемат полиедрична форма при никакви условия.

Ориз. 3 Откриване на анизотропия на топлопроводимост върху кварц (а) и нейното отсъствие върху стъкло (б)

Като пример (фиг. 1) за анизотропните свойства на кристалните вещества трябва да споменем преди всичко механичната анизотропия, която се състои в следното. всичко кристални веществате не се разделят еднакво в различни посоки (слюда, гипс, графит и др.). Аморфните вещества пък се разделят по един и същи начин във всички посоки, тъй като аморфизмът се характеризира с изотропност (еквивалентност) – физичните свойства във всички посоки се проявяват еднакво.

Анизотропията на топлопроводимостта е лесна за наблюдение в следното прост опит. Нанесете слой цветен восък върху лицето на кварцов кристал и донесете игла, нагрята на спиртна лампа, към центъра на лицето. Полученият разтопен кръг от восък около иглата ще приеме формата на елипса върху лицето на призмата или формата на неправилен триъгълник върху една от страните на кристалната глава. Върху изотропно вещество, например стъкло, формата на разтопения восък винаги ще бъде правилен кръг.

Анизотропията се проявява и във факта, че когато разтворителят взаимодейства с кристал, скоростта на химичните реакции е различна в различни посоки. В резултат на това всеки кристал, когато се разтвори, в крайна сметка придобива характерните си форми.

В крайна сметка причината за анизотропията на кристалите е, че при подредено разположение на йони, молекули или атоми, силите на взаимодействие между тях и междуатомните разстояния (както и някои величини, които не са пряко свързани с тях, например електрическа проводимост или поляризуемост ) се оказват неравни в различни посоки. Причината за анизотропията на молекулярния кристал може да бъде и асиметрията на неговите молекули, бих искал да отбележа, че всички аминокиселини, с изключение на най-простия - глицин, са асиметрични.

Всяка частица от кристал има строго определен химичен състав. Това свойство на кристалните вещества се използва за получаване на химически чисти вещества. Например при замразяване морска водастава свеж и годен за пиене. Сега познайте дали морският лед е свеж или солен?

2. Еднородност

Хомогенност - изразява се в това, че всички елементарни обеми на кристално вещество, еднакво ориентирани в пространството, са абсолютно еднакви във всички свои свойства: имат еднакъв цвят, маса, твърдост и др. по този начин всеки кристал е хомогенно, но в същото време и анизотропно тяло. За хомогенно се счита тяло, в което на крайни разстояния от всяка негова точка има други, еквивалентни на него не само физически, но и геометрично. С други думи, те са в същата среда като оригиналните, тъй като разположението на материалните частици в кристалното пространство се „контролира“ от пространствената решетка, можем да предположим, че лицето на кристала е материализирана плоска възлова решетка, а ръбът е материализиран нодален ред. По правило добре развитите кристални повърхности се определят от възлови мрежи с най-висока плътност на възлите. Точката, където три или повече лица се събират, се нарича връх на кристала.

Хомогенността е присъща не само на кристалните тела. Твърдите аморфни образувания също могат да бъдат хомогенни. Но аморфните тела не могат сами по себе си да приемат многостенна форма.

В ход са разработки, които могат да увеличат коефициента на хомогенност на кристалите.

Това изобретение е патентовано от нашите руски учени. Изобретението се отнася до захарната промишленост, по-специално до производството на утфлейк. Изобретението осигурява повишаване на коефициента на хомогенност на кристалите в масекуита и също така допринася за увеличаване на скоростта на растеж на кристалите в крайния етап на растеж поради постепенно увеличаване на коефициента на пренасищане.

недостатъци познат начинса ниският коефициент на хомогенност на кристалите в масекуита масекуит на първата кристализация, значителната продължителност на получаване на масекуита.

Техническият резултат от изобретението е да се повиши коефициентът на хомогенност на кристалите в утфейла от първата кристализация и интензификацията на процеса на получаване на утфейла.

3. Способност за самоограничение

Способността за саморазрязване се изразява в това, че всеки фрагмент или топче, издълбано от кристал в среда, подходяща за растежа му, се покрива с течение на времето с лица, характерни за даден кристал. Тази характеристика е свързана с кристалната структура. Стъклената топка например няма такава функция.

Механичните свойства на кристалите включват свойства, свързани с такива механични ефекти върху тях като удар, компресия, напрежение и др. - (разцепване, пластична деформация, счупване, твърдост, крехкост).

Способността за самоизрязване, т.е. при определени условия приемат естествена многостранна форма. Това показва и неговата правилна вътрешна структура. Именно това свойство отличава кристалното вещество от аморфното. Един пример илюстрира това. Две топки, издълбани от кварц и стъкло, се спускат в разтвор на силициев диоксид. В резултат на това кварцовата топка ще бъде покрита с фасети, а стъклената ще остане кръгла.

Кристалите от същия минерал могат да имат различна форма, размер и брой лица, но ъглите между съответните лица винаги ще бъдат постоянни (фиг. 4 a-d) - това е законът за постоянство на фасетните ъгли в кристалите. В този случай размерът и формата на лицата в различни кристали на едно и също вещество, разстоянието между тях и дори техният брой могат да варират, но ъглите между съответните лица във всички кристали на едно и също вещество остават постоянни при едни и същи условия на налягане и температура. Ъглите между лицата на кристалите се измерват с гониометър (гониометър). Законът за постоянството на фасетните ъгли се обяснява с факта, че всички кристали на едно вещество са еднакви по своята вътрешна структура, т.е. имат същата структура.

Според този закон кристалите на дадено вещество се характеризират със своите специфични ъгли. Следователно чрез измерване на ъглите е възможно да се докаже принадлежността на изследвания кристал към едно или друго вещество.

Идеално оформените кристали показват симетрия, която е изключително рядка при естествените кристали поради напредналия растеж на лицата (фиг. 4e).

Ориз. 4 законът за постоянството на фасетните ъгли в кристалите (a-d) и растежа на водещите повърхности 1,3 и 5 на кристал, растящ върху стената на кухината (e)

Цепимостта е свойство на кристалите, при които да се цепят или цепят по определени кристалографски посоки, в резултат на което се образуват дори гладки равнини, наречени равнини на цепителност.

Равнините на разцепване са ориентирани успоредно на действителните или възможни кристални повърхности. Това свойство изцяло зависи от вътрешната структура на минералите и се проявява в онези посоки, в които адхезионните сили между материалните частици на кристалните решетки са най-малки.

В зависимост от степента на съвършенство могат да се разграничат няколко вида разцепване:

Много перфектен - минералът лесно се разцепва на отделни тънки пластини или листа, много трудно се разцепва в другата посока (слюда, гипс, талк, хлорит).

Ориз. 5 Хлорит (Mg, Fe) 3 (Si, Al) 4 O 10 (OH) 2 (Mg, Fe) 3 (OH) 6)

Перфектен - минералът сравнително лесно се разцепва главно по равнините на разцепване, а начупените парчета често приличат на отделни кристали (калцит, галенит, халит, флуорит).

Ориз. 6 Калцит

Среден - при разцепване се образуват както равнини на разцепване, така и неравномерни фрактури в произволни посоки (пироксени, фелдшпати).

Ориз. 7 Фелдшпат ((K, Na, Ca, понякога Ba) (Al 2 Si 2 или AlSi 3) O 8))

Несъвършени - минералите се разделят в произволни посоки с образуването на неравни повърхности на счупване, отделните равнини на разцепване се откриват трудно (самородна сяра, пирит, апатит, оливин).

Ориз. 8 апатитни кристали (Ca 5 3 (F, Cl, OH))

При някои минерали, когато се разделят, се образуват само неравни повърхности, в този случай те говорят за много несъвършено разцепване или липсата му (кварц).

Ориз. 9 Кварц (SiO 2)

Разцепването може да се прояви в една, две, три, рядко повече посоки. За по-подробно описание е посочена посоката, в която минава разцепването, например по ромбоедъра - при калцит, по куба - при халит и галенит, по протежение на октаедъра - при флуорит.

Плоските на разцепване трябва да се разграничават от кристалните лица: Равнината, като правило, има по-силен блясък, образува поредица от равнини, успоредни една на друга и за разлика от кристалните лица, върху които не можем да наблюдаваме засенчване.

По този начин разцепването може да бъде проследено по една (слюда), две (фелдшпат), три (калцит, халит), четири (флуорит) и шест (сфалерит) посоки. Степента на съвършенство на разцепване зависи от структурата на кристалната решетка на всеки минерал, тъй като разкъсването по някои равнини (плоски решетки) на тази решетка поради по-слаби връзки се случва много по-лесно, отколкото в други посоки. При еднакви сили на сцепление между кристалните частици няма разцепване (кварц).

Счупване - способността на минералите да се разделят не по равнините на разцепване, а по сложна неравна повърхност

Разделяне - свойството на някои минерали да се разделят с образуването на успоредни, макар и най-често не съвсем равномерни равнини, не поради структурата на кристалната решетка, което понякога се бърка с разцепване. За разлика от цепителността, отделимостта е свойство само на отделни екземпляри от даден минерал, а не минерален типв общи линии. Основната разлика между разделянето и разцепването е, че получените удари не могат да бъдат разделени допълнително на по-малки фрагменти с равномерни успоредни чипове.

Симетрия- най-общият модел, свързан със структурата и свойствата на кристално вещество. Това е едно от обобщаващите фундаментални понятия на физиката и естествените науки като цяло. „Симетрията е свойството на геометричните фигури да повтарят частите си, или, по-точно казано, свойството им в различни позиции да се изравняват с първоначалната позиция.“ За удобство на изследването те използват модели на кристали, които предават формите на идеални кристали. За да се опише симетрията на кристалите, е необходимо да се определят елементите на симетрия. По този начин такъв обект е симетричен, който може да се комбинира със себе си чрез определени трансформации: завъртания и (и) отражения (Фигура 10).

1. Равнината на симетрия е въображаема равнина, която разделя кристала на две равни части, като едната част е, така да се каже, огледален образ на другата. Един кристал може да има няколко равнини на симетрия. Равнината на симетрия е означена латиницаР.

2. Оста на симетрия е линия, по време на въртене около която с 360 ° кристалът повтаря първоначалната си позиция в пространството n-ти брой пъти. Означава се с буквата L. n - определя реда на оста на симетрия, който в природата може да бъде само от 2, 3, 4 и 6-ти ред, т.е. L2, L3, L4 и L6. В кристалите няма оси от пети и над шести ред, а осите от първи ред не се вземат предвид.

3. Център на симетрия - въображаема точка, разположена вътре в кристала, в която линиите се пресичат и разделят наполовина, свързвайки съответните точки от повърхността на кристала1. Центърът на симетрия се обозначава с буквата C.

Цялото разнообразие от кристални форми, срещащи се в природата, се комбинира в седем сингонии (системи): 1) кубична; 2) шестоъгълна; 3) тетрагонална (квадратна); 4) триъгълник; 5) ромбичен; 6) моноклинален и 7) триклинен.

4. Постоянна точка на топене

Топенето е преход на вещество от твърдо в течно състояние.

Изразява се в това, че при нагряване на кристално тяло температурата се повишава до определена граница; при по-нататъшно нагряване веществото започва да се топи и температурата остава постоянна за известно време, тъй като цялата топлина отива за разрушаване на кристалната решетка. Смята се, че причината за това явление е, че основната част от енергията на нагревателя, подадена към твърдото вещество, се използва за намаляване на връзките между частиците на веществото, т.е. до разрушаване на кристалната решетка. В този случай енергията на взаимодействие между частиците се увеличава. Разтопеното вещество има голям запас вътрешна енергияотколкото в твърдо състояние. Останалата част от топлината на топене се изразходва за извършване на работа за промяна на обема на тялото по време на неговото топене. Температурата, при която започва топенето, се нарича точка на топене.

По време на топенето обемът на повечето кристални тела се увеличава (с 3-6%) и намалява по време на втвърдяването. Но има вещества, в които при топене обемът намалява, а при втвърдяване се увеличава.

Те включват например вода и чугун, силиций и някои други. Ето защо ледът плува на повърхността на водата, а твърдият чугун - в собствената си стопилка.

Аморфните вещества, за разлика от кристалните, нямат ясно определена точка на топене (кехлибар, смола, стъкло).

Ориз. 12 Амбър

Количеството топлина, необходимо за стопяване на вещество, е равно на продукта специфична топлинатопене до маса дадено вещество.

Специфичната топлина на топене показва колко топлина е необходима за пълна трансформация 1 kg вещество от твърдо състояние в течност, взето при скорост на топене.

Единицата за специфична топлина на топене в SI е 1J/kg.

По време на процеса на топене температурата на кристала остава постоянна. Тази температура се нарича точка на топене. Всяко вещество има своя точка на топене.

Точката на топене на дадено вещество зависи от атмосферното налягане.

В кристалните тела в точката на топене може да се наблюдава веществото едновременно в твърдо и течно състояние. На кривите на охлаждане (или нагряване) на кристални и аморфни вещества може да се види, че в първия случай има две резки завои, съответстващи на началото и края на кристализацията; в случай на охлаждане на аморфно вещество имаме гладка крива. На тази основа е лесно да се разграничат кристалните от аморфните вещества.

Библиография

1. Наръчник на химика 21 "ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКО ИНЖЕНЕРСТВО" стр. 10 (http://chem21.info/info/1737099/)

2. Справочник по геология (http://www.geolib.net/crystallography/vazhneyshie-svoystva-kristallov.html)

3. UrFU, кръстен на първия президент на Русия B.N. Елцин”, раздел Геометрична кристалография (http://media.ls.urfu.ru/154/489/1317/)

4. Глава 1. Кристалография с основите на кристалохимията и минералогията (http://kafgeo.igpu.ru/web-text-books/geology/r1-1.htm)

5. Заявление: 2008147470/13, 01.12.2008 г.; IPC C13F1/02 (2006.01) C13F1/00 (2006.01). Притежател(и) на патент(и): Държавно висше учебно заведение професионално образованиеВоронежска държавна технологична академия (RU) (http://bd.patent.su/2371000-2371999/pat/servl/servlet939d.html)

6. Държава Тула Педагогически университеткръстен на L.N. Толстой Катедра по екология Golynskaya F.A. „Концепцията за минералите като кристални вещества“ (http://tsput.ru/res/geogr/geology/lec2.html)

7. Компютърна дисциплина "Обща геология" Курс лекции. Лекция 3 D0% B8% D0% B8/%D0% BB % D0% B5% D0% BA % D1% 86% D0% B8% D1% 8F_3.htm)

8. Час по физика (http://class-fizika.narod.ru/8_11.htm)

Подобни документи

Кристални и аморфни състояния на твърди тела, причини за точкови и линейни дефекти. Произход и растеж на кристалите. изкуствено получаване скъпоценни камъни, твърди разтвори и течни кристали. Оптични свойства на холестеричните течни кристали.

резюме, добавено на 26.04.2010 г


Течните кристали като фазово състояние, в което преминават някои вещества при определени условия, техните основни физични свойства и фактори, които ги влияят. История на изследването, видове, използване на течни кристали в производството на монитори.

тест, добавен на 12/06/2013


Характеристики и свойства на течнокристалното състояние на материята. Структура на смектични течни кристали, свойства на техните модификации. Фероелектрични характеристики. Изследване на хеликоидната структура на смектик С* чрез молекулярна динамика.

резюме, добавено на 18.12.2013 г


Историята на развитието на концепцията за течните кристали. Течни кристали, техните видове и основни свойства. Оптична активност на течните кристали и техните структурни свойства. Ефект на Фридерикс. Физическият принцип на работа на устройствата на LCD. Оптичен микрофон.

урок, добавен на 14.12.2010 г


Разглеждане на историята на откриването и областите на приложение на течните кристали; класификацията им на смектични, нематични и холестерични. Изследване на оптични, диамагнитни, диелектрични и акустооптични свойства на течнокристални вещества.

курсова работа, добавена на 18.06.2012 г


Определение на течните кристали, тяхната същност, история на откриване, свойства, характеристики, класификация и насоки на използване. Характеристика на класове термотропни течни кристали. Транслационни степени на свобода на колонни фази или "течни нишки".

резюме, добавено на 28.12.2009 г


Кристалите са истински твърди тела. Термодинамика на точковите дефекти в кристалите, тяхната миграция, източници и поглътители. Изследване на дислокация, линеен дефект в кристалната структура на твърдите тела. Двумерни и тримерни дефекти. аморфни твърди вещества.

доклад, добавен на 01/07/2015


презентация, добавена на 29.09.2013 г


Концепцията и основните характеристики на кондензираното състояние на материята, характерни процеси. Кристални и аморфни тела. Същността и характеристиките на анизотропията на кристалите. Отличителни чертиполикристали и полимери. Топлинни свойства и структура на кристалите.

курс на лекции, добавен на 21.02.2009 г


Оценка на вискозитетно-температурни свойства (масла). Зависимостта на точката на запалване от налягането. Дисперсия, оптична активност. Лабораторни методидестилация на нефт и нефтопродукти. Топлина на топене и сублимация. Специфична и молекулярна рефракция.

Основните свойства на кристалите - анизотропия, хомогенност, способност за самоизгаряне и наличие на постоянна температура на топене - се определят от тяхната вътрешна структура.

Ориз. 1. Пример за анизотропия е кристал на минерала дистен. В надлъжна посока твърдостта му е 4,5, в напречна посока е 6. © Parent Géry

Това свойство се нарича още диспропорция. Изразява се в това, че физичните свойства на кристалите (твърдост, якост, топлопроводимост, електропроводимост, скорост на разпространение на светлината) не са еднакви в различни посоки. Частиците, образуващи кристална структура в непаралелни посоки, са разделени една от друга на различни разстояния, в резултат на което свойствата на кристалното вещество в такива посоки трябва да бъдат различни. Характерен пример за вещество с изразена анизотропия е слюдата. Кристалните плочи на този минерал лесно се разцепват само по равнини, успоредни на неговата ламеларност. В напречни посоки е много по-трудно да се разделят слюдените плочи.

Анизотропията се проявява и във факта, че когато кристалът е изложен на някакъв разтворител, скоростта на химичните реакции е различна в различни посоки. В резултат на това всеки кристал, когато се разтвори, придобива свои характерни форми, които се наричат ​​фигури на ецване.

Аморфните вещества се характеризират с изотропност (еквивалентност) - физичните свойства във всички посоки се проявяват по един и същи начин.

Еднородност

Изразява се във факта, че всички елементарни обеми на кристално вещество, еднакво ориентирани в пространството, са абсолютно еднакви във всичките си свойства: имат еднакъв цвят, маса, твърдост и др. по този начин всеки кристал е хомогенно, но в същото време и анизотропно тяло.

Хомогенността е присъща не само на кристалните тела. Твърдите аморфни образувания също могат да бъдат хомогенни. Но аморфните тела не могат сами по себе си да приемат многостенна форма.

Способност за самоограничение

Способността за саморазрязване се изразява в това, че всеки фрагмент или топче, издълбано от кристал в среда, подходяща за растежа му, се покрива с течение на времето с лица, характерни за даден кристал. Тази характеристика е свързана с кристалната структура. Стъклената топка например няма такава функция.

Кристалите от едно и също вещество могат да се различават един от друг по своя размер, броя на лицата, ръбовете и формата на лицата. Зависи от условията на образуване на кристали. При неравномерен растеж кристалите са сплескани, удължени и т.н. Ъглите между съответните лица на нарастващия кристал остават непроменени. Тази характеристика на кристалите е известна като закон за постоянство на фасетните ъгли. В този случай размерът и формата на лицата в различни кристали на едно и също вещество, разстоянието между тях и дори техният брой могат да варират, но ъглите между съответните лица във всички кристали на едно и също вещество остават постоянни при едни и същи условия на налягане и температура.

Законът за постоянството на фасетните ъгли е установен в края на 17 век от датския учен Стено (1699) върху кристали от железен блясък и планински кристал; по-късно този закон е потвърден от M.V. Ломоносов (1749) и френският учен Рим де Лил (1783). Законът за постоянството на фасетните ъгли се нарича първи закон на кристалографията.

Законът за постоянството на фасетните ъгли се обяснява с факта, че всички кристали на едно вещество са еднакви по своята вътрешна структура, т.е. имат същата структура.

Според този закон кристалите на дадено вещество се характеризират със своите специфични ъгли. Следователно чрез измерване на ъглите е възможно да се докаже принадлежността на изследвания кристал към едно или друго вещество. На това се основава един от методите за диагностициране на кристали.

За измерване на двустенни ъгли в кристали са изобретени специални устройства - гониометри.

постоянна точка на топене

Изразява се в това, че при нагряване на кристално тяло температурата се повишава до определена граница; при по-нататъшно нагряване веществото започва да се топи и температурата остава постоянна за известно време, тъй като цялата топлина отива за разрушаване на кристалната решетка. Температурата, при която започва топенето, се нарича точка на топене.

Аморфните вещества, за разлика от кристалните, нямат ясно определена точка на топене. На кривите на охлаждане (или нагряване) на кристални и аморфни вещества може да се види, че в първия случай има две резки завои, съответстващи на началото и края на кристализацията; в случай на охлаждане на аморфно вещество имаме гладка крива. На тази основа е лесно да се разграничат кристалните от аморфните вещества.

Как да различим кристалите от некристалните твърди вещества? Може би по многостранен начин? Но кристалните зърна в метал или скала имат неправилна форма; и от друга страна, стъклото например също може да бъде многолико - кой не е виждал фасетирани стъклени мъниста? Ние обаче казваме, че стъклото е некристално вещество. Защо?

На първо място, защото самите кристали, без помощта на човек, приемат своята многостранна форма, а стъклото трябва да бъде изсечено от човешка ръка.

Всички вещества в света са изградени от най-малките, невидими за окото, непрекъснато движещи се частици - от йони, атоми, молекули.

Основната разлика между очилата и е в техните вътрешна структура, в това как в тях са разположени най-малките частици материя – молекули, атоми и йони. В газообразни тела, течности и некристални твърди тела, като стъкло, най-малките частици материя са разположени напълно произволно. А в твърдите кристални тела частиците са разположени, така да се каже, в правилна система. Те приличат на група спортисти в редиците, с тази разлика обаче, че правилните редици от частици се простират не само надясно и наляво, напред и назад, но и нагоре и надолу. Освен това частиците не стоят неподвижни, а непрекъснато осцилират, като се задържат на място от електрически сили. Разстоянията между частиците вътре в кристалите са малки, както са малки и самите атоми: около 100 милиона атома могат да бъдат разположени на сегмент с дължина 1 см. Това е много голямо число: представете си, че 100 милиона души са наредени рамо до рамо. Такава линия може да опасва Земята по екватора.

Правилната структура на частиците във всяко вещество е различна, следователно формите на кристалите са толкова разнообразни. Но във всички кристали задължително се намират атоми или молекули строг ред, докато некристалните тела нямат такъв ред. Затова казваме: кристалите са твърди тела, в които частиците, които ги правят, са подредени в правилен ред.

Законите за изграждане на всички кристали са теоретично изведени от великия руски кристалограф Евграф Степанович Федоров (1853-1919) и немския кристалограф Артур Шонфлис. Забележително е, че Федоров прави това 20 години преди това, през 1912 г., експериментално с помощта на рентгенови лъчибеше доказано, че атомите в кристалите наистина са подредени в правилен ред и че законите на тяхното подреждане са точно същите, както беше гениално предсказано от руския учен.

Правилното периодично подреждане на атомите (или други частици) в кристала се нарича кристална решетка.

Всеки от тях има своя характерна полиедрична форма, която зависи от структурата на неговата кристална решетка. Например кристалите на солта по правило са с форма на куб, други вещества кристализират под формата на различни пирамиди, призми, октаедри (октаедри) и други полиедри.

Но в природата такива правилни кристални форми са рядкост, ще прочетете за това по-късно.

Некристалните вещества нямат собствена форма, тъй като частиците, които ги изграждат, са подредени произволно, хаотично.

Правилното подреждане на частиците също определя свойствата на кристала. Не е ли удивително, например, че два толкова различни минерала като невзрачен черен графит и искрящо прозрачен са изградени от едни и същи въглеродни атоми! са въглеродни кристали. Ако кристалните решетки на въглеродните атоми са изградени по един модел, тогава те образуват прозрачни кристали от диамант, най-твърдото от всички вещества на Земята и най-скъпият от скъпоценните камъни.Но ако същите въглеродни атоми са подредени по различен начин, тогава малки, получават се черни непрозрачни кристали.графитът е един от най-меките минерали. Диамантът е почти два пъти по-тежък от графита. Графитът провежда електричество, докато диамантът не го прави. Диамантените кристали са крехки, графитните кристали са гъвкави. Диамантът лесно гори в поток от кислород и дори огнеупорни съдове са направени от графит - той е толкова устойчив на огън. Две перфектни различни вещества, но са изградени от едни и същи атоми, като разликата между тях е само в различната им структура.

Структурата на диаманта е доста различна от тази на графита; няма лесно подвижни слоеве, а диамантът е много по-здрав от графита.

Всеки знае кристалите от слюда. Слюдата се разцепва лесно с острие на нож или само с пръсти: листата на слюдата се отделят едно от друго почти без затруднения. Но опитайте се да разделите, изрежете или счупите слюдата в равнината на плочата - това е много трудно: слюдата, която е крехка по равнината на листа, се оказва много по-здрава в напречна посока. Силата на кристалите от слюда в различни посоки е различна.

Това свойство отново е характерно за кристалите. Известно е, че стъклото например лесно се разбива по всякакъв начин във всички посоки на неправилни фрагменти. И ето го кристалът каменна сол, колкото и ситно да е начупен, той винаги ще си остане куб, т.е. винаги лесно се цепи само по взаимно перпендикулярни, напълно плоски стени.

Кристалът се разцепва в тези посоки, където силата е най-малка. Не за всеки кристал това се разкрива толкова ясно, колкото за слюдата или каменната сол - например кварцът не се разцепва по равни равнини - за всички кристали силата в различни посоки е различна. При каменната сол например в едната посока якостта е осем пъти по-голяма, отколкото в другата, а при цинковите кристали – десет пъти. На тази основа можете да разграничите кристалите от некристалите: в некристалните тела силата е еднаква във всички посоки, поради което те никога не се разделят по равни равнини.

Ако нагреете някое тяло, то ще започне да се разширява. И тук е лесно да се види разликата между кристалните и некристалните вещества: стъклото ще се разширява във всички посоки по един и същи начин, а кристалът ще се разширява по различен начин в различни посоки. Кварцовите кристали например се разширяват в надлъжна посока два пъти повече, отколкото в напречна посока. Твърдостта, топлопроводимостта, електрическите и други свойства на кристалите също са различни в различни посоки.

Особен интерес представляват оптичните свойства на кристалите. Ако погледнете предмети през кристали от исландски шпат, те ще изглеждат удвоени. В кристал от исландски шпат лъч светлина се разделя на две. Това свойство също е различно в различни посоки: ако завъртите кристала, тогава буквите ще се раздвоят повече или по-малко.

Формите на кристалните полиедри удивляват окото със строгата си симетрия.

Симетрията на кристалите е важно и характерно тяхно свойство. Формата на кристалите и тяхната симетрия определят кристалното вещество.

Теорията за решетъчната структура на кристалите е създадена в средата на 19 век от френския кристалограф О. Браве, а след това руският кристалограф академик Е. С. Федоров и немският учен А. Шонфлис завършват математическото развитие на тази теория. При създаването и развитието на теорията за решетъчната структура на кристалите, Браве, Федоров и др., кристалографите се основават само на някои важни свойства на кристалната материя.

Основните свойства на кристалите са тяхната хомогенност, анизотропия, способност за саморазрязване и симетрия.

Хомогеннаобикновено се нарича тяло, което проявява едни и същи свойства във всички свои части. Кристалното тяло е хомогенно, тъй като различните му секции имат еднаква структура, т.е. същата ориентация на съставните частици, принадлежащи към една и съща пространствена решетка. Хомогенността на кристала трябва да се разграничава от хомогенността на течност или газ, която има статистически характер.

Анизотропеннарича такова хомогенно тяло, което има неравномерни свойства в неуспоредни посоки. Кристалното тяло е анизотропно, тъй като структурата на пространствената решетка, а оттам и на самия кристал, обикновено не е еднаква в непаралелни посоки. В успоредни посоки частиците, които изграждат кристала, както и възлите на неговата пространствена решетка, са разположени по абсолютно същия начин, следователно свойствата на кристала в такива посоки трябва да бъдат еднакви.

Характерен пример за изразена анизотропия е слюдата, чиито кристали лесно се разделят само в една определена посока. Като друг ярък пример за анизотропия може да се цитира минералът дистен (AlOAl), чиито кристали имат странични повърхности, които имат много различни стойности на твърдост в надлъжна и напречна посока. Ако пръчките се изрежат от кубичен кристал от каменна сол в различни посоки, тогава ще са необходими различни сили, за да се счупят тези пръчки. Пръчката, перпендикулярна на лицата на куба, ще се счупи със сила от около 570 G / mm 2; за прът, успореден на диагоналите на лицето, силата на счупване ще бъде 1150 G/mm 2 , а прътът, успореден на плътния диагонал на куба, ще се счупи при сила от 2150 G/mm 2 .

Посочените примери, разбира се, са изключителни по своята специфика. Въпреки това, прецизни изследвания са установили, че абсолютно всички кристали са анизотропни по един или друг начин.

Хомогенност и до известна степен анизотропия могат да притежават и аморфните тела. Но при никакви обстоятелства самите аморфни вещества не могат да приемат формата на полиедри. Само кристални тела могат да се образуват под формата на равнинни полиедри. Способността за самоограничаване, т.е. приемат многостранна форма, се появява най-характерният външен признак на кристално вещество.

Правилната геометрична форма на кристалите е привличала вниманието на човека от дълго време, а нейната тайнственост е предизвиквала различни суеверия у хората в миналото. Кристали от вещества като диамант, изумруд, рубин, сапфир, аметист, топаз, тюркоаз, гранат и др., още през 18 век. са били смятани за носители на свръхестествени сили и са били използвани не само като скъпоценен накит, но и като талисмани или лек за много болести и ухапвания от отровни змии.

Всъщност способността за саморазрязване, подобно на първите две свойства, е следствие от правилната вътрешна структура на кристалното вещество. Външните граници на кристалите, така да се каже, отразяват тази правилност на тяхната вътрешна структура, тъй като всеки кристал може да се разглежда като част от неговата пространствена решетка, ограничена от равнини (лица).

В същото време трябва да се отбележи, че способността на кристалното вещество да се самоограничава не винаги се проявява, а само при особено благоприятни условия, когато външната среда не пречи на образуването и свободния растеж на кристалите. При липса на такива условия се получават или напълно неправилни, или частично деформирани кристали. Въпреки това, те запазват всичките си вътрешни свойства, включително причините, принуждаващи кристалите да приемат формата на полиедър. Следователно, ако кристално зърно с неправилна форма се постави в определени условия, при които кристалът може да расте свободно, след известно време той ще приеме формата на планарен полиедър, присъщ на това вещество.

Кристална симетриясъщо е отражение на тяхната естествена вътрешна структура. Всички кристали са до известна степен симетрични, т.е. състоят се от редовно повтарящи се равни части, тъй като тяхната структура се изразява в пространствена решетка, която по своята природа винаги е симетрична.

Откриването от мюнхенския физик М. Лауе през 1912 г. на явлението дифракция на рентгенови лъчи по време на преминаването им през кристал е първото експериментално потвърждение на правилността на теорията за решетъчната структура на кристално вещество. От този момент стана възможно, от една страна, да се изучават рентгенови лъчи с помощта на кристали, а от друга страна, да се изследва вътрешната структура на кристалите с помощта на рентгенови лъчи. По този начин беше доказано, че абсолютно всички кристали се състоят от частици, разположени една спрямо друга по правилен начин, като възли на пространствена решетка.

След експериментите на Лауе теорията за решетъчната структура на кристалите престава да бъде само спекулативна конструкция и придобива формата на закон.

Кристалите са едно от най-красивите и загадъчни творения на природата. Сега е трудно да се назове онази далечна година в зората на развитието на човечеството, когато внимателният поглед на един от нашите предци открои сред земните скали малки лъскави камъчета, подобни на сложни геометрични фигури, които скоро започнаха да служат като ценност орнаменти.

Ще минат няколко хилядолетия и хората ще разберат, че заедно с красотата на естествените скъпоценни камъни, кристалите са влезли в живота им.

Кристалите се намират навсякъде. Ходим по кристали, градим от кристали, обработваме кристали, отглеждаме кристали в лаборатория, създаваме устройства, използваме широко кристали в науката и технологиите, лекуваме се с кристали, намираме ги в живите организми, проникваме в тайните на структурата на кристалите.

Кристалите, които лежат в земята, са безкрайно разнообразни. Размерите на естествените полиедри понякога достигат човешки растеж и повече. Има кристали-венчелистчета, по-тънки от хартия и кристали в слоеве с дебелина няколко метра. Има кристали малки, тесни, остри, като игли, и има огромни, като колони. В някои райони на Испания такива кристални колони се поставят за портата. Музеят на Минния институт в Санкт Петербург съхранява кристал от планински кристал (кварц) с височина над метър и тегло над един тон. Много кристали са съвършено чисти и прозрачни като водата.

Ледени и снежни кристали

Кристалите на замръзналата вода, тоест лед и сняг, са известни на всички. Тези кристали покриват огромните пространства на Земята почти половин година, лежат по върховете на планините и се свличат от тях като ледници, плуват като айсберги в океаните. Ледената покривка на река, маса от ледник или айсберг, разбира се, не е един голям кристал. Плътната маса от лед обикновено е поликристална, т.е. съставена от много отделни кристали; те не винаги се различават, защото са малки и всички растат заедно. Понякога тези кристали могат да се видят в топящия се лед. Всеки отделен леден кристал, всяка снежинка е крехка и малка. Често се казва, че снегът вали като пух. Но дори това сравнение, може да се каже, е твърде „тежко“: снежинката е по-лека от пух. Десет хиляди снежинки съставляват теглото на едно пени. Но комбинирани в огромни количества заедно, снежните кристали могат да спрат влака, образувайки снежни блокажи.

Ледените кристали могат да унищожат самолет за няколко минути. Заледяването - страшен враг на самолетите - също е резултат от растежа на кристалите.

Тук имаме работа с растеж на кристали от преохладени пари. AT горни слоевеатмосфера, водна пара или водни капчици, могат да се съхраняват дълго време в свръхохладено състояние. Преохлаждането в облаците достига до -30. Но веднага щом летящ самолет нахлуе в тези свръхохладени облаци, в същия час започва бурна кристализация. Мигновено самолетът се покрива с купчина бързо растящи кристали.

скъпоценни камъни

От най-ранните времена на човешката култура хората са оценили красотата на скъпоценните камъни. Диамантът, рубинът, сапфирът и изумрудът са най-скъпите и любими камъни. Следват александрит, топаз, планински кристал, аметист, гранит, аквамарин, хризолит. Високо ценени са небесносиният тюркоаз, нежните перли и преливащият опал.

Лечебни и различни свръхестествени свойства отдавна се приписват на скъпоценните камъни и с тях са свързани множество легенди.

Скъпоценните камъни са служили като мярка за богатството на принцове и императори.

В музеите на Московския Кремъл можете да се насладите на богата колекция от скъпоценни камъни, принадлежали някога на кралско семействои малка група богати хора. Известно е, че шапката на княз Потемкин - Таврида беше толкова обсипана с диаманти и поради това беше толкова тежка, че собственикът не можеше да я носи на главата си, адютантът носеше шапката в ръцете си зад принца.

Сред съкровищата на диамантения фонд на Русия е един от най-големите и красиви диаманти в света "Шах".

Диамантът е изпратен от шаха на Персия на руския цар Николай I като откуп за убийството на руския посланик Александър Сергеевич Грибоедов, автор на комедията "Горко от ума".

Нашата родина е богата на скъпоценни камъни от всяка друга страна в света.

Кристалите във Вселената

Няма нито едно място на Земята, където да няма кристали. На други планети, на далечни звезди кристалите постоянно възникват, растат и се срутват.

В космическите пришълци - метеорити има кристали, познати на Земята, но не срещани на Земята. В огромен метеорит, който падна през февруари 1947 г. в Далечния изток, бяха открити кристали от никелово желязо с дължина няколко сантиметра, докато при земни условия естествените кристали на този минерал са толкова малки, че могат да се видят само с микроскоп.

2. Строеж и свойства на кристалите

2. 1 Какво представляват кристалите, кристалните форми

Кристалите се образуват при доста ниска температура, когато топлинното движение е толкова бавно, че не разрушава определена структура. характерна особеносттвърдото състояние на материята е постоянството на нейната форма. Това означава, че съставните му частици (атоми, йони, молекули) са твърдо свързани помежду си и тяхното топлинно движение възниква като трептене около фиксирани точки, които определят равновесното разстояние между частиците. Относителното разположение на точките на равновесие в цялото вещество трябва да осигурява минимум енергия за цялата система, което се осъществява с тяхното определено подредено разположение в пространството, тоест в кристал.

Кристалът, според определението на G. W. Wulff, е тяло, ограничено поради вътрешните си свойства от плоски повърхности - лица.

В зависимост от относителните размери на частиците, които образуват кристала и вида на химичната връзка между тях, кристалите имат различна формасе определя от начина, по който частиците са свързани.

В съответствие с геометричната форма на кристалите съществуват следните кристални системи:

1. кубичен (много метали, диамант, NaCl, KCl).

2. Шестоъгълни (H2O, SiO2, NaNO3),

3. Четириъгълник (S).

4. Ромбичен (S, KNO3, K2SO4).

5. Моноклинна (S, KClO3, Na2SO4*10H2O).

6. Триклиника (K2C2O7, CuSO4*5 H2O).

2.2 Физични свойства на кристалите

За кристал този класможете да посочите симетрията на неговите свойства. Така че кубичните кристали са изотропни по отношение на предаване на светлина, електрическа и топлопроводимост, топлинно разширение, но са анизотропни по отношение на еластични, електрически свойства. Най-анизотропните кристали на ниските сингонии.

Всички свойства на кристалите са взаимосвързани и се определят от атомно-кристалната структура, силите на свързване между атомите и енергийните спектри на електроните. Някои свойства, например: електрически, магнитни и оптични, зависят значително от разпределението на електроните по енергийните нива. Много свойства на кристалите зависят решително не само от симетрията, но и от броя на дефектите (якост, пластичност, цвят и други свойства).

Изотропия (от гръцки isos - равен, еднакъв и tropos - завой, посока) независимост на свойствата на средата от посоката.

Анизотропия (от гръцки anisos - неравен и tropos - посока) е зависимостта на свойствата на веществото от посоката.

Кристалите са населени с много различни дефекти. Дефектите, така да се каже, оживяват кристала. Поради наличието на дефекти, кристалът разкрива "памет" за събитията, в които е станал участник или когато е бил, дефектите помагат на кристала да се "адаптира" към околен свят. Дефектите променят качествено свойствата на кристалите. Дори и в много малки количества, дефектите силно влияят върху онези физически свойства, които напълно или почти липсват в идеален кристал, като по правило са „енергийно благоприятни“, дефектите създават области на повишена физическа и химическа активност около тях.

3. Отглеждане на кристали

Отглеждането на кристали е вълнуваща дейност и може би най-простата, достъпна и евтина за начинаещи химици, възможно най-безопасна по отношение на туберкулозата. Внимателната подготовка за изпълнение усъвършенства уменията в способността за внимателно боравене с вещества и правилно организиране на вашия работен план.

Растежът на кристалите може да бъде разделен на две групи.

3.1 Естествено образуване на кристали в природата

Образуване на кристали в природата (естествен растеж на кристали).

Над 95% от всички скали, от които е изградена земната кора, са се образували при кристализацията на магмата. Магмата е смес от много вещества. Всички тези вещества различни температурикристализация. Следователно по време на охлаждането магмата се разделя на части: първите кристали на веществото с най-висока температура на кристализация се появяват и започват да растат в магмата.

Кристалите се образуват и в солените езера. През лятото водата на езерата бързо се изпарява и от нея започват да падат солни кристали. Само езерото Баскунчак в Астраханската степ би могло да осигури много държави със сол за 400 години.

Някои животински организми са "фабрики" за кристали. Коралите образуват цели острови, изградени от микроскопични кристали въглена вар.

Скъпоценният камък перла също е изграден от кристали, които произвежда перлената мида.

Жлъчни камъни в черния дроб, камъни в бъбреците и пикочен мехуркоито причиняват сериозни човешки заболявания са кристалите.

3.2 Изкуствен растеж на кристали

Изкуствено отглеждане на кристали (отглеждане на кристали в лаборатории, фабрики).

Отглеждането на кристали е физичен и химичен процес.

Разтворимост на веществата в различни разтворителиможе да се припише на физични явления, тъй като настъпва разрушаване на кристалната решетка, в този случай се абсорбира топлина (екзотермичен процес).

Има и химичен процес - хидролиза (реакция на соли с вода).

При избора на вещество е важно да се вземат предвид следните факти:

1. Веществото не трябва да е токсично

2. Веществото трябва да е достатъчно стабилно и химически чисто

3. Способността на дадено вещество да се разтваря в наличен разтворител

4. Получените кристали трябва да са стабилни

Има няколко метода за отглеждане на кристали.

1. Приготвяне на пренаситени разтвори с последваща кристализация в отворен съд (най-често срещаната техника) или затворен съд. Затворено - индустриален метод, за изпълнението му се използва огромен стъклен съд с термостат, симулиращ водна баня. Съдът съдържа разтвор с готов зародиш, като на всеки 2 дни температурата се понижава с 0,1°C, този метод дава възможност за получаване на технологично правилни и чисти монокристали. Но това изисква високи разходи за енергия и скъпо оборудване.

2. Изпаряване на наситен разтвор отворен пъткогато постепенното изпаряване на разтворител, например от хлабаво затворен съд със солен разтвор, може само по себе си да доведе до кристали. Затворен начинвключва задържане на наситения разтвор в ексикатор над силен десикант (фосфорен (V) оксид или концентрирана сярна киселина).

II. Практическа част.

1. Отглеждане на кристали от наситени разтвори

Основата за отглеждане на кристали е наситен разтвор.

Инструменти и материали: 500 ml стъкло, филтърна хартия, преварена вода, лъжица, фуния, соли CuSO4 * 5H2O, K2CrO4 (калиев хромат), K2Cr2O4 (калиев дихромат), калиев стипца, NiSO4 (никелов сулфат), NaCl (натриев хлорид), C12H22O11 (захар).

За да приготвим солен разтвор, вземаме чиста, добре измита чаша от 500 ml. налейте гореща (t=50-60C) преварена вода 300мл. изсипете веществото в чаша на малки порции, разбъркайте, постигайки пълно разтваряне. Когато разтворът е "наситен", т.е. веществото ще остане на дъното, добавете още вещества и оставете разтвора на стайна температура за един ден. За да предотвратите попадането на прах в разтвора, покрийте стъклото с филтърна хартия. Разтворът трябва да се окаже прозрачен, излишъкът от веществото под формата на кристали трябва да падне на дъното на чашата.

Отцедете приготвения разтвор от утайката от кристали и го поставете в топлоустойчива колба. Там също се поставя малко химически чисто вещество (утаени кристали). Загрейте колбата на водна баня, докато се разтвори напълно. Полученият разтвор все още се нагрява в продължение на 5 минути при t = 60-70C, излива се в чиста чаша, увита в кърпа, оставя се да се охлади. След един ден на дъното на чашата се образуват малки кристалчета.

2. Създаване на презентацията "Кристали"

Снимаме получените кристали, като използваме възможностите на интернет, изготвяме презентация и сборник „Кристали“.

Създаване на картина с помощта на кристали

Кристалите винаги са били известни със своята красота, поради което се използват като бижута. Те украсяват дрехи, съдове, оръжия. Кристалите могат да се използват за създаване на картини. Нарисувах пейзажа "Залез". Отглежданите кристали се използват като материал за направата на пейзажа.

Заключение

В тази статия беше разказана само малка част от това, което се знае за кристалите в момента, но тази информация също така показа колко необикновени и мистериозни са кристалите в своята същност.

В облаците, по върховете на планините, в пясъчните пустини, моретата и океаните, в научните лаборатории, в растителните клетки, в живите и мъртвите организми – навсякъде ще срещнем кристали.

Но може би кристализацията на материята се извършва само на нашата планета? Не, сега знаем, че на други планети и далечни звезди кристалите непрекъснато възникват, растат и се разпадат. Метеоритите, космическите пратеници, също се състоят от кристали, а понякога включват кристални вещества, които не се срещат на Земята.

Кристалите са навсякъде. Хората са свикнали да използват кристали, да правят бижута от тях, да им се възхищават. Сега, когато методите са научени изкуствено отглежданекристали, обхватът на тяхното приложение се разшири и може би бъдещето на най-новите технологии принадлежи на кристалите и кристалните агрегати.