Quando si osservano cristalli e gemme, si vuole capire come potrebbe essere apparsa questa misteriosa bellezza, come vengono create opere della natura così straordinarie. C'è il desiderio di saperne di più sulle loro proprietà. Dopotutto, la speciale struttura dei cristalli, che non si ripete da nessuna parte in natura, ne consente l'uso ovunque: dai gioielli alle ultime invenzioni scientifiche e tecniche.
Studio dei minerali cristallini
La struttura e le proprietà dei cristalli sono così sfaccettate che una scienza separata, la mineralogia, è impegnata nello studio e nello studio di questi fenomeni. Il famoso accademico russo Alexander Evgenievich Fersman è stato così assorbito e sorpreso dalla diversità e dall'infinito del mondo dei cristalli che ha cercato di affascinare quante più menti possibili con questo argomento. Nel suo libro Entertaining Mineralogy, ha esortato con entusiasmo e calore a conoscere i segreti dei minerali e ad immergersi nel mondo delle gemme:
Ti voglio davveroaffascinare. Voglio che cominci ad interessarti alle montagne e alle cave, alle miniere e alle miniere, così che cominci a raccogliere collezioni di minerali, così che tu voglia andare con noi dalla città più lontana, al corso del fiume, dove c'è sono alti banchi rocciosi, sulle cime delle montagne o sulla spiaggia rocciosa, dove la pietra viene rotta, la sabbia viene estratta o il minerale sta esplodendo. Là, ovunque io e te troveremo qualcosa da fare: e nelle rocce morte, nelle sabbie e nelle pietre, impareremo a leggere alcune grandi leggi della natura che governano il mondo intero e secondo le quali il mondo intero è costruito.
La fisica studia i cristalli, sostenendo che qualsiasi corpo veramente solido è un cristallo. La chimica studia la struttura molecolare dei cristalli, arrivando alla conclusione che ogni metallo ha una struttura cristallina.
Lo studio delle straordinarie proprietà dei cristalli è di grande importanza per lo sviluppo della scienza moderna, della tecnologia, dell'industria edile e di molti altri settori.
Leggi di base dei cristalli
La prima cosa che le persone notano guardando un cristallo è la sua forma sfaccettata ideale, ma non è la caratteristica principale di un minerale o di un metallo.
Quando un cristallo viene spezzato in piccoli frammenti, nulla rimane della forma ideale, ma qualsiasi frammento, come prima, rimarrà un cristallo. Una caratteristica distintiva di un cristallo non è il suo aspetto, ma le caratteristiche della sua struttura interna.
Simmetrico
La prima cosa da ricordare e notare quando si studiano i cristalli è il fenomenosimmetria. È diffuso nella vita di tutti i giorni. Le ali di farfalla sono simmetriche, l'impronta di una macchia su un pezzo di carta piegato a metà. Cristalli di neve simmetrici. Il fiocco di neve esagonale ha sei piani di simmetria. Piegando l'immagine lungo qualsiasi linea che rappresenti il piano di simmetria del fiocco di neve, puoi combinare le sue due metà tra loro.
L'asse di simmetria ha una tale proprietà che, ruotando una figura di un angolo noto attorno ad essa, è possibile combinare tra loro parti adatte della figura. A seconda della dimensione di un angolo adatto di cui la figura deve essere ruotata, nei cristalli vengono determinati gli assi del 2°, 3°, 4° e 6° ordine. Quindi, nei fiocchi di neve, c'è un singolo asse di simmetria del sesto ordine, che è perpendicolare al piano di disegno.
Il centro di simmetria è tale punto nel piano della figura, alla stessa distanza dalla quale nella direzione opposta si trovano gli stessi elementi strutturali della figura.
Cosa c'è dentro?
La struttura interna dei cristalli è una specie di combinazione di molecole e atomi in un ordine peculiare solo dei cristalli. Come fanno a conoscere la struttura interna delle particelle se non sono visibili nemmeno al microscopio?
I raggi X vengono utilizzati per questo. Usandoli per cristalli traslucidi, il fisico tedesco M. Laue, i fisici inglesi padre e figlio Bragg e il professore russo Yu. Wolf stabilirono le leggi in base alle quali vengono studiate la struttura e la struttura dei cristalli.
Tutto è stato sorprendente e inaspettato. Samoil concetto di struttura della molecola si rivelò inapplicabile allo stato cristallino della materia.
Ad esempio, una sostanza così nota come il sale da cucina ha la composizione chimica della molecola di NaCl. Ma in un cristallo, i singoli atomi di cloro e sodio non si sommano per separare le molecole, ma formano una certa configurazione chiamata reticolo spaziale o cristallino. Le particelle più piccole di cloro e sodio sono legate elettricamente. Il reticolo cristallino del sale è formato come segue. Uno degli elettroni di valenza del guscio esterno dell'atomo di sodio viene introdotto nel guscio esterno dell'atomo di cloro, che non è completamente riempito a causa dell'assenza dell'ottavo elettrone nel terzo guscio di cloro. Pertanto, in un cristallo, ogni ione sia di sodio che di cloro non appartiene a una molecola, ma all'intero cristallo. A causa del fatto che l'atomo di cloro è monovalente, può attaccare solo un elettrone a se stesso. Ma le caratteristiche strutturali dei cristalli portano al fatto che l'atomo di cloro è circondato da sei atomi di sodio, ed è impossibile determinare quale di essi condividerà un elettrone con il cloro.
Si scopre che la molecola chimica del sale da cucina e il suo cristallo non sono affatto la stessa cosa. L'intero singolo cristallo è come una molecola gigante.
Griglia - solo modello
L'errore dovrebbe essere evitato quando il reticolo spaziale viene preso come modello reale della struttura cristallina. Lattice - una sorta di immagine condizionale di un esempio della connessione di particelle elementari nella struttura dei cristalli. Punti di connessione alla rete a forma di sfereconsentono di rappresentare visivamente gli atomi e le linee che li collegano sono un'immagine approssimativa delle forze di legame tra di loro.
In re altà, gli spazi tra gli atomi all'interno di un cristallo sono molto più piccoli. È un denso imballaggio delle sue particelle costituenti. Una palla è una designazione convenzionale di un atomo, il cui uso consente di riflettere con successo le proprietà di un imballaggio ravvicinato. In re altà, non c'è un semplice contatto di atomi, ma il loro reciproco parziale sovrapporsi tra loro. In altre parole, l'immagine di una palla nella struttura del reticolo cristallino è, per chiarezza, la sfera raffigurata di tale raggio che contiene la parte principale degli elettroni dell'atomo.
Gioco di forza
C'è una forza di attrazione elettrica tra due ioni di carica opposta. È un legante nella struttura dei cristalli ionici come il sale da cucina. Ma se avvicini molto gli ioni, le loro orbite elettroniche si sovrapporranno e appariranno forze repulsive di particelle con carica simile. All'interno del cristallo, la distribuzione degli ioni è tale che le forze repulsive e attrattive sono in equilibrio, fornendo forza cristallina. Questa struttura è tipica dei cristalli ionici.
E nei reticoli cristallini di diamante e grafite c'è una connessione di atomi con l'aiuto di elettroni comuni (collettivi). Gli atomi ravvicinati hanno elettroni comuni che ruotano attorno al nucleo di uno e degli atomi vicini.
Uno studio dettagliato della teoria delle forze con tali legami è piuttosto difficile e si trova nel campo della meccanica quantistica.
Differenze di metallo
La struttura dei cristalli di metallo è più complessa. A causa del fatto che gli atomi di metallo donano facilmente gli elettroni esterni disponibili, possono muoversi liberamente per l'intero volume del cristallo, formando al suo interno il cosiddetto gas di elettroni. Grazie a tali elettroni "vagabondi", vengono create forze che garantiscono la forza del lingotto di metallo. Lo studio della struttura dei veri cristalli di metallo mostra che, a seconda del metodo di raffreddamento di un lingotto di metallo, esso può contenere delle imperfezioni: superficiali, puntiformi e lineari. La dimensione di tali difetti non supera il diametro di diversi atomi, ma distorcono il reticolo cristallino e influiscono sui processi di diffusione nei metalli.
Crescita dei cristalli
Per una comprensione più conveniente, la crescita di una sostanza cristallina può essere rappresentata come l'erezione di una struttura in mattoni. Se un mattone di una muratura non finita viene presentato come parte integrante di un cristallo, è possibile determinare dove crescerà il cristallo. Le proprietà energetiche del cristallo sono tali che il mattone posizionato sul primo mattone sperimenterà attrazione da un lato, dal basso. Quando si posa sul secondo - da due lati e sul terzo - da tre. Nel processo di cristallizzazione - il passaggio da uno stato liquido a uno solido - viene rilasciata energia (calore di fusione). Per la massima forza del sistema, la sua energia possibile dovrebbe tendere al minimo. Pertanto, la crescita dei cristalli avviene strato dopo strato. In primo luogo, verrà completata una riga dell'aereo, quindi l'intero piano e solo allora inizierà la costruzione del successivo.
Scienza dicristalli
La legge fondamentale della cristallografia - la scienza dei cristalli - dice che tutti gli angoli tra i diversi piani delle facce dei cristalli sono sempre costanti e gli stessi. Non importa quanto sia distorto un cristallo in crescita, gli angoli tra le sue facce mantengono lo stesso valore inerente a questo tipo. Indipendentemente dalle dimensioni, dalla forma e dal numero, le facce dello stesso piano cristallino si intersecano sempre con lo stesso angolo predeterminato. La legge della costanza degli angoli fu scoperta da M. V. Lomonosov nel 1669 e svolse un ruolo importante nello studio della struttura dei cristalli.
Anisotropia
La particolarità del processo di formazione dei cristalli è dovuta al fenomeno dell'anisotropia - caratteristiche fisiche diverse a seconda della direzione di crescita. I singoli cristalli conducono elettricità, calore e luce in modo diverso in direzioni diverse e hanno una forza disuguale.
Così, lo stesso elemento chimico con gli stessi atomi può formare reticoli cristallini differenti. Ad esempio, il carbonio può cristallizzare in diamante e in grafite. Allo stesso tempo, il diamante è un esempio della massima forza tra i minerali e la grafite lascia facilmente le sue squame quando si scrive con una matita su carta.
Misurare gli angoli tra le facce dei minerali è di grande importanza pratica per determinarne la natura.
Caratteristiche di base
Apprese le caratteristiche strutturali dei cristalli, possiamo descriverne brevemente le principali proprietà:
- Anisotropia - proprietà irregolari in direzioni diverse.
- Uniformità - elementarei costituenti dei cristalli, equidistanti, hanno le stesse proprietà.
- La capacità di autotagliarsi: qualsiasi frammento di cristallo in un mezzo adatto alla sua crescita assumerà una forma sfaccettata e sarà ricoperto di facce corrispondenti a questo tipo di cristalli. È questa proprietà che permette al cristallo di mantenere la sua simmetria.
- L'invarianza del punto di fusione. La distruzione del reticolo spaziale di un minerale, cioè il passaggio di una sostanza cristallina da uno stato solido a uno liquido, avviene sempre alla stessa temperatura.
I cristalli sono solidi che hanno preso la forma naturale di un poliedro simmetrico. La struttura dei cristalli, caratterizzata dalla formazione di un reticolo spaziale, è servita come base per lo sviluppo in fisica della teoria della struttura elettronica di un solido. Lo studio delle proprietà e della struttura dei minerali è di grande importanza pratica.
