Исследовательская работа " Кристаллы". Камень кристалл. Природные кристаллы - разновидности, свойства, добыча и применение Виды кристаллов и их свойства

Муниципальное Бюджетное общеобразовательное учреждение

Одинцовская гимназия № 4

Исследовательская работа

Кристаллы

Работу выполнила:

Минасова Виктория

Ученица 2-го «В» класса

Руководитель:

Манухова Н.Е

Учитель нач.классов

Оглавление:

Введение

1. Теоретическая часть.

1.1 Что такое кристаллы?

1.2 Виды и типы кристаллов.

1.3 Какие формы бывают у кристаллов?

1.4 Строение кристаллов

1.5 Кристаллы в жизни человека.

1.6 Интересные факты о кристаллах

1.7 Кристаллы - драгоценные камни

Вывод

Список литературы

Приложения

2.Экспериментальная часть.

2.1. Выращивание кристалла из химического состава

2.2.Вращивание кристалла из сахарного сиропа

Введение:

Как-то раз, когда мне было 5 лет мы с мамой растили кристалл. Тогда я не понимала, насколько это интересно наблюдать за ними, следить за их ростом и замечать, как они образуют различные формы. Я вспомнила об этом, когда нам нужно было выбрать тему своей исследовательской работы.

Собирая информацию для проекта, мы узнали, что можно вырастить кристаллы не только из готовых химических составов, но и из соли, медного купороса и сахара. В теме этого проекта мы попробуем вырастить кристаллы из готового химического состава и сахара.

Цель моего проекта : узнать и рассказать одноклассникам интересные сведения о кристаллах, об их форме, о том, как появляются кристаллы.

Задачи:

1.Провести анализ источников по теме проекта;

2.Узнать о том, как появляются кристаллы;

3.Выяснить, какие бывают кристаллы;

4.Вырастить кристаллы в домашних условиях;

5.Создать презентацию по теме проекта.

1.Теоретическая часть.

1.1 Что такое кристаллы?

Само слово кристалл произошло от древнегреческого «krystallos», что значит «лёд». Айсберг – огромная глыба льда. Твердое вещество, молекулы которого организованы в четкой повторяющейся схеме. Благодаря такой повторяющейся структуре кристаллы сами могут принимать странные и интересные формы. Иногда их совершенство наводит на мысль, что над ними потрудился профессиональный огранщик

Кристалл - это твердое состояние вещества. Он имеет определенную форму и определенное количество граней вследствие расположения своих атомов. Все кристаллы одного вещества имеют одинаковую форму, хоть и могут отличаться размерами.

В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы. Вода - одно из самых распространенных из них. Замерзающая вода превращается в кристаллы льда или снежинки. Минеральные кристаллы тоже образуются в ходе определенных породообразующих процессов. Огромные количества горячих и расплавленных горных пород глубоко под землей в действительности представляют из себя растворы минералов. Когда массы этих жидких или расплавленных горных пород выталкиваются к поверхности земли, они начинают остывать. Они охлаждаются очень медленно. Минералы превращаются в кристаллы, когда переходят из состояния горячей жидкости в холодную твердую форму. Например, горный гранит содержит кристаллы таких минералов, как кварц, полевой шпат и слюда. Миллионы лет тому назад гранит был расплавленной массой минералов в жидком состоянии.

В настоящее время в земной коре имеются массы расплавленных горных пород, которые медленно охлаждаются и образуют кристаллы различных видов. Кристаллы могут иметь всевозможные формы. Все известные в мире кристаллы могут быть разделены на 32 вида, которые в свою очередь могут быть сгруппированы в шесть видов. Кристаллы могут иметь и разные размеры. Некоторые минералы образуют кристаллы, которые разглядеть можно только с помощью микроскопа. Другие же образуют кристаллы, вес которых составляет несколько сотен фунтов.(рис1)

1.2 Виды и типы кристаллов

Различают несколько типов кристаллов:

1) ионные

2) атомные

3) металлические

4) молекулярные

Идеальная форма кристалла имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами и обладает симметрией. В кристаллах можно найти различные элементы симметрии. Кристаллические тела делятся на монокристаллы и поликристаллы.

Виды кристаллов

Монокристаллы Поликристаллы

Монокристалл представляет собой монолит с единой ненарушенной кристаллической решеткой. Природные монокристаллы больших размеров встречаются очень редко.

Монокристаллами являются кварц, алмаз, рубин и многие другие драгоценные камни.

Большинство кристаллических тел являются поликристаллическими, то есть состоят из множества мелких кристалликов, иногда видных только при сильном увеличении.

Поликристаллами являются все металлы

Природные кристаллы.

Раньше кристаллы считали редкостью. Конечно, великаны многогранники встречаются не часто. Но кристаллы меньших размеров окружают нас повсюду. В граните даже без лупы можно легко различить пластинки слюды, кристаллики кварца и полевого шпата. Песок состоит из окатанных кристаллов кварца, а мрамор – из кристаллов кальцита. Почти все минералы на земле состоят из кристаллов. Установлено, что все металлы и почти все камни – кристаллы. На земле нет некристаллических металлов.

Снежинки - это тоже кристаллы. Составленные из тонких ледяных иголочек, они похожи на звездочки. У этих звездочек всегда шесть лучей. Все они разные. Один ученый сделал 2500 фотоснимков снежинок, и все они отличались. Узоры на окнах зимой - это тоже кристаллы воды. Толстый лед на реке составлен из шестиугольных столбиков, похожих на карандаши. И иголочки снежинок, и «карандашики» - это кристаллы замёршей воды. Из кристаллов состоят очень многие другие тела: в глине, каучуке, саже, костях, волосах, иглах дикобраза, клыках мамонта, в волокнах шерсти, шелка, целлюлозы обнаружено кристаллическое строение.

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище.

С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями.

Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисман ах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения.

В природе кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров.

Примером кристаллизации из расплава является образование льда из воды.

Примером образования кристаллов из растворов, могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды.

Примером образования кристаллов из пара и газа являются снежинки, иней. Воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.

Многие кристаллы, что удивительно, являются продуктами жизнедеятельности организмов. Это, например, жемчуг, перламутр.

Рифы и целые острова в океанах сложены из кристалликов углекислого кальция, составляющих основу скелета беспозвоночных животных - коралловых полипов. (рис 2-4)

Искусственные кристаллы.

Для многих отраслей техники, выполнения научных исследований требуются кристаллы очень высокой химической чистоты с совершенной кристаллической структурой.

Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных

Кроме того, потребность во многих кристаллах превышает запасы в природных месторождениях.

Из более чем 3000 минералов, существующих в природе, искусственно удалось получить уже больше половины. (рис 5-7)

1.3 Формы кристаллов

Форма кристаллов следует топологии молекул, из которых они состоят так, что каждая новая молекула может закрепиться, как в конструкторе заданной формы, по направлениям межатомных связей.

Но то, сколько молекул закрепится и с какой стороны и грани, то, насколько непрерывно будет нарастать конструкция кристалла, какие молекулы примесей и сколько окажется включенным в кристалл или, при невозможности образовать связи с его конструкцией, внедрятся в него как кристалл другого типа, - все это зависит от внешних условий формирования кристаллов, приводя к невероятному разнообразию форм даже для "чистого" вещества (содержащего молекулы одного вида). Наибольшее влияние оказывают температура и химический состав окружающей среды.

В каждых данных условиях формируется и остается неизменным ("выживает") то, что соответствует этим условиям, а в противном случае претерпевает изменения.

Наиболее знакомо всем и постоянно наблюдается разнообразие кристаллов воды: Снежинки, Ледяные узоры, Кристаллы воды.

Повсюду разнообразные формы кристаллов окружающих веществ, видимые и микроскопические, непосредственно определяющие нашу жизнь и вообще делающие возможной жизнь на Земле. Ведь органические вещества и даже био -формы - так же определены в своей основе направленностью межатомных связей в молекулах. (рис.8)

1.4 Строение кристаллов

Разнообразие кристаллов по форме очень велико .

В кристаллах все атомы расположены так, чтобы из них образовывалась трехмерно-периодическая укладка. Таким образом, на поверхности мы видим кристаллическую решетку. (рис.9)

Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством - какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы.

Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами. Грани кварца имеют форму неправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и те же - 120°.

Закон постоянства углов, открытый в 1669 г. датчанином Николаем Стено, является важнейшим законом науки о кристаллах - кристаллографии.

Измерение углов между гранями кристаллов имеет очень большое практическое значение, так-как по результатам этих измерений во многих случаях может быть достоверно определена природа минерала.

Простейшим прибором для измерения углов кристаллов является прикладной гониометр. (рис. 10-11)

Гониометр (от греч. γωνία (гониа) - угол и греч. μέτρεω (метрео) - измеряю)

Прибор для измерения углов между плоскими гранями твердых тел. Используется в кристаллографии, геодезии, метрологии и др.

1.5 Кристаллы в жизни человека

Мы живем в мире кристаллов. Наши дома и города построены из камня и металла, т.е. в основном из кристаллов. Мы ходим по кристаллам, добываем кристаллы из земли, создаем изделия из кристаллических материалов, едим кристаллы, лечимся кристаллами и даже сами частично состоим из кристаллов. Из кристаллов делают очень много нужных вещей. Например, полупроводниковые кристаллы применяются в радиотехнике, камни в часах- тоже кристаллы. У кристаллов много применений.

Из таблицы видно, что кристаллы широко применяются в науке и технике(прил.): полупроводники, призмы и линзы для оптических приборов, лазеры, пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, оптические и лектрооптические кристаллы, ферромагнетики и ферриты, монокристаллы металлов высокой чистоты...(рис.12-13)

Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности.

Рентгеноструктурные исследования кристаллов позволили установить строение многих молекул, в том числе и биологически активных – белков, нуклеиновых кислот.

Сегодня трудно назвать такую отрасль производства, в которой бы не использовались кристаллы. Ограненные кристаллы драгоценных камней, в том числе выращенных искусственно, используются как украшения. (рис.14-16)

1.6. Интересные факты о кристаллах

1) Самые крупные кристаллы существуют в Мексике, в двух пещерах. На глубине более 300 метров находятся кристаллы длинною в 10-15 м. А сами таковые состоят из селенита - прозрачный гипс. (рис.17)

2) Знаете ли вы, что кристаллы воспроизводят сами себя и таким образом растут? Их по праву можно называть "живыми" существами природы.(рис.18)

3) Кристаллы могут образовывать самые различные формы. И, несмотря на это, внутренний рисунок кристалла имеет цикличность в произведении других. Это было доказано учеными. (рис.19)

4) Знаете ли вы, что некоторые природные минералы могут образовывать кристаллы? Вот только есть одна проблема, рассмотреть таковые можно лишь через увеличительное стекло. (рис.20)

5) Знаете ли вы, что вода является самым основным "ингредиентом" для образования кристалла? (рис.21)

6) Есть и представители самых больших и крошечных кристаллов. Хранятся они в Австрии в музее "Хрустальные миры". Самый крупный весит более 62 кг и имеет 310 тыс. карат. Крошечный же вариант кристалла в диаметре не достигает и одного сантиметра. Все они принадлежат к самой знаменитой компании "Сваровски" и занесены в книгу рекордов Гиннеса. (рис.22-24)

1.7 Кристаллы - драгоценные камни.

Происхождение и строение драгоценных камней.

Драгоценные камни - это минералы, которые обладают особыми свойствами. Ценность камней зависит от того, насколько они редки, каковы их цвет, прозрачность, вес. Откуда же черпают минералы свою силу? Все минералы образуются в ходе процесса, называемого кристаллизацией. При высокой температуре минерал является частью раствора. Находясь в жидком состоянии, остывая, он приобретает свою многогранную форму и характерную внутреннюю структуру со строгим порядком распределения атомов.

Все драгоценные камни, за редким исключением, принадлежат миру минералов.

Минералы могут возникать различными способами. Одни образуются из огненно-жидких расплавов и газов в недрах Земли или из вулканических лав, извергнутых на ее поверхность (магматические минералы). Другие выпадают из водных растворов либо растут с помощью организмов на (или вблизи) земной поверхности (осадочные минералы). Новые минералы образуются путем перекристаллизации уже существующих минералов под влиянием больших давлений и высоких температур в глубинных слоях земной коры (метаморфические минералы).

Химический состав минералов выражают формулой. Примеси при этом не учитываются, даже если они вызывают появление цветовых оттенков, вплоть до полного изменения цвета минерала. Почти все минералы кристаллизуются в определенных формах, то есть представляют собой кристаллы - однородные по составу тела с регулярным расположением атомов, ионов или молекул в решетке. Кристаллы характеризуются строгими геометрическими формами и ограничены преимущественно гладкими плоскими гранями. В большинстве своем кристаллы мелки, отчасти даже микроскопически малы; но встречаются и гигантские экземпляры. Внутренняя структура кристаллов (пространственная решетка) определяет их физические свойства, в том числе внешнюю форму, твердость и способность раскалываться, тип излома, плотность и оптические явления.

Вывод .

1. Кристаллы- это камни с природной, правильной, симметричной, многогранной формой;

2. Все металлы и почти все камни – кристаллы. На земле нет некристаллических металлов;

3. Мы живем в мире кристаллов. Наши дома и города построены из кристаллов, мы ходим по кристаллам, едим кристаллы, лечимся кристаллами и т.д.

4. Форма кристалла зависит от того, как расположены частицы из которых он состоит;

5. У кристаллов может быть 9 вариантов формы: призма (ромбическая и шестигранная), куб, цилиндр и др. У кристаллов медного купороса- форма ромбической призмы, у кристаллов поваренной соли форма куба.

6. Что бы вырастить кристалл нужно: приготовить насыщенный раствор вещества; выделить на следующий день кристалл-затравку; закрепить кристалл-затравку в растворе и ждать.

Список литературы:

1. Большая иллюстрированная энциклопедия эрудита «Издательство МАХАОН» 2006г.

2. Кантор Б. З «Минерал рассказывает о себе" 1985г.

3. Алексинский В. Н «Занимательные опыты по химии" 1995г.

4. Китайгородский А.И «Кристаллы» 1950г.

Расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решётку .

Кристаллы - это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений, составляющих вещество частиц (атомов , молекул , ионов).

Кристаллическая структура

Кристаллическая структура, будучи индивидуальной для каждого вещества, относится к основным физико-химическим свойствам этого вещества.

Кристаллическая решётка

Составляющие данное твёрдое вещество частицы образуют кристаллическую решётку. Если кристаллические решётки стереометрически (пространственно) одинаковы или сходны (имеют одинаковую симметрию), то геометрическое различие между ними заключается, в частности, в разных расстояниях между частицами, занимающими узлы решётки. Сами расстояния между частицами называются параметрами решётки. Параметры решётки, а также углы геометрических многогранников определяются физическими методами структурного анализа, например, методами рентгеновского структурного анализа.

Часто твёрдые вещества образуют (в зависимости от условий) более чем одну форму кристаллической решётки; такие формы называются полиморфными модификациями. Например, среди простых веществ известны ромбическая и моноклинная сера , графит и алмаз , которые являются гексагональной и кубической модификациями углерода , среди сложных веществ - кварц , тридимит и кристобалит представляют собой различные модификации диоксида кремния.

Виды кристаллов

Следует разделить идеальный и реальный кристалл.

Идеальный кристалл

Является, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани.

Реальный кристалл

Всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство - закономерное положение атомов в кристаллической решётке.

Анизотропия кристаллов

Многим кристаллам присуще свойство анизотропии , то есть зависимость их свойств от направления, тогда как в изотропных веществах (большинстве газов, жидкостей, аморфных твёрдых телах) или псевдоизотропных (поликристаллы) телах свойства от направлений не зависят. Процесс неупругого деформирования кристаллов всегда осуществляется по вполне определённым системам скольжения, то есть лишь по некоторым кристаллографическим плоскостям и лишь в некотором кристаллографическом направлении. В силу неоднородного и неодинакового развития деформации в различных участках кристаллической среды между этими участками возникает интенсивное взаимодействие через эволюцию полей микронапряжений.

В то же время существуют кристаллы, в которых анизотропия отсутствует.

В физике мартенситной неупругости накоплен богатый экспериментальный материал, особенно по вопросам эффектов памяти формы и пластичности превращения. Экспериментально доказано важнейшее положение кристаллофизики о преимущественном развитии неупругих деформаций почти исключительно посредством мартенситных реакций. Но принципы построения физической теории мартенситной неупругости неясны. Аналогичная ситуация имеет место в случае деформации кристаллов механическим двойникованием.

Значительные успехи достигнуты в изучении дислокационной пластичности металлов. Здесь не только понятны основные структурно-физические механизмы реализации процессов неупругой деформации, но и созданы эффективные способы расчёта явлений.

Физические науки, изучающие кристаллы

кристаллография изучает идеальные кристаллы c позиций законов симметрии и сопоставляет их с кристаллами реальными.
структурная кристаллография занимается определением внутренней структуры кристаллов и классификацией кристаллических решеток.
кристаллооптика изучает оптические свойства кристаллов.
кристаллохимия изучает закономерности образования кристаллов из различных веществ и в разных средах.

Вообще свойства реальных кристаллов - огромная научная отрасль, достаточно сказать, что все полупроводниковые свойства некоторых кристаллов (на основе которых создаётся точная электроника и, в частности, компьютеры) возникают именно за счет дефектов.

См. также

Примечания

Литература

Химия: Справ. изд./ В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем. - М.: Химия, 1989.
Курс общей физики, книга 3, И. В. Савельев: Астрель, 2001, ISBN 5-17-004585-9 .
Кристаллы / М. П. Шаскольская , 208 с ил. 20 см, 2-е изд., испр. - М.: Наука, 1985.
Лихачёв В. А., Малинин В. Г. Структурно-аналитическая теория прочности. - СПб: Наука. - 471 с.
Зоркий П.М. Симметрия молекул и кристаллических структур. М.: изд-во МГУ, 1986. - 232 с.

Ссылки

Кристаллы минералов , Формы природного растворения кристаллов
Определение понятия «Кристалл» в Большом Энциклопедическом словаре
Единственный с своём роде завод, производящий Кристаллы

Wikimedia Foundation . 2010 .

Легенда
Рау, Йоханнес

Смотреть что такое "Кристаллы" в других словарях:

КРИСТАЛЛЫ - (от греч. krystallos, первоначальное значение лёд), твёрдые тела, обладающие трёхмерной периодич. ат. структурой и, при равновесных условиях образования, имеющие естеств. форму правильных симметричных многогранников (рис. 1). К. равновесное… … Физическая энциклопедия

КРИСТАЛЛЫ - (от греч. crystallos лед), однородные твердые тела, которые имеют закономерное внутреннее строение. Схемой такого строения является так называемая пространственная решот ка (см. рисунок), которую надо понимать как геометрический образ… … Большая медицинская энциклопедия

КРИСТАЛЛЫ - (от греч. krystallos первонач. лед), твердые тела, атомы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку). Кристаллы обладают симметрией атомной структуры, соответствующей ей симметрией внешней формы,… … Большой Энциклопедический словарь

Кристаллы - I Кристаллы (от греч. krýstallos, первоначально лёд, в дальнейшем горный хрусталь, кристалл) твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников (рис. 1). Эта форма следствие упорядоченного расположения в К. атомов,… … Большая советская энциклопедия

кристаллы - (от греч. krýstallos, первоначально лёд), твёрдые тела, атомы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решётку). Кристаллы обладают симметрией атомной структуры, соответствующей ей симметрией внешней… … Энциклопедический словарь

КРИСТАЛЛЫ - (от греч. krystallos кристалл; первоначально лед), твердые тела, обладающие трехмерной периодич. атомной (или молекулярной) структурой и, при определенных условиях образования, имеющие естеств. форму правильных симметричных многогранников (рис.… … Химическая энциклопедия

КРИСТАЛЛЫ - (от греч. krystallos, букв. лёд; горный хрусталь) твёрдые тела, имеющие упорядоченное взаимное расположение образующих их частиц атомов, ионов, молекул. В идеальном К. частицы располагаются строго периодически в трёх измерениях, образуя т. н.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Твердые тела разделяют на аморфные тела и кристаллы. Отличие вторых от первых состоит в том, что атомы кристаллов располагаются согласно некоторому закону, образуя тем самым трехмерную периодическую укладку, что называется – кристаллическая решетка.

Примечательно, что название кристаллов происходит от греческих слов «застывать» и «холод», и во времена Гомера этим словом называли горный хрусталь, который тогда считался «застывшим льдом». Сперва данным термином называли лишь ограненные прозрачные образования. Но позже, кристаллами стали звать также непрозрачные и не ограненные тела природного происхождения.

Кристаллическая структура и решетка

Идеальный кристалл представляется в виде периодически повторяющихся одинаковых структур – так называемых элементарных ячеек кристалла. В общем случае, форма такой ячейки – косоугольный параллелепипед.

Следует различать такие понятия как кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Первая – это математическая абстракция, изображающая регулярное расположение неких точек в пространстве. В то время как кристаллическая структура – это реальный физический объект, кристалл, в котором с каждой точкой кристаллической решетки связана определенная группа атомов или молекул.

Кристаллическая структура граната — ромб и додекаэдр

Основным фактором, определяющим электромагнитные и механические свойства кристалла, является строение элементарной ячейки и атомов (молекул), связанных с ней.

Анизотропия кристаллов

Главное свойство кристаллов, отличающее их от аморфных тел – это анизотропия. Это означает, что свойства кристалла различны, в зависимости от направления. Так, например, неупругая (необратимая) деформация осуществляется лишь по определенным плоскостям кристалла, и в определенном направлении. В связи с анизотропией кристаллы по-разному реагируют на деформацию в зависимости от ее направления.

Однако, существуют кристаллы, которые не обладают анизотропией.

Виды кристаллов

Кристаллы разделяют на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллами называют вещества, кристаллическая структура которых распространяется на все тело. Такие тела являются однородными и имеют непрерывную кристаллическую решетку. Обычно, такой кристалл обладает ярко выраженной огранкой. Примерами природного монокристалла являются монокристаллы каменной соли, алмаза и топаза, а также кварца.

Немало веществ имеют кристаллическую структуру, хотя обычно не имеют характерной для кристаллов формы. К таким веществам относятся, например, металлы. Исследования показывают, что такие вещества состоят из большого количества очень маленьких монокристаллов — кристаллических зерен или кристаллитов. Вещество, состоящее из множества таких разноориентированных монокристаллов, называется поликристаллическим. Поликристаллы зачастую не имеют огранки, а их свойства зависят от среднего размера кристаллических зерен, их взаимного расположения, а также строения межзеренных границу. К поликристаллам относятся такие вещества как металлы и сплавы, керамики и минералы, а также другие.

Но то, сколько молекул закрепится и с какой стороны и грани, то, насколько непрерывно будет нарастать конструкция кристалла, какие молекулы примесей и сколько окажется включенным в кристалл или, при невозможности образовать связи с его конструкцией, внедрятся в него как кристалл другого типа, - все это зависит от внешних условий формирования кристаллов, приводя к невероятному разнообразию форм даже для "чистого" вещества (содержащего молекулы одного вида). Наибольшее влияние оказывают температура и химический состав окружающей среды.

Если направление роста кристалла от слоя к слою определяется ориентацией функциональных групп в молекуле, то скорость роста в данном направлении - от так называемой поверхностной энерги и (термодинамическая энерги я молекулярного взаимодействия на границах раздела фаз): там, где более остро - большая энерги я, а в вогнутостях - наименьшая. Поэтому грани обладают меньшей поверхностной энерги ей, чем острые края и вершина.
Кристалл при своём росте принимает такую форму, при которой его поверхностная энерги я имеет наименьшее назначение. Вследствие этого скорости роста граней пропорциональны поверхностным энерги ям этих граней. Быстрорастущие грани кристалла в процессе роста постепенно исчезают. В результате кристалл всегда оказывается ограниченным гранями с малой поверхностной энерги ей.
Если спилить вершины кристалла, а затем погрузить его в пересыщенный раствор, то кристалл будет расти так, что его искусственно созданные грани с большим значением коэффициентом поверхностного натяжения начнут расти быстрее других, и будут уничтожаться. В результате кристалл «восстановит» свою форму.

Наиболее знакомо всем и постоянно наблюдается разнообразие кристаллов воды: Снежинки , Ледяные узоры , Кристаллы воды . Мистические легенды об этом: Живая вода Масару Эмото - здесь, в противовес мист ике, размещена подборка фотографий снежинок, выполненных физиком Кеннетом Либрехтом (Kenneth Libbrecht) из Калифорнийского технологического института и его наблюдения за условиями их образования.

Но вокруг повсюду не менее разнообразны формы кристаллов окружающих веществ, видимые и микроскопические, непосредственно определяющие нашу жизнь и вообще делающие возможной жизнь на Земле. Ведь органические вещества и даже био-формы - так же определены в своей основе направленностью межатомных связей в молекулах.

Об этом более подробно было - в статье Про химию . Там же говорилось о возможности выращивани и наблюдения кристаллов в домашних условиях вплоть до технологии получения кристаллов сапфиров и рубинов.

Завораживающие кристаллические формы из коллекции минералогического музея им. Ферсмана (фото сделаны с любезного согласия главного хранителя музея) можно посмотреть в галерее:

Про этот минералогический музей уже была обзорно-ознакомительная статья в стиле описания путешествия: .

Невозможно рассказать про все минералы, хотя есть очень удобный ресурс, который публикует по очень многим из них фото и статьи: Каталог минералов и драгоценных камней . Рассмотрим условия образования некоторых из них.

Кристаллические формы карбоната кальция Ca-CO 3 .

Углекислый газ CО 2 - активная группа атомов, которая при растворении в воде объединяется с ее молекулами с образованием катиона H (кислая среда) и аниона CO 3 . При наличии в растворе (или вулканическом расплаве) ионов металлов может образовываться множество различных карбонатов: с литофильными (Na, Ca, Mg, Sr, Ba, TR), а также халькофильными (Zn, Сu, Pb, Bi) элементами образуют более 80 природных соединений (минералов). Карбонат кальция имеет наиболее важное для живых организмов значение, начиная с самых ранних этапов эволюции - в качестве опорных и защитных жестких форм. Существуют залежи остатков таких форм в породах, а в океанах - атоловые острова, построенные колониями микроорганизмов. Кроме этого в природе существуют огромные залежи карбоната кальция вулканического происхождения.

В любом случае, при воздействии воды, карбонат кальция постепенно растворяется, переносится с этой водой и осаждается в виде кристаллических форм, которые в пещерах поражают воображение красотой и разнообразием. Мне доводилось бывать в еще никем не посещенной и, соответственно, не разграбленной, не нарушенной пещере, и это - не преувеличение для эффектного словца: увиденное поражает воображение очень глубоко и сильно.

Кальцит - одна из природных форм карбоната кальция. По ссылке - более подробное описание и много фотографий его различных видов. Мрамор - одна из таких форм - результат перекристаллизации (растворений и новой кристаллизации) с некоторым количеством примесей, придающих цвет и узоры.

Кристаллические формы серы S и ее соединений .

Сера в природе встречается как в свободном виде, так и в виде огромного множества ее соединений. В свободном виде она образует красивые кристаллы на других породах. Из вулканических газов (фумарол) конденсируется сера и откладывается близ фумарольных жерел. В результате вокруг фумарол нарастают разнообразные по форме серные купола. Другой причиной образования серных отложений считается деятельность бактерий.

Важнейшие природные соединения серы FeS 2 - железный колчедан или пирит , ZnS - цинковая обманка или сфалерит (вюрцит), PbS - свинцовый блеск или галенит , HgS - киноварь , Sb 2 S 3 - антимонит . Кроме того, сера присутствует в нефти, природном угле, природных газах и сланцах. Сера - шестой элемент по содержанию в природных водах, встречается в основном в виде сульфат-иона и обуславливает «постоянную» жёсткость пресной воды. Сера - жизненно важный элемент для высших организмов, составная часть многих белков, концентрируется в волосах.

Гипс - одна из форм соединений серы: Ca-SO 4 2H 2 O - т.е.. Это - соль кальция и серной кислоты, каждая молекула которой связана с молекулой воды в кристаллах. На фото - кристаллы гипса со свободной серой на них.

Гипс может иметь формы кристаллов: таблитчатые, призматические, столбчатые, игольчатые. По ссылке - более подробное описание и много фотографий его различных видов.

Пирит или железный колчедан - соединение серы и железа Fe-S 2 Имеет металлический блеск и неопытные люди легко принимают его за золото.

Пирит - один из самых распространенных в Земной коре сульфидов. Большие его залежи сосредоточены в месторождениях гидротермального происхождения, колчеданных залежах , осадочных и метаморфических породах. Кроме того пирит в небольших количествах образуется в магматических процессах.

По ссылке - более подробное описание и много фотографий его различных видов.

Кристаллические формы окислов кремния Si-0 2 .

Кремний имеет те же основные химические свойства, что и углерод, но обладает более низкой активностью в аналогичных соединениях (в таблице Менделеева он располагается под углеродом), что придает его соединениям разительно иные качества.

По распространённости в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на 27,6-29,5 % состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов . Больше всего распространен кремнезём - многочисленные формы диоксида кремния (IV) SiO 2 (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12 % земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается, хотя одна четвертая земли состоит из кремния.

Кварц - окись кремния Si-O 2 .

Кварцевые кристаллы - шестигранные призмы, с одного конца (реже с обоих) увенчанные шести- или трёхгранной пирамидальной головкой, сочетающей грани двух ромбоэдров. Часто по направлению к головке кристалл постепенно сужается.

Кварц образуется при различных геологических процессах: Непосредственно кристаллизуется из магмы кислого состава. Температура его выделения может превышать 1000 °C. Кварц кристализуется из обогащённых флюидом пегматитовых магм.

При гидротермальном процессе образуются кварцевые и хрусталеносные жилы. Нередки красивые жеоды из минералов кварца, часто с агатовой оболочкой.

В промышленности имеет место синтез кварца гидротермальным способом. Преимуществом синтетического кварца для промышленности является большая однородность по примесям, более высокая химическая чистота. Также преимуществом метода синтеза является то, что результатом выращивания являются монокристаллы, которые по своим свойствам более пригодны для использования в качестве пьезооптического кварца, чем широко распространённые в природе сдвойникованные кристаллы. Для ювелирной промышленности также метод синтеза является немаловажным, так как позволяет получать кварц практически любых цветов, самой разной насыщенности, при необходимости даже с переходами одной окраски в другую. Выращивают даже не существующий в природе синий кварц.

По ссылке - более подробное описание и много фотографий различных форм кристаллов кварца, в том числе - горного хрусталя.

Агат - скрытокристаллическая разновидность кварца, представляет собой тонковолокнистый агрегат халцедона со слоистой текстурой и полосчатым распределением окраски. Ювелиры называют агатом также разновидности халцедона без явной слоистости, но с различными включениями, создающими конкретный рисунок: моховой агат, агат звёздчатый и другие.

Агаты медленно формируется в условиях, обеспечивающих протекание периодических химических реакций, связанных с диффузией и пересыщением соединений кремния. Зоны агатов могут иметь толщину до 1,5 мкм. Концентрическая слоистость агатов формировалась в условиях избыточного гидростатического давления. Агаты формируются в закрытой системе - полости бывшего газового пузыря, изолированного в толще лавы. У глазковых (очковых) агатов концентрические круговые слои располагаются вокруг центральной точки (эта точка может содержать несколько кристалликов горного хрусталя), это самые ценные агаты. В некоторых агатах в зоне шириной 1 см может содержаться несколько тысяч различных слоев.

По ссылке - более подробное описание и много фотографий различных форм агата. Еще - про халцедон .

Аметист - синяя, синевато-розовая или красно-фиолетовая разновидность кварца . Встречается обычно в виде свободно сидящих в пустотах и жилах среди кристаллических горных пород кристаллов и их сростков.

Красивый фиолетовый или вишнёво-синий цвет аметиста, которым он только и отличается от простого кварца и горного хрусталя, обусловлен не следами окислов железа и марганца, как думали прежде, а примесью органического красящего вещества. Поэтому при прокаливании уже около 250° аметист теряет свою окраску, переходящую постепенно в жёлтую или зеленоватую, и становится бесцветным.

Аметист образуется в низкотемпературных гидротермальных условиях.

В природе аметист встречается в виде призматических кристаллов, увенчанных пирамидальной головкой, в виде скипетровидных кристаллов, а также щеток, друз, в сростках и параллельно-шестоватых кристаллических агрегатах.

По ссылке - более подробное описание и много фотографий кристаллов аметистов.

Кристаллические формы окислов металлов .

Берилл - Соединение окислов алюминия, бериллия и окиси кремния: (Al 2 O 3)-(Be 0) 3 -(SiO 2 ) 6

однако состав благодаря постоянному наличию щелочей (Na, Cs, Rb), Li, Mn, Fe 2+ , Fe 3+ , Cr 3+ , присутствию воды, гелия и аргона гораздо более сложен.

По происхождению берилл является продуктом пневматолитовых и гидротермальных процессов. Чаще всего он встречается в пегматитовых жилах, грейзенах, а также в кристаллических сланцах.
А. Е. Ферсман установил связь некоторых особенностей берилла с условиями его образования. Так, по мере снижения температуры образования бериллов их окраска и габитус изменяются:
800-700" С - сине-зеленые бериллы с типично удлиненным призматическим габитусом кристаллов;
600° - желтовато-зеленые и бурые бериллы с укороченными призмами;
500° С - зеленовато-синие (аквамарины) и бесцветные бериллы с еще более укороченными призмами;
400° С - розовые (воробьевиты) и бесцветные (ростериты) бериллы, короткостолбчатые и даже таблитчатые. Понижение температуры образования бериллов благоприятствует обогащению их щелочами, и поэтому при повышении температуры образования плотность минерала уменьшается.
Бериллы связаны с кислыми породами (гранитами) и их пегматитами, в которых они особенно полно изучались П. П. Пятницким.
Бериллы находятся в ассоциации с кварцем, полевым шпатом, топазом, турмалином и флюоритом. В грейзенах они наблюдаются вместе с касситеритом, вольфрамитом, молибденитом.

В зависимости от цвета различают:

Августит , или максис-берилл - тёмно-синий
Аквамарин - голубой, голубовато-синий, зеленовато-голубой, голубовато-зелёный
Баццит - бледно-голубой
Берилл благородный - яблочно-зелёный; благородный обыкновенный - прозрачный, но с бледной окраской (термин употребляется гл. образом в ювелирном деле)
Биксбит - красный (также называют «красным изумрудом»)
Воробьевит (син:морганит, биксбит ) - розовый, фиолетово-розовый, красный
Гелиодор (син:давидсонит ) - жёлтый, золотисто-жёлтый, оранжево-жёлтый
Гошенит - бесцветный
Изумруд - насыщенный и яркий густо-зелёный, травяно-зелёный до салатно-зелёного (чем бледнее цвет, тем меньше ценится)
Ростерит - бесцветный или бледно-розовый

Несмотря на широкое распространение минералов группы берилла в геологических формациях, их ювелирные разности встречаются крайне редко, так как для этого необходимы условия свободного роста кристаллов в миароловых пустотах, что характерно только для завершающих стадий формирования вмещающих гранитоидных интрузивов.

По ссылке - более подробное описание и много фотографий кристаллов берилла. И еще ссылка - про изумруд.

Корунд - кристаллическая форма окиси алюминия Al 2 -O 3 . Мелкокристаллическая форма окиси алюминия - глинозем (в смеси в окислами калия, натрия, магния и т. д.).

Для образования корунда необходимы условия дефицита кремнезема и высокого содержания глинозема (именно из глинозема его получают искусственно). Магматический акцессорный корунд встречается в сиенитах и нефелиновых сиенитах, в более крупных кристаллах присутствует в щелочных пегматитах. Иногда образуется в результате десиликации (потери кварца) гранитных пегматитов, залегающих в ультраосновных породах. Известен как продукт метаморфизма бокситов и других высокоглиноземист ых пород. Развит в глубокометаморфизированных породах типа гнейсов, кристаллических сланцев, гранатовых амфиболитов, а также в мраморах. В зонах контактового метаморфизма высокоглиноземист ых осадочных пород могут образоваться наждаки - тонкозернистые смеси корунда с магнетитом, гематитом, иногда со шпинелью, диаспором, хрупкими слюдами, гранатом и другими минералами.

Корунд как минеральный вид имеет следующие разновидности:

Рубин , «красный яхонт » - красного цвета; - драгоценный камень первой категории, цена прозрачных хорошо окрашенных экземпляров бывает больше, чем у алмазов.
Сапфир , «синий яхонт» - синего цвета разной интенсивности. При умеренно-интенсивной васильково-синей окраске - драгоценный камень первой категории, но ценится значительно ниже рубина. Слишком тёмные или слишком светлые сапфиры довольно дёшевы.

Кристаллы встречаются нам повсюду: мы ходим по кристаллам, строим из них, выращиваем их в лабораториях и в заводских установках, создаем приборы и изделия из кристаллов, широко применяем их в технике и в науке, едим кристаллы (вспомните поваренную соль), лечимся ими, находим кристаллы в живых организмах, выходим на просторы космических дорог, используя приборы из кристаллов.

Мы привыкли к кристаллам и редко задумываемся над их появлением на Земле, формой, строением, свойствами. Эти и некоторые другие вопросы я и постаралась осветить в своей исследовательской работе.

Возникновение кристаллов в природе

Вопрос о происхождении большинства минералов в природе тесно связано сложной проблемой происхождения и развития Земли. Многие минералы и горные породы образовались при охлаждении земной коры подобно тому, как образуется лед при замерзании воды. При охлаждении магмы сначала в ней образовались кристаллы того вещества, температура кристаллизации, которого самая высокая. По мере дальнейшего охлаждения происходила кристаллизация других минералов, обладающих меньшей температурой кристаллизации, и так до тех пор, пока вся магма не затвердела. Так, в честности, могли образовываться такие распространенные породы, как граниты. Чем медленнее понижалась температура магмы, т. е. чем дольше росли кристаллы, тем крупнозернистее получался минерал. Мелкозернистые же минералы образовались при более быстром охлаждении, а при очень быстром охлаждении магмы, например при ее выбросах, на поверхность Земли во время извержения вулканов, она затвердела раньше, чем начали расти кристаллы.

Многие минералы возникли из пересыщенных водных растворов. Первым среди них следует назвать каменную соль NaCl являющуюся одним из наиболее знакомых каждому человеку минералов.

Каждому известен способ образования кристаллов из пара. Снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев, представляют собой кристаллы льда, выросшие из паров воды.

Подобным образом образуются и кристаллы некоторых минералов.

Например, летучие пары соединений борного ангидрида, оседая на стенках пустот и трещин остывающей магмы, образуют кристаллы турмалина, иногда достигающие 2-3 м длины.

На стенках кратеров «курящихся» вулканов постоянно образуются кристаллы серы, хлористого аммония, каменной соли и других веществ, достигающих поверхности Земли в виде пара.

Многие кристаллы являются продукта жизнедеятельности организмов.

Некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр. За 5 - 10 лет образуется жемчуг, имеющий поликристаллическое строение.

В морской воде растворено много различных солей. Мириады организмов, населяющих моря, строят свои раковины и скелеты из углекислого кальция и кремнезема. Выпадая в осадок, раковины и скелеты умерших организмов образуют мощные пласты так называемых осадочных пород. Рифы и целые острова в океанах сложены из кристалликов углекислого кальция, составляющих основу скелета беспозвоночных животных - коралловых полипов. Мощные слои известняка в земной коре являются результатом многовековых отложений раковин и панцирей различных организмов.

Рост кристаллов.

Никто не видел, как образуется зародыш кристалла в растворе или расплаве. Можно высказать предположение, что беспорядочно движущиеся атомы или молекулы случайно могут расположиться в таком порядке, какой соответствует кристаллической решетке. Если раствор не насыщен или температура расплава выше температуры кристаллизации, то зародыши образуются и тут же растворяются или разрушаются тепловым движением. В перенасыщенном растворе или в расплаве, охлажденном до температуры ниже температуры кристаллизации, скорость роста зародыша превышает скорость его разрушения.

Особую роль в процессе роста кристалла играют несовершенства его структуры, называемые дислокациями (смещениями).

Точечные дефекты – это нарушение кристаллической решётки в изолированных друг от друга точках. Так, к точечным дефектам относятся вакансии, т. е. такие узлы решётки, в которых нет атомов (дырки). Схематически образование такого дефекта показано на рис. 34а. Точечными дефектами могут быть атомы внедрения, т. е. лишние атомы, поместившиеся в промежутках между атомами, расположенными в узлах кристаллической решётки. Это могут быть и примеси (инородные атомы), занимающие места в решётке. Размеры точечных дефектов равны примерно диаметру атома.

Каковы же причины образования дефектов?

В результате теплового движения атомов и их взаимодействия возможны отклонения (флуктуации) энергии отдельных атомов от среднего значения, при котором атом удерживается в узле кристаллической решётки.

При этом большие отклонения от средней величины менее вероятны, чем малые отклонения. Однако большие отклонения, превышающие среднее значение энергии на несколько порядков, всё-таки возможны.

Дефекты могут появиться также в процессе роста кристалла.

Итак, образование точечных дефектов возможно в процессе роста кристалла и из-за флуктуации энергии.

Экспериментально подтверждает наличие точечных дефектов в кристаллах явление диффузии в твёрдых телах.

На самом деле, в кристалле без дефектов никакой диффузии не должно было бы быть. Если атомы колеблются около узлов кристаллической решетки и не «покидают» эти положения, то не может быть проникновения атомов одного кристалла в другой.

Между тем установлено, что диффузия в твердых телах происходит, хотя и в меньших масштабах, чем в газах и жидкостях. Особенно интересно, что интенсивность этого процесса растет с увеличением температуры.

Как же объясняет явление диффузии в кристаллах современная теория строения твёрдого тела? Согласно этой теории диффузия в кристаллах происходит за счёт движения атомов внедрения, движения вакансии или какого-либо обмена местами между атомами. Для того чтобы атомы внедрения «перебрались» в другие промежутки между узлами, а вакансии – в другие узлы, необходимо, чтобы атомы, составляющие непосредственное окружение точечного дефекта, «расступились». При повышении температуры атомы «расступаются» чаще и дефекты перемещаются по кристаллу быстрее, а следовательно, и процесс диффузии происходит быстрее. Кроме того, с ростом температуры увеличивается и число точечных дефектов.

Линейные дефекты

Различают два вида дислокаций – краевую и винтовую.

Краевая дислокация. Искажение кристаллической структуры вызвано тем, что в части объёма кристалла в процессе его роста возникла лишняя атомная «полуплоскость». Искажение сосредоточено в основном вблизи нижнего края «полуплоскости» «лишних» атомов. Под дислокацией в подобных случаях понимают линию, проходящую вдоль края лишней атомной «полуплоскости» .

Искажение сосредоточено вблизи дислокационной линии. На расстоянии же нескольких атомных диаметров в сторону искажения настолько малы, что в этих местах кристалл имеет почти совершенную форму. Искажения возле края «лишней полуплоскости» вызваны тем, что ближайшие атомы как бы «пытаются» согласовать свое расположение с резким обрывом «лишней полуплоскости».

Любая царапина на поверхности кристалла может стать причиной краевой дислокации. Действительно, царапину на поверхности кристалла можно рассматривать как нехватку одной атомной плоскости. В результате теплового движения атомы из соседних областей могут перейти на поверхность, а дислокация тем самым переместится во внутрь.

Винтовая дислокация. Образование винтовой дислокации можно представить таким образом. Мысленно надрежем кристалл по плоскости Q и сдвинем одну его часть относительно другой по этой плоскости на один период решётки параллельно краю надреза CD. При этом линия искажений пойдет вдоль края разреза. Эту линию и называют винтовой дислокацией. При винтовой дислокации лишнего ряда атомов нет. Искажение пространственной решётки кристалла состоит в том, что атомные ряды изгибаются и меняют своих соседей.

Установлено, что винтовые дислокации чаще всего образуются во время роста кристалла. Однако приложение напряжений может увеличить число винтовых дислокаций.

Дислокации, как и точечные дефекты, могут перемещаться по кристаллической решетке. Однако движение дислокаций связано с большими ограничениями, так как дислокация всегда должна быть непрерывной линией. Возможны два основных вида движений дислокаций: переползание и скольжение. Переползание дислокаций происходит благодаря добавлению или удалению атомов из лишней полуплоскости, что бывает вследствие диффузии. При скольжении дислокации лишняя полуплоскость, занимавшая определенное положение в кристаллической решетке, соединяется с атомной плоскостью, находящейся под плоскостью скольжения, а соседняя атомная плоскость становится теперь лишней полуплоскостью. Такое плавное скольжение линии дислокации называется действием напряжений сдвига, приложенных к поверхности кристалла.

Наблюдения показывают, что перемещение дислокаций в реальном кристалле (при наличии других дислокаций) в одних случаях может быть облегчено, в других – затруднено, в зависимости от характера тех искажений, которые вносит дислокация в кристаллическую решетку.

Структура кристаллов

Кристалл представляет собой правильную трехмерную решетку, составленную из атомов или молекул. Структура кристалла – это пространственное расположение его атомов (или молекул). Геометрия такого расположения подобна рисунку на обоях, в которых основной элемент рисунка повторяется многократно. Одинаковые точки можно расположить на плоскости пятью разными способами, допускающими бесконечное повторение. Для пространства же имеется 14 способов расположения одинаковых точек, удовлетворяющих требованию, чтобы у каждой из них было одно и то же окружение. Это пространственные решетки, называемые также решетками Браве по имени французского ученого О. Браве, который в 1848 доказал, что число возможных решеток такого рода равно 14.

Требование того, чтобы каждый узел решетки имел одинаковое атомное окружение, применительно к кристаллам налагает ограничения на сам основной элемент рисунка. При повторении он должен заполнять все пространство, не оставляя пустых узлов. Было установлено, что существует лишь 32 варианта расположения объектов вокруг некоторой точки (например, атомов вокруг узла решетки), удовлетворяющих этому требованию. Это так называемые 32 пространственные группы. В сочетании с 14 пространственными решетками они дают 230 возможных вариантов расположения объектов в пространстве, называемых пространственными группами. Поскольку структура кристалла определяется не только пространственным расположением атомов, но и их типом, число структур очень велико.

Общими для всех кристаллов являются 14 пространственных решеток. Элементарная ячейка любого кристалла подобна одной из них, но ее размеры определяются размерами, числом и расположением атомов. Элементарная ячейка в виде параллелепипеда, вообще говоря, аналогична «кирпичику» Гаюи, т. е. базисному элементу, при повторении которого образуется кристалл. Рентгеновский анализ позволяет с большой точностью определять длину сторон ячейки и углы между сторонами. Элементарные ячейки очень малы и имеют порядок нанометра (10–9 м). Сторона кубической элементарной ячейки хлорида натрия равна 0,56 нм. Таким образом, в крохотной крупинке обычной поваренной соли содержится примерно миллион элементарных ячеек, уложенных одна к другой.

Методом дифракции рентгеновских лучей (рентгенография) можно определить не только абсолютные размеры элементарной ячейки, но также пространственную группу и даже расположение атомов в пространстве, т. е. структуру кристалла. Важную роль в исследовании кристаллических структур сыграли также методы дифракции электронов (электронография), дифракции нейтронов (нейтронография) и инфракрасной спектроскопии.

Форма кристаллов

Изучение внешней формы кристаллов началось прежде изучения симметрии, однако только после вывода 32 видов симметрии появилась надежная основа для создания геометрического учения о внешней форме кристаллов. Основным его понятием является понятие простой формы.

«Простой формой называется многогранник, который может быть получен из одной грани с помощью элементов симметрии (оси, плоскости и центра симметрии)».

Простые формы могут быть общими и частными в зависимости от того, как расположена исходная грань по отношению к элементам симметрии. Если она расположена косо, то простая форма, полученная из нее, будет общей. Если же исходная форма расположена параллельно или перпендикулярно к элементам симметрии, то получается частная простая форма.

Простые формы так же могут быть закрытыми и открытыми.

Закрытая форма может одна образовать кристаллический многогранник, в то время как одна открытая простая форма замкнутого многогранника образовать не может.

Каждая грань кристалла представляет собой плоскость, на которой располагаются атомы. Когда кристалл растет, все грани передвигаются параллельно сами себе, так как на них откладываются все новые и новые слои атомов. По этой причине, параллельно каждой грани в структуре кристалла располагается огромное количество атомных плоскостей, которые когда-то в начальных стадиях роста тоже располагались на гранях кристалла, но в процессе роста оказались внутри него.

Ребра кристалла представляют собой прямые, на которых атомы располагаются в ряд. Таких рядов в кристалле тоже огромное количество и они располагаются параллельно действительным ребрам кристалла.

Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко. Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как колебания температуры, тесное окружение соседними твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошлом совершенную огранку, успела утратить ее под действием воды, ветра, трения о другие твердые тела. Так, многие округлые прозрачные зерна, которые можно найти в прибрежном песке, являются кристаллами кварца, лишившимися граней в результате длительного трения друг о друга.

Симметрия в кристаллах

Рассматривая различные кристаллы, мы видим, что все они разные по форме, но любой из них представляет симметричное тело. И действительно симметричность это одно из основных свойств кристаллов. К понятию о симметрии мы привыкли с детства. Симметричными мы называем тела, которые состоят из равных одинаковых частей. Наиболее известными элементами симметрии для нас являются плоскость симметрии (зеркальное отображение) и ось симметрии (поворот вокруг оси, перпендикулярной к плоскости).

Все кристаллы симметричны. Это значит, что в каждом кристаллическом многограннике можно найти плоскости симметрии, оси симметрии, центры симметрии и другие элементы симметрии так, чтобы совместились, друг с другом одинаковые части многогранника. Введем еще одно понятие, относящиеся к симметрии, полярность. Представим конус и цилиндр, у обоих объектов есть по одной оси симметрии бесконечного порядка, но они различаются полярностью, у конуса ось полярна (представим центральную ось в виде стрелочки, указывающей к вершине), а у цилиндра ось неполярна.

Существует несколько видов симметрии. Прежде всего, в кристаллах могут быть оси симметрии только 1, 2, 3, 4 и 6 порядков. Представим плоскость, которую надо полностью покрыть семи -, восьми -, девятиугольниками и т. д. , так чтобы между фигурами не оставалось пространства, это не получится, пятиугольниками покрыть плоскость так же нельзя. Очевидно, оси симметрии 5, 7-го и выше порядков не возможны, потому что при такой структуре атомные ряды и сетки не заполнят пространство непрерывно, возникнут пустоты, промежутки между положениями равновесия атомов. Атомы окажутся не в самых устойчивых положениях и кристаллическая структура разрушится.

В кристаллическом многограннике можно найти разные сочетания элементов симметрии – у одних мало, у других много. По симметрии, прежде всего по осям симметрии, кристаллы делятся на три категории.

К высшей категории относятся самые симметричные кристаллы, у них может быть несколько осей симметрии порядков 2,3 и 4, нет осей 6-го порядка, могут быть плоскости и центры симметрии. К таким формам относятся куб, октаэдр, тетраэдр и др. Им всем присуща общая черта: они примерно одинаковы во все стороны.

У кристаллов средней категории могут быть оси 3, 4 и 6 порядков, но только по одной. Осей 2 порядка может быть несколько, возможны плоскости симметрии и центры симметрии. Формы этих кристаллов: призмы, пирамиды и др. Общая черта: резкое различие вдоль и поперек главной оси симметрии.

Кристаллы

Высшая категория Средняя категория Низшая категория алмаз турмалин гипс квасцы берилл слюда гранаты графит медный купорос германий рубин сегнетова соль кремний кварц медь цинк алюминий магний золото белое олово серебро серое олово вольфрам железо

Конечно, в этом списке не были перечислены все существующие кристаллы, а только наиболее известные из них. Категория, к которой принадлежит кристалл, характеризует его физический свойства.

Каждый кристаллический многогранник обладает определенным набором элементов симметрии. Полный набор всех элементов симметрии, присущих данному кристаллу называется классом симметрии. Сколько же всего таких наборов? Их количество ограничено. Математическим путем было доказано, что в кристаллах существует 32 вида симметрии.

Кристаллическая решетка

Понятие кристалла обычно ассоциируется у нас с минералами, умеющими геометрически правильную форму, которая одинакова как для больших, так и для малых кусков этих минералов.

Если кристаллик каменной соли, имеющий форму куба, разбить на мелкие части, то, изучая под микроскопом осколки, мы заметим, что все они независимо от размеров также имеют форму куба (или нескольких кубов). Если мысленно продолжить процесс деления кристаллов, то мы придем к элементарной ячейке кристалла, состоящей из минимального числа атомов (молекул или ионов).

Современные способы изучения кристаллов дают возможность узнать, как расположены частицы внутри элементарной ячейки кристалла. Совокупность периодически расположенных атомов называют кристаллической решеткой. Места расположения в кристаллической решетке частиц называют узлами решетки.

Типы кристаллов

В зависимости от частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, и от сил взаимодействия между ними различают четыре типа кристаллов: ионные, атомные, металлические и молекулярные.

В узлах кристаллической решетки ионного кристалла находятся ионы противоположных знаков. Ионы располагаются так, что силы электрического притяжения между ионами, имеющими заряды противоположных знаков, оказываются большими, чем силы отталкивания между ионами одного знака. Именно поэтому конфигурация кристаллической решетки оказывается устойчивой и может сохраняться неограниченно долго.

Так как электростатические силы одинаковы по всем направлениям, то ионы можно рассматривать как противоположно наэлектризованные шары. В ионном кристалле ионы противоположных знаков расположены ближе, чем ионы одинакового знака. При этом каждый положительный ион окружен шестью отрицательными ионами и каждый отрицательный ион – шестью положительными ионами. Следовательно, внутри кристалла нельзя выделить молекулу. Весь кристалл представляет как бы одну огромную молекулу. Такой вид связи называют ионной

В узлах кристаллической решетки атомного кристалла находятся нейтральные атомы. Связь между этими атомами можно упрощенно объяснить следующим образом. При сближении атомов их валентные электроны как бы становятся общими для ближайших соседей. Так, при сближении атомов германия четыре валентных электрона каждого атома становятся общими для ближайших четырех атомов и обеспечивают взаимодействие с ними. Следует, однако, иметь в виду, что это достаточно грубая модель, отражающая лишь самую существенную особенность взаимодействия атомов в атомном кристалле. Такой вид связи атомов в кристалле называют ковалентной связью.

В случае металлических кристаллов в узлах решетки располагаются положительные ионы металла, а между ними хаотически, подобно молекулам газа, движутся освободившиеся от связи с атомами свободные электроны. Эти «обобществленные» электроны играют роль своеобразного цемента, скрепляющего положительные ионы. Вместе с тем и положительные ионы удерживают электроны в пределах кристаллической решетки, и они поэтому не могут при обычных условиях покинуть кристалл. Такую связь атомов называют металлической.

Наконец, молекулярные кристаллы. В их узлах находятся нейтральные молекулы, которые удерживаются силами молекулярного притяжения. Эти силы невелики, поэтому твердые вещества с молекулярной решеткой легко разрушаются. Молекулярные кристаллические решетки имеют, например, водород, азот, вода, углекислота, когда эти вещества находятся в твердом состоянии.

Монокристаллы и поликристаллы

Реальные кристаллы состоят из огромного числа подобных ячеек. При этом надо отметить, что в том случае, когда образованию кристалла ничто не мешает, его форма в точности повторяет форму элементарной ячейки. Такие кристаллы называются монокристаллами. В природе встречаются довольно большие монокристаллы минералов, а иногда и металлов. В лабораториях получают искусственно монокристаллы многих веществ. Однако чаще мы имеем дело с поликристаллами, т. е. с такими кристаллическими телами, в которых множество хаотично ориентированных маленьких кристалликов срослись между собой. Такими поликристаллами являются все металлы. При этом иногда кристаллы, из которых состоит металл, видны даже невооруженным глазом. Хорошо видны, например, кристаллы цинка.

По своим свойствам монокристаллы отличаются от поликристаллов. Для большинства монокристаллов характерна анизотропия, т. е. различие свойств по разным направлениям. У поликристаллов анизотропия существует только внутри каждого кристаллика, но в пределах всего тела обычно анизотропия не обнаруживается. Так, если тонкие пластины монокристалла и поликристалла графита покрыть воском, а затем положить на середину каждой пластины раскаленный шарик, то обнаружится, что на монокристалле граница расплавленного воска будет иметь форму эллипса, а на поликристалле – форму окружности. Этот опыт свидетельствует об анизотропии теплопроводности у монокристалла и об отсутствии ее у поликристалла.

Наглядным примером монокристаллов, у которых наблюдается анизотропия механической прочности, являются кристаллы слюды: по одним направлениям они легко расщепляются на очень тонкие листочки, а по другим – не расщепляются даже при больших усилиях.

Анизотропия кристаллов объясняется их строением.

Оптическая кристаллография

Важное значение в описании и идентификации кристаллов имеют их оптические свойства. Когда свет падает на прозрачный кристалл, он частично отражается, а частично проходит внутрь кристалла. Свет, отражающийся от кристалла, придает ему блеск и цвет, а свет, проходящий внутрь кристалла, создает эффекты, которые определяются его оптическими свойствами.

С позиций оптики все прозрачные вещества можно разделить на две группы: изотропные и анизотропные.

К изотропным относятся кристаллы кубической системы и некристаллические вещества, например, стекло. В изотропных веществах свет распространяется во всех направлениях с одинаковой скоростью, и поэтому такие вещества характеризуются одним показателем преломления.

Группу анизотропных веществ составляют кристаллы всех других кристаллографических систем. В веществах этой группы скорость света, а следовательно, и показатель преломления непрерывно изменяются при переходе от одного кристаллографического направления к другому. Когда свет входит в анизотропный кристалл, он разделяется на два луча, колеблющихся под прямым углом друг к другу и распространяющихся с разными скоростями. Такое явление называется двойным лучепреломлением; всякий анизотропный кристалл характеризуется двумя показателями преломления. Один из этих главных показателей преломления соответствует лучу света, колеблющемуся параллельно оси, а с другой – лучу света, колеблющемуся под прямым углом к этой оси.

Поскольку показатели преломления зависят от химического состава и строения материала, они являются характеристическими величинами для каждого кристаллического твердого вещества, и их измерение служит эффективным методом его идентификации.

В анизотропных кристаллах свет, колеблющийся в разных кристаллографических направлениях, может поглощаться по-разному. Одно из возможных следствий такого явления, называемого плеохроизмом, – изменение цвета кристалла при изменении направления колебаний. В других кристаллах свет, колеблющийся в одном кристаллографическом направлении, может распространяться почти без потерь интенсивности, а под прямым углом к нему почти полностью поглощаться.

Применение кристаллов

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье». Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита.

Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Для часовой промышленности нужны кристаллы рубинов, сапфиров и некоторых других драгоценных камней. Дело в том, что отдельные подвижные части обыкновенных часов делают в час до 20 000 колебаний. Такая большая скорость предъявляет необычайно высокие требования к качеству кончиков осей и подшипников. Истирание будет наименьшим, когда подшипником для кончика оси диаметром 0,07 – 0,15 мм служит рубин или сапфир. Искусственные кристаллы этих веществ очень прочны и очень мало истираются сталью. Замечательно, что искусственные камни оказываются при этом лучше таких же природных камней.

Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Полупроводниковые приборы изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку.

Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.

Кристаллы используются также в некоторых лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет

Наблюдение роста кристаллов

Кристаллы образуются чаще всего из жидкой фазы - раствора или расплава; возможно получение кристаллов из газовой фазы или при фазовом превращении в твердой фазе. Кристаллы выращивают (синтезируют) в лабораториях и на заводах. Можно получать и кристаллы таких сложных природных веществ, как белки и даже вирусы. Возьмем насыщенный раствор и нагреем его. Сосуд с полученным недосыщенным раствором накроем стеклом и дадим раствору спокойно охладиться до температуры более низкой, чем температура насыщения. При этом осадок может и не выпасть, и мы получим пересыщенный раствор. Дело в том, что для образования кристалла необходима "затравка". Ею может служить маленький кристаллик того же вещества или просто пылинка. Иногда достаточно просто качнуть сосуд с пересыщенным раствором или снять прикрывающее его стекло, как начинается мгновенная кристаллизация. При этом обычно образуется множество мелких кристалликов. Для того, чтобы вырастить крупный кристалл, необходимо ограничить число "затравок". Лучше всего ввести искусственную "затравку", роль которой может исполнять один из кристалликов, полученных ранее. Затравка" готовится следующим образом. Возьмите две стеклянные банки и тщательно их вымойте. В одну из них налейте теплую воду и насыпьте квасцы. Помешивая раствор, следите за растворением. Когда вещество перестанет растворяться, аккуратно слейте раствор во вторую банку так, чтобы туда не попало нерастворившееся вещество. Затем накройте банку стеклом. Когда раствор охладится, снимите стекло. Через некоторое время вы увидите, как в банке образуется множество кристалликов. Дайте им подрасти, и отберите самые крупные для "затравок". Теперь можно приступать к выращиванию кристалла. Прежде всего, нужно приготовить посуду. Чтобы уничтожить нежелательные зародыши на стенках, пропарьте банки изнутри над носиком кипящего чайника. Затем сделайте снова теплый насыщенный раствор и слейте его в другую чистую банку. Итак, у вас есть теплый насыщенный раствор квасцов. Нагрейте его еще немного, накройте банку стеклом и поставьте охладиться. Когда температура раствора приблизится к температуре насыщения, опустите в банку, приготовленную ранее "затравку". Поскольку раствор еще недосыщен, "затравочный" кристаллик начнет растворяться. Но как только раствор охладится до температуры насыщения, растворение кристаллика прекратится, а вскоре начнется его рост. (Если кристаллик растворится целиком, можно ввести в раствор новую "затравку".) Когда раствор перестанет охлаждаться, выращивание кристалла можно продолжить. Для этого приподнимите стекло так, чтобы вода испарялась, но пылинки в раствор не попадали. Рост кристалла продолжается два-три дня. Выращивая кристалл, старайтесь банку не трогать и не передвигать. Когда кристалл будет готов, достаньте его из раствора и тщательно промокните бумажной салфеткой, иначе он быстро потускнеет.

Кристаллы получаются разными по форме в зависимости от того, бросите ли вы "затравку" на дно сосуда или подвесите ее на нитке. Таким способом можно, например, вырастить "бусы". Для этого надо "затравить" нитку, т. е. провести ею несколько раз по кристаллу, а затем опустить нитку в раствор.

Кристаллы льда

Вода при охлаждении превращается в лёд, имеющий кристаллическое строение. Можно ли увидеть кристаллы льда? Обычный лед – очень необычен. С виду твердый, он обладает текучестью - тем большей, чем ближе его температура к нулю. Но самое необычное - кристаллы льда. Пожалуй, больше ни один минерал не образует такого огромного количества видов кристаллов. Особенно хорошо это видно в некоторых пещерах - здесь и веерообразные лопухи, и сложные структуры "скелетных" кристаллов, и "ласточкины хвосты", и "капли" и снежинки-переростки, и много всего другого.

Когда в морозном воздухе оказывается водяной пар (например, около незамерзшего водоема или градирен ТЭЦ), почва и металлические предметы покрываются красивейшим ковром ледяных цветов:

Скелетные формы образуются при быстром росте кристаллов, когда условия роста по разным граням разные - в результате чего кристалл вырастает, например, такими вот ступенчатыми пластинками.

Можно попробовать вырастить кристаллики льда и в домашних условиях:

В небольшой тигелёк или просто в небольшое глубокое чайное блюдце налить воды. Блюдце окружить охладительной смесью, сухим льдом или поставить в снег. Через некоторое время температура воды станет равной 0°С, но вода будет отдавать теплоту и дальше. Теряя тепло, вода при 0°С в блюдце начнёт замерзать. На поверхности воды появятся прозрачные, вытянутые в длину игольчатые кристаллы льда. Появившись по отдельности, они быстро соединяются в группы и дадут твёрдую корочку льда на поверхности воды. При рассмотрении в лупу кристаллы льда имеют форму сильно удлинённых шестиугольных призмочек. Между ними много шестилучевых «звёздочек». Это иголочки, сложившиеся в прихотливую группу и образовавшие тонкое строение звёздочки. Увеличиваясь и разрастаясь, ледяные иголочки встречаются одна с другой, ветвятся. Так образуются узоры мороза на стеклах окон. Ветвистые кристаллы ученые называют дендритами, т. е. деревообразными. В природе их образуют не только лёд, но и некоторые металлы (серебро, железо, золото, медь). Для образования дендритов необходимо быстрое охлаждение.

Заключение

Кристаллы поражали и удивляли человека с давних времен. Художники изображали их на своих картинах, поэты посвящали стихи. И мне бы хотелось закончить своё выступление стихотворением:

Бежит по граням тонкий лучик света, сверкает на изломах и углах, и сыпит искрами невиданного цвета, меняет краски прямо на глазах.

И под лучами света оживает, кристальная, прозрачная Душа, и нежный отзыв вдаль свой посылает, и греет руку тихо, неспеша.

На ум приходит, слышанная где-то, то быль, а может сказка наяву,.

что камень - древнее дитя планеты, и есть в нем стойкость, логика и ум.

Я чувствую, как каменное сердце, пульсирует в протянутой руке, и в Истину приоткрывает дверцу, и мудрость давнюю рассказывает мне.