Apabila melihat kristal dan permata, seseorang ingin memahami bagaimana keindahan misteri ini boleh muncul, bagaimana karya alam yang menakjubkan itu dicipta. Terdapat keinginan untuk mengetahui lebih lanjut mengenai harta mereka. Lagipun, struktur kristal berulang yang istimewa dan tiada di mana-mana membolehkannya digunakan di mana-mana: daripada barang kemas kepada ciptaan saintifik dan teknikal terkini.
Kajian mineral kristal
Struktur dan sifat kristal sangat pelbagai rupa sehingga sains yang berasingan, mineralogi, terlibat dalam kajian dan kajian fenomena ini. Ahli akademik terkenal Rusia Alexander Evgenievich Fersman begitu terserap dan terkejut dengan kepelbagaian dan infiniti dunia kristal sehingga dia cuba memikat sebanyak mungkin minda dengan topik ini. Dalam bukunya Menghiburkan Mineralogi, beliau dengan penuh semangat dan mesra menggesa untuk berkenalan dengan rahsia mineral dan terjun ke dunia permata:
Saya sangat mahukan awakmenawan hati. Saya mahu anda mula berminat dengan gunung dan kuari, lombong dan lombong, supaya anda mula mengumpul koleksi mineral, supaya anda mahu pergi bersama kami dari bandar lebih jauh, ke aliran sungai, di mana terdapat adalah tebing berbatu tinggi, ke puncak gunung atau ke pantai berbatu, di mana batu dipecahkan, pasir dilombong, atau bijih meletup. Di sana, di mana-mana sahaja anda dan saya akan temui sesuatu untuk dilakukan: dan di dalam batu mati, pasir dan batu, kita akan belajar membaca beberapa undang-undang alam yang hebat yang mengawal seluruh dunia dan mengikut mana seluruh dunia dibina.
Fizik mengkaji kristal, dengan alasan bahawa mana-mana badan yang benar-benar pepejal adalah kristal. Kimia menyiasat struktur molekul kristal, sehingga membuat kesimpulan bahawa mana-mana logam mempunyai struktur kristal.
Kajian tentang sifat menakjubkan kristal adalah sangat penting untuk pembangunan sains moden, teknologi, industri pembinaan dan banyak industri lain.
Hukum asas kristal
Perkara pertama yang orang perasan apabila melihat kristal ialah bentuknya yang pelbagai rupa, tetapi ia bukanlah ciri utama mineral atau logam.
Apabila kristal dipecahkan kepada serpihan kecil, tiada apa yang akan kekal dalam bentuk ideal, tetapi mana-mana serpihan, seperti sebelumnya, akan kekal sebagai kristal. Ciri tersendiri kristal bukanlah penampilannya, tetapi ciri ciri struktur dalamannya.
Simetri
Perkara pertama yang perlu diingat dan diperhatikan semasa mengkaji kristal ialah fenomenasimetri. Ia meluas dalam kehidupan seharian. Sayap rama-rama bersimetri, kesan tompokan pada sekeping kertas yang dilipat dua. Kristal salji simetri. Kepingan salji heksagon mempunyai enam satah simetri. Dengan membengkokkan gambar di sepanjang mana-mana garisan yang menggambarkan satah simetri kepingan salji, anda boleh menggabungkan dua bahagiannya antara satu sama lain.
Paksi simetri mempunyai sifat sedemikian, dengan memutarkan rajah mengikut sudut yang diketahui di sekelilingnya, adalah mungkin untuk menggabungkan bahagian rajah yang sesuai antara satu sama lain. Bergantung pada saiz sudut yang sesuai yang mana rajah itu perlu diputar, paksi urutan ke-2, ke-3, ke-4 dan ke-6 ditentukan dalam hablur. Oleh itu, dalam kepingan salji, terdapat paksi tunggal simetri tertib keenam, yang berserenjang dengan satah lukisan.
Pusat simetri ialah satu titik dalam satah rajah, pada jarak yang sama dari arah yang bertentangan adalah unsur-unsur struktur rajah yang sama.
Apa yang ada di dalam?
Struktur dalaman hablur ialah sejenis gabungan molekul dan atom dalam susunan yang khas hanya untuk kristal. Bagaimanakah mereka mengetahui struktur dalaman zarah jika ia tidak dapat dilihat walaupun dengan mikroskop?
X-ray digunakan untuk ini. Menggunakannya untuk kristal lut sinar, ahli fizik Jerman M. Laue, ahli fizik Inggeris bapa dan anak Bragg, dan profesor Rusia Yu. Wolf menetapkan undang-undang mengikut mana struktur dan struktur kristal dikaji.
Semuanya mengejutkan dan tidak dijangka. Samokonsep struktur molekul ternyata tidak boleh digunakan untuk keadaan kristal jirim.
Sebagai contoh, bahan yang terkenal seperti garam meja mempunyai komposisi kimia molekul NaCl. Tetapi dalam kristal, atom individu klorin dan natrium tidak menambah sehingga molekul yang berasingan, tetapi membentuk konfigurasi tertentu yang dipanggil kekisi spatial atau kristal. Zarah terkecil klorin dan natrium diikat secara elektrik. Kisi kristal garam terbentuk seperti berikut. Salah satu elektron valens kulit luar atom natrium dimasukkan ke dalam kulit luar atom klorin, yang tidak terisi sepenuhnya kerana ketiadaan elektron kelapan dalam kulit ketiga klorin. Oleh itu, dalam kristal, setiap ion natrium dan klorin bukan milik satu molekul, tetapi keseluruhan kristal. Disebabkan oleh fakta bahawa atom klorin adalah monovalen, ia boleh melekatkan hanya satu elektron pada dirinya sendiri. Tetapi ciri-ciri struktur kristal membawa kepada fakta bahawa atom klorin dikelilingi oleh enam atom natrium, dan adalah mustahil untuk menentukan yang mana antara mereka akan berkongsi elektron dengan klorin.
Ternyata molekul kimia garam meja dan kristalnya bukanlah perkara yang sama sama sekali. Keseluruhan kristal tunggal adalah seperti satu molekul gergasi.
Grille - model sahaja
Ralat harus dielakkan apabila kekisi spatial diambil sebagai model sebenar struktur kristal. Kekisi - sejenis imej bersyarat contoh sambungan zarah asas dalam struktur kristal. Titik sambungan grid dalam bentuk bolasecara visual membolehkan anda menggambarkan atom, dan garisan yang menghubungkannya ialah imej anggaran daya pengikat di antara mereka.
Sebenarnya, jurang antara atom di dalam kristal adalah jauh lebih kecil. Ia adalah pembungkusan padat zarah konstituennya. Bola adalah sebutan konvensional atom, penggunaannya memungkinkan untuk berjaya mencerminkan sifat pembungkusan rapat. Pada hakikatnya, tidak ada sentuhan mudah atom, tetapi separa separa mereka bertindih antara satu sama lain. Dalam erti kata lain, imej bola dalam struktur kekisi kristal adalah, untuk kejelasan, sfera yang digambarkan dengan jejari sedemikian yang mengandungi bahagian utama elektron atom.
Ikrar kekuatan
Terdapat daya tarikan elektrik antara dua ion bercas bertentangan. Ia adalah pengikat dalam struktur kristal ionik seperti garam meja. Tetapi jika anda mendekatkan ion-ion tersebut, maka orbit elektronnya akan bertindih antara satu sama lain, dan daya tolakan zarah bercas serupa akan muncul. Di dalam kristal, pengagihan ion adalah sedemikian rupa sehingga daya tolakan dan daya tarikan berada dalam keseimbangan, memberikan kekuatan kristal. Struktur ini adalah tipikal untuk kristal ionik.
Dan dalam kekisi kristal berlian dan grafit terdapat sambungan atom dengan bantuan elektron biasa (kolektif). Atom yang berjari rapat mempunyai elektron sepunya yang beredar mengelilingi nukleus satu dan atom yang berjiran.
Kajian terperinci tentang teori daya dengan ikatan sedemikian agak sukar dan terletak pada bidang mekanik kuantum.
Perbezaan Logam
Struktur hablur logam lebih kompleks. Disebabkan oleh fakta bahawa atom logam dengan mudah menderma elektron luaran yang tersedia, mereka boleh bergerak dengan bebas ke seluruh isipadu kristal, membentuk gas elektron yang dipanggil di dalamnya. Terima kasih kepada elektron "mengembara" sedemikian, daya dicipta yang memastikan kekuatan jongkong logam. Kajian tentang struktur hablur logam sebenar menunjukkan bahawa, bergantung pada kaedah penyejukan jongkong logam, ia mungkin mengandungi ketidaksempurnaan: permukaan, titik dan linear. Saiz kecacatan sedemikian tidak melebihi diameter beberapa atom, tetapi ia memesongkan kekisi kristal dan menjejaskan proses resapan dalam logam.
Pertumbuhan Kristal
Untuk pemahaman yang lebih mudah, pertumbuhan bahan kristal boleh diwakili sebagai pendirian struktur bata. Jika satu bata batu yang belum selesai dibentangkan sebagai bahagian penting dari kristal, maka adalah mungkin untuk menentukan di mana kristal itu akan tumbuh. Sifat tenaga kristal adalah sedemikian rupa sehingga bata yang diletakkan pada bata pertama akan mengalami tarikan dari satu sisi - dari bawah. Apabila meletakkan pada yang kedua - dari dua sisi, dan pada yang ketiga - dari tiga. Dalam proses penghabluran - peralihan daripada cecair kepada keadaan pepejal - tenaga (haba gabungan) dibebaskan. Untuk kekuatan sistem yang paling besar, tenaga yang mungkin harus cenderung kepada minimum. Oleh itu, pertumbuhan kristal berlaku lapisan demi lapisan. Mula-mula, satu baris pesawat akan disiapkan, kemudian seluruh pesawat, dan kemudian yang seterusnya akan mula dibina.
Sains tentangkristal
Hukum asas penghabluran - sains tentang kristal - mengatakan bahawa semua sudut antara satah muka kristal yang berbeza sentiasa tetap dan sama. Tidak kira betapa herotnya kristal yang semakin meningkat, sudut antara mukanya mengekalkan nilai yang sama yang wujud dalam jenis ini. Tanpa mengira saiz, bentuk dan nombor, muka-muka satah kristal yang sama sentiasa bersilang pada sudut yang sama yang telah ditetapkan. Hukum ketekalan sudut ditemui oleh M. V. Lomonosov pada tahun 1669 dan memainkan peranan utama dalam kajian struktur kristal.
Anisotropi
Keanehan proses pembentukan kristal adalah disebabkan oleh fenomena anisotropi - ciri fizikal yang berbeza bergantung pada arah pertumbuhan. Hablur tunggal mengalirkan elektrik, haba dan cahaya secara berbeza dalam arah yang berbeza dan mempunyai kekuatan yang tidak sama.
Oleh itu, unsur kimia yang sama dengan atom yang sama boleh membentuk kekisi kristal yang berbeza. Sebagai contoh, karbon boleh menghablur menjadi berlian dan menjadi grafit. Pada masa yang sama, berlian ialah contoh kekuatan maksimum antara mineral, dan grafit mudah meninggalkan sisiknya apabila menulis dengan pensel di atas kertas.
Mengukur sudut antara muka mineral adalah amat penting praktikal untuk menentukan sifatnya.
Ciri Asas
Setelah mempelajari ciri struktur kristal, kita boleh menerangkan secara ringkas sifat utamanya:
- Anisotropi - sifat tidak sekata dalam arah yang berbeza.
- Keseragaman - asasjuzuk kristal, jarak yang sama, mempunyai sifat yang sama.
- Keupayaan untuk memotong sendiri - mana-mana serpihan kristal dalam medium yang sesuai untuk pertumbuhannya akan mempunyai bentuk pelbagai rupa dan akan ditutup dengan muka yang sepadan dengan jenis kristal ini. Sifat inilah yang membolehkan kristal mengekalkan simetrinya.
- Invarian takat lebur. Pemusnahan kekisi spatial mineral, iaitu, peralihan bahan kristal daripada pepejal kepada keadaan cecair, sentiasa berlaku pada suhu yang sama.
Kristal ialah pepejal yang telah mengambil bentuk semula jadi polihedron simetri. Struktur kristal, dicirikan oleh pembentukan kekisi spatial, berfungsi sebagai asas untuk pembangunan dalam fizik teori struktur elektronik pepejal. Kajian tentang sifat dan struktur mineral adalah amat penting secara praktikal.
