Wenn man sich Kristalle und Edelsteine ansieht, möchte man verstehen, wie diese mysteriöse Schönheit entstanden sein konnte, wie solch erstaunliche Werke der Natur entstehen. Es besteht der Wunsch, mehr über ihre Eigenschaften zu erfahren. Schließlich ermöglicht die besondere, sich nirgendwo in der Natur wiederholende Struktur von Kristallen, dass sie überall eingesetzt werden können: von Schmuck bis zu den neuesten wissenschaftlichen und technischen Erfindungen.
Untersuchung kristalliner Mineralien
Die Struktur und Eigenschaften von Kristallen sind so vielfältig, dass sich eine eigene Wissenschaft, die Mineralogie, mit dem Studium und Studium dieser Phänomene beschäftigt. Der berühmte russische Akademiker Alexander Evgenievich Fersman war so fasziniert und überrascht von der Vielf alt und Unendlichkeit der Welt der Kristalle, dass er versuchte, so viele Köpfe wie möglich mit diesem Thema zu fesseln. In seinem Buch Entertaining Mineralogy fordert er begeistert und herzlich dazu auf, sich mit den Geheimnissen der Mineralien vertraut zu machen und in die Welt der Edelsteine einzutauchen:
Ich will dich wirklichbestechen. Ich möchte, dass du dich für Berge und Steinbrüche, Bergwerke und Bergwerke zu interessieren beginnst, damit du anfängst, Sammlungen von Mineralien zu sammeln, damit du mit uns aus der Stadt weiter weg gehen willst, zum Flusslauf, wo dort sind hohe Felsbänke, Berggipfel oder felsige Meeresküsten, wo Steine gebrochen, Sand abgebaut oder Erz explodiert. Dort werden Sie und ich überall etwas zu tun finden: und in toten Felsen, Sanden und Steinen werden wir einige große Naturgesetze lesen lernen, die die ganze Welt beherrschen und nach denen die ganze Welt gebaut ist.
Die Physik untersucht Kristalle und argumentiert, dass jeder wirklich feste Körper ein Kristall ist. Die Chemie untersucht die molekulare Struktur von Kristallen und kommt zu dem Schluss, dass jedes Metall eine kristalline Struktur hat.
Das Studium der erstaunlichen Eigenschaften von Kristallen ist von großer Bedeutung für die Entwicklung der modernen Wissenschaft, Technologie, der Bauindustrie und vieler anderer Branchen.
Grundgesetze der Kristalle
Das erste, was Menschen beim Betrachten eines Kristalls bemerken, ist seine ideale facettenreiche Form, aber sie ist nicht das Hauptmerkmal eines Minerals oder Metalls.
Wenn ein Kristall in kleine Fragmente zerbrochen wird, bleibt nichts von der idealen Form übrig, aber jedes Fragment bleibt wie zuvor ein Kristall. Ein charakteristisches Merkmal eines Kristalls ist nicht sein Aussehen, sondern die charakteristischen Merkmale seiner inneren Struktur.
Symmetrisch
Das erste, woran man sich erinnern und was man beachten sollte, wenn man Kristalle untersucht, ist das PhänomenSymmetrie. Es ist im Alltag weit verbreitet. Schmetterlingsflügel sind symmetrisch, ein Abdruck eines Flecks auf einem in zwei Hälften gef alteten Blatt Papier. Symmetrische Schneekristalle. Die sechseckige Schneeflocke hat sechs Symmetrieebenen. Indem Sie das Bild entlang einer beliebigen Linie biegen, die die Symmetrieebene der Schneeflocke darstellt, können Sie ihre beiden Hälften miteinander kombinieren.
Die Symmetrieachse hat eine solche Eigenschaft, dass es durch Drehen einer Figur um einen bekannten Winkel um sie herum möglich ist, geeignete Teile der Figur miteinander zu kombinieren. Je nach Größe eines geeigneten Winkels, um den die Figur gedreht werden soll, werden in den Kristallen Achsen 2., 3., 4. und 6. Ordnung bestimmt. Bei Schneeflocken gibt es also eine einzige Symmetrieachse sechster Ordnung, die senkrecht zur Zeichenebene steht.
Das Symmetriezentrum ist ein solcher Punkt in der Ebene der Figur, in gleichem Abstand von dem sich in entgegengesetzter Richtung die gleichen Strukturelemente der Figur befinden.
Was ist drin?
Die innere Struktur von Kristallen ist eine Art Kombination von Molekülen und Atomen in einer Ordnung, die nur Kristallen eigen ist. Woher kennen sie die innere Struktur von Partikeln, wenn sie nicht einmal mit einem Mikroskop sichtbar sind?
Dazu werden Röntgenstrahlen eingesetzt. Der deutsche Physiker M. Laue, der englische Physiker Vater und Sohn Bragg und der russische Professor Yu. Wolf benutzten sie zu durchscheinenden Kristallen und stellten die Gesetzmäßigkeiten auf, nach denen die Struktur und Struktur von Kristallen untersucht werden.
Alles war überraschend und unerwartet. Samodas Konzept der Struktur des Moleküls erwies sich als nicht anwendbar auf den kristallinen Zustand der Materie.
Zum Beispiel hat eine so bekannte Substanz wie Kochsalz die chemische Zusammensetzung des NaCl-Moleküls. Aber in einem Kristall addieren sich einzelne Atome von Chlor und Natrium nicht zu separaten Molekülen, sondern bilden eine bestimmte Konfiguration, die als räumliches oder Kristallgitter bezeichnet wird. Die kleinsten Partikel von Chlor und Natrium sind elektrisch verbunden. Das Kristallgitter von Salz wird wie folgt gebildet. Eines der Valenzelektronen der äußeren Schale des Natriumatoms wird in die äußere Schale des Chloratoms eingeführt, die aufgrund des Fehlens des achten Elektrons in der dritten Chlorschale nicht vollständig gefüllt ist. Somit gehört in einem Kristall jedes Ion sowohl von Natrium als auch von Chlor nicht zu einem Molekül, sondern zum gesamten Kristall. Da das Chloratom einwertig ist, kann es nur ein Elektron an sich binden. Die Strukturmerkmale der Kristalle führen jedoch dazu, dass das Chloratom von sechs Natriumatomen umgeben ist und es unmöglich ist, festzustellen, welches von ihnen ein Elektron mit Chlor teilt.
Es stellt sich heraus, dass das chemische Molekül von Kochsalz und sein Kristall überhaupt nicht dasselbe sind. Der ganze Einkristall ist wie ein riesiges Molekül.
Grill - nur Modell
Der Fehler sollte vermieden werden, wenn das räumliche Gitter als reales Modell der Kristallstruktur genommen wird. Gitter - eine Art bedingtes Bild eines Beispiels für die Verbindung von Elementarteilchen in der Struktur von Kristallen. Netzanschlusspunkte in Form von Kugelnermöglichen es Ihnen, Atome visuell darzustellen, und die Linien, die sie verbinden, sind ein ungefähres Bild der Bindungskräfte zwischen ihnen.
In Wirklichkeit sind die Lücken zwischen den Atomen in einem Kristall viel kleiner. Es ist eine dichte Packung seiner konstituierenden Partikel. Eine Kugel ist eine herkömmliche Bezeichnung für ein Atom, dessen Verwendung es ermöglicht, die Eigenschaften der dichten Packung erfolgreich wiederzugeben. In Wirklichkeit gibt es keinen einfachen Kontakt von Atomen, sondern deren gegenseitige teilweise Überlappung. Mit anderen Worten, das Bild einer Kugel in der Struktur des Kristallgitters ist der Übersichtlichkeit halber die dargestellte Kugel mit einem solchen Radius, die den Hauptteil der Elektronen des Atoms enthält.
Kraftpaket
Zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Ionen besteht eine elektrische Anziehungskraft. Es ist ein Bindemittel in der Struktur von Ionenkristallen wie Kochsalz. Wenn Sie die Ionen jedoch sehr nahe bringen, überlappen sich ihre Elektronenbahnen und es treten Abstoßungskräfte gleich geladener Teilchen auf. Im Inneren des Kristalls ist die Verteilung der Ionen so, dass die abstoßenden und anziehenden Kräfte im Gleichgewicht sind und für kristalline Festigkeit sorgen. Diese Struktur ist typisch für Ionenkristalle.
Und in den Kristallgittern von Diamant und Graphit gibt es eine Verbindung von Atomen mit Hilfe gemeinsamer (Sammel-)Elektronen. Atome mit geringem Abstand haben gemeinsame Elektronen, die sich um den Kern von einem und benachbarten Atomen drehen.
Eine detaillierte Untersuchung der Theorie der Kräfte mit solchen Bindungen ist recht schwierig und liegt im Bereich der Quantenmechanik.
Metallunterschiede
Die Struktur von Metallkristallen ist komplexer. Da Metallatome die verfügbaren externen Elektronen leicht abgeben, können sie sich frei durch das gesamte Volumen des Kristalls bewegen und im Inneren das sogenannte Elektronengas bilden. Dank solcher "wandernden" Elektronen werden Kräfte erzeugt, die die Festigkeit des Metallbarrens gewährleisten. Die Untersuchung der Struktur echter Metallkristalle zeigt, dass ein Metallbarren je nach Kühlmethode Mängel aufweisen kann: Oberfläche, Punkt und linear. Die Größe solcher Defekte überschreitet nicht den Durchmesser mehrerer Atome, sie verzerren jedoch das Kristallgitter und beeinflussen Diffusionsvorgänge in Metallen.
Kristallwachstum
Für ein bequemeres Verständnis kann das Wachstum einer kristallinen Substanz als die Errichtung einer Ziegelstruktur dargestellt werden. Wenn ein Ziegel eines unfertigen Mauerwerks als integraler Bestandteil eines Kristalls dargestellt wird, kann bestimmt werden, wo der Kristall wachsen wird. Die Energieeigenschaften des Kristalls sind so, dass der Stein, der auf den ersten Stein gelegt wird, von einer Seite - von unten - angezogen wird. Beim Auflegen auf die zweite - von zwei Seiten und auf die dritte - von drei. Bei der Kristallisation – dem Übergang vom flüssigen in den festen Zustand – wird Energie (Schmelzwärme) freigesetzt. Für die größte Stärke des Systems sollte seine mögliche Energie zu einem Minimum tendieren. Daher erfolgt das Wachstum von Kristallen Schicht für Schicht. Zuerst wird eine Flugzeugreihe fertiggestellt, dann das ganze Flugzeug und erst dann wird mit dem Bau des nächsten begonnen.
Wissenschaft vonKristalle
Das Grundgesetz der Kristallographie - der Wissenschaft der Kristalle - besagt, dass alle Winkel zwischen verschiedenen Ebenen von Kristallflächen immer konstant und gleich sind. Egal wie verzerrt ein wachsender Kristall ist, die Winkel zwischen seinen Flächen beh alten denselben Wert, der diesem Typ innewohnt. Unabhängig von Größe, Form und Anzahl schneiden sich die Flächen derselben Kristallebene immer unter demselben vorbestimmten Winkel. Das Gesetz der Winkelkonstanz wurde von M. V. Lomonosov im Jahr 1669 und spielte eine wichtige Rolle bei der Erforschung der Struktur von Kristallen.
Anisotropie
Die Besonderheit des Prozesses der Kristallbildung ist auf das Phänomen der Anisotropie zurückzuführen - unterschiedliche physikalische Eigenschaften je nach Wachstumsrichtung. Einkristalle leiten Strom, Wärme und Licht in verschiedene Richtungen unterschiedlich und haben ungleiche Stärke.
So kann das gleiche chemische Element mit den gleichen Atomen unterschiedliche Kristallgitter bilden. Beispielsweise kann Kohlenstoff zu Diamant und zu Graphit kristallisieren. Gleichzeitig ist Diamant ein Beispiel für die höchste Festigkeit unter den Mineralien, und Graphit verlässt leicht seine Schuppen, wenn man mit einem Bleistift auf Papier schreibt.
Die Messung der Winkel zwischen den Oberflächen von Mineralien ist von großer praktischer Bedeutung für die Bestimmung ihrer Natur.
Grundfunktionen
Nachdem wir die strukturellen Merkmale von Kristallen kennengelernt haben, können wir ihre Haupteigenschaften kurz beschreiben:
- Anisotropie - ungleichmäßige Eigenschaften in verschiedene Richtungen.
- Einheitlichkeit - elementardie Bestandteile von Kristallen, gleich beabstandet, haben die gleichen Eigenschaften.
- Die Fähigkeit zum Selbstschneiden - jedes Fragment eines Kristalls in einem für sein Wachstum geeigneten Medium nimmt eine facettenreiche Form an und wird mit Flächen bedeckt, die dieser Art von Kristallen entsprechen. Es ist diese Eigenschaft, die es dem Kristall ermöglicht, seine Symmetrie beizubeh alten.
- Die Invarianz des Schmelzpunktes. Die Zerstörung des räumlichen Gitters eines Minerals, also der Übergang einer kristallinen Substanz vom festen in den flüssigen Zustand, findet immer bei der gleichen Temperatur statt.
Kristalle sind Festkörper, die die natürliche Form eines symmetrischen Polyeders angenommen haben. Die Struktur von Kristallen, die durch die Bildung eines räumlichen Gitters gekennzeichnet ist, diente als Grundlage für die Entwicklung der Theorie der elektronischen Struktur eines Festkörpers in der Physik. Das Studium der Eigenschaften und Struktur von Mineralien ist von großer praktischer Bedeutung.
