Кристаллы

Кристаллы

Кристаллы

Эти удивительные вещества, созданные природой, до такой степени стали частью нашей жизни, что, сталкиваясь с ними практически ежедневно, мы не всегда задумываемся об их происхождении.

Может, тебе приходилось обращать внимание на белый налет в кастрюле или на дне стакана после испарения соленой воды или очень сладкого чая? Если внимательно рассмотреть этот налет под лупой, то можно увидеть очень мелкие кристаллики соли или сахара.

Крупинки соли и сахара, песок и снежинки, минералы и драгоценные камни — вот далеко не полный список кристаллов.

Что такое кристалл?

Кристалл — это твердое вещество, все мельчайшие частицы которого (молекулы, атомы или ионы) находятся в строго определенном, повторяющемся порядке. Именно такая структура позволяет формировать кристаллы уникальной формы.

Кристаллы морской соли

Почему у каждого кристалла своя форма?

Все кристаллы растут, но каждый из них растет со своей скоростью и в определенном направлении. Во время роста любого кристалла на его поверхности самопроизвольно образуются плоские грани, а сам кристалл принимает какую-либо геометрическую форму.

Это означает, что грани кристалла растут в строго определенном направлении. Ученые неоднократно убеждались в этом в ходе следующего опыта.

У стандартного кристалла геометрической формы они обрезали все углы, превратив его в шар, и поместили в раствор или расплав того же вещества.

Спустя некоторое время на поверхности шара стали образовываться ровные площадки граней кристалла. По мере роста граней площадки становились все больше и больше и постепенно соединились в многогранник неправильной формы. Чаще всего кристаллы вынужденно принимают такую форму. А происходит это потому, что одни грани растут быстрее других и мешают их свободному росту.

Драгоценные камни

Правильный многогранник может образоваться только в том случае, если ничто не мешает его росту. А если один кристалл столкнулся с другим, то больше расти в сторону этого кристалла он не может, поэтому меняет направление. В результате такого роста и образуются многогранники разной формы.

Как образуются кристаллы?

В недрах Земли находится магма, в процессе медленного остывания и затвердевания которой образуются кристаллы различных минералов с разным кристаллическим строением.

Почему так происходит? Ты уже знаешь, что у каждого вещества своя температура плавления, или кристаллизации, или затвердевания.

Поэтому все вещества, находящиеся в магме, затвердевают по очереди, в соответствии с той температурой, при которой они способны принять кристаллическую форму. Большинство из таких кристаллов является драгоценными камнями.

Листья покрытые кристаллами воды (инеем)

Кристаллы также могут образовываться из пара. Так, например, пар, который ты выдыхаешь во время сильных морозов, превращается в небольшие белые хлопья. Во время первых осенних заморозков трава и ветви низкорослых кустарников могут покрыться удивительными кристаллами инея, который исчезает по мере повышения температуры.

Испарение из раствора — еще один способ образования кристаллов. Например, после испарения воды из насыщенного соляного раствора на дне емкости останутся кристаллы соли. Подобные процессы происходят и в природе. Под лучами жаркого летнего солнца вода в морях и соляных озерах начинает испаряться. Кристаллы соли сначала плавают на поверхности воды, а затем оседают на дно.

Так образуются природные месторождения солей.

В чем секрет уникальности кристаллов?

Уникальность кристаллов заключается в их особой форме и гранях, которые они образуют. Если внимательно присмотреться к кристаллам соли и сахара, то разницу можно увидеть даже без микроскопа.

Все кристаллические решетки представляют собой различные геометрические фигуры: треугольники, прямоугольники, квадраты, ромбы и т.д., причем форма зависит от типа молекул и атомов каждого вещества.

ЗАПОМНИ! Процесс образования кристалла называется кристаллизация. В природе кристаллы довольно часто образуются в момент охлаждения жидкости и ее последующего затвердевания: определенные молекулы жидкости собираются вместе в виде особой решетки, которая неоднократно повторяется.

Снежинкa

Одними из самых интересных и необычных кристаллов являются снежинки. Снежинки — это кристаллы льда в форме игл, призм, шестиугольников, пластинок и др.

Форма снежинок при разной температуре

Когда молекулы воды кристаллизуются, они могут образовывать только трех или шестиугольные фигуры. Вот в этом и заключается основная причина шестиугольной формы снежинок!

От чего зависит форма снежинок?

Форма снежинок зависит от нескольких факторов:

  • температуры, при которой снежинка образуется,
  • высоты над уровнем моря,
  • содержания водяного пара в облаке, в котором эта снежинка образовалась.

Падают снежинки очень медленно: их скорость составляет приблизительно 1 км/ч. Во время падения им приходится «переживать» разные температуры, поэтому форма снежинок постоянно меняется.

Жеода — чудо природы

Природа создала множество удивительных творений, и одно из них — жеоды. Жеоды — это необычные, полые внутри камни, полностью или частично заполненные разросшимися кристаллами. Жеоды бывают любой формы, но чаще всего встречаются округлые или овальные.

Снаружи жеоды не представляют собой ничего примечательного: они выглядят как обычные камни. Вся их красота становится очевидной только после распиливания. Иногда жеоды называют «шкатулки с сюрпризом»: ведь действительно неизвестно, какая красота в них скрывается.

Жеоды аметиста

Размеры жеод варьируются от 1 см до 1 м, самые маленькие экземпляры (менее 1 см) называют миндалинами. Кристаллы, образовавшиеся в жеодах, зависят от минерального вещества, изначально попавшего в подземные пустоты. Чаще всего встречаются жеоды кварца, аметиста, горного хрусталя, агата, халцедона.

Применение кристаллов

Кристаллы находят довольно широкое применение в технике и быту.

Так, благодаря высочайшей твердости алмазы, природные и искусственные, используются в промышленности для изготовления высокопрочных режущих инструментов, специальных опорных элементов для особо точных хронометров и других приборов, а ограненные алмазы (бриллианты) считаются одними из самых дорогих драгоценных камней. Рубины также являются драгоценными камнями. Они, как и алмазы, широко применяются в часовой промышленности, на фабриках по изготовлению химического волокна.

Кристаллы кварца нашли применение в радиотехнике.

ссылкой

Удивительные факты о кристаллах

Кристаллы

Кристаллы – это твёрдые тела с определенным химическим составом, которые имеют правильное, симметричное и закономерное расположение в кристаллической решётке составляющих их атомов, молекул, ионов.

Многие кристаллические структуры ‒ это самые обычные для нас вещества, например, сахар и соль. В переводе с греч. krystallos означает «прозрачный лед».

И действительно, необычными и удивительными кристаллами по праву считаются снежинки.

Снежные кристаллы

Кристаллические структуры в природе «рождаются» из множества веществ. Самая распространённая из них – вода, которая при воздействии низких температур переходит из жидкого в твёрдое состояние, превращаясь в лёд или снежинки.

Каждую зиму, особенно во время суровых морозов, сложные симметричные объекты в форме звездочек и 6-тиугольных пластинок, покрывают поверхность земли слоем мягкого и пушистого снега.

Они состоят из тоненьких ледяных кристалликов, собранных вместе.

Известный немецкий астроном Иоганн Кеплер еще в XVII столетие написал работу, которую посвятил шестиугольным снежинкам, тем самым оказал значительное влияние на развитие кристаллографии – науки о возникновении, структуре и свойствах кристаллических структур.

Через два столетия выдающийся фотограф У. Бентли подарил миру возможность любоваться этими прекрасными творениями природы. Ему удалось сделать фотографии тысячи снежинок, где ни одна не повторяет другую.

Для этого фотограф ловил снежинки на черный бархат и делал удивительные снимки.

Цветы мира камней

В результате процессов породообразования, происходящих в неизведанных земных недрах из расплавленных горных пород, выталкиваемых к поверхности и начинающих остывать, образуются минералы с кристаллической структурой.

Просто не верится, что невероятная красота и правильность внешней огранки этих кристаллических минералов созданы самой природой.

С первого взгляда кажется, что кто-то специально выпиливал плоские грани, а потом полировал их до безупречности.

Кристаллические структуры из минеральных растворов могут быть бесконечно разнообразными.

Большинство представляет собой сложные правильные многогранники ‒ куб, параллелепипед, пирамиду, которые во все времена поражали людей совершенством геометрических форм и безукоризненно гладкой поверхностью. Встречаются они и в виде столбиков, пластин, звезд, острых игл, создаваемых лучистые шары – сферолиты.

Размеры варьируют от очень маленьких до огромных колонн, а толщина может быть меньше листа бумаги или, напротив, достигать несколько сотен сантиметров. Кристаллы могут быть как бесцветными, так и сверкать, искриться, играя разными красками. Многие из них идеально прозрачны, подобно кристально чистой воде, хотя встречаются бурые и практически черные экземпляры.

Горный хрусталь

Это прозрачная разновидность кристаллического кварца (природный диоксид кремния), встречающегося в пустотах гидротермальных жил.

В вечных снегах Альп много веков назад найдены бесцветные камушки, визуально очень похожие на обычный лед, блеск которых приковывал и завораживал.

Еще античные ученые сделали вывод, что при длительном воздействии низких температур вода замерзает до такого состояния, что утрачивает способность таять, навсегда окаменев.

Когда минерал появился в Европе, он сразу получил название «богемный алмаз». Из него вырезали украшения, посуду, зажигательные линзы и стекла для очков, а также украшали шикарные королевские дворцы и замки представителей высшего сословия. Для минерала характеры грани-призмы, часто с горизонтальной штриховкой.

Прозрачные кристаллы горного хрусталя могут причудливо срастаться друг с другом в друзы или представлять собой «щётки», а также заполнять жеоды. На территории России большие месторождения, так называемые «хрустальные погреба», обнаружены на Урале, в Якутии, Забайкалье и Приморье.

Крупный идеальный горный хрусталь без дефектов встречается достаточно редко, поэтому имеет высокую ценность.

В Санкт-Петербургском музее, основанном в 1773 г. при Горном институте, собрано более 230 тыс. образцов, в том числе и уникальное собрание сокровищ, извлечённых из недр земли.

Здесь хранится горный хрусталь, высота которого почти 1 м, а вес более 1 тыс. кг.

Король кристаллов

Алмаз как один из самых редких, но повсеместно распространённых природных минералов, получил своё название благодаря исключительной твердости. Минерал представляет собой кристаллическую модификацию чистого углерода.

В кристаллической решётке в виде гранецентрированного куба атомы находятся очень плотно и связаны прочнейшей ковалентной связью. О точном происхождении алмаза нет точных научных данных, а возраст большинства алмазов более 3 млрд.

лет.

Несмотря на то, что в необработанном виде алмаз достаточно несовершенен и невзрачен, с древних времен его использовали как изысканное украшение, особенно прозрачные виды.

Почти 500 лет назад мастера ювелирного дела научились огранять кристалл и в результате трудоёмкого процесса превращать его в драгоценный камень – бриллиант, который стал синонимом богатства и роскоши.

Самыми редкими считаются красные алмазы, но вероятность найти их в природных условиях минимальна.

Сегодня ввиду того, что большинство природных алмазов не подходят для огранки, их широко применяются во многих отраслях промышленности. Самые крупные месторождения находятся в Африке и в России, причем у нас первые алмазы обнаружены еще в XIX веке на Урале и в Сибири.

Крупнейший в мире алмаз «Куллинан», найденный 100 лет назад в Южной Африке, имел вес более 3 000 карат. Виртуозные ювелиры сделали из него 105 бриллиантов, общий весом более 1 000 карат.

Драгоценные кристаллы

Продолжая тему удивительных драгоценных кристаллов, нельзя не отметить красивые и достаточно редкие разновидности минерала корунда (оксид Al) – рубин и сапфир. Корунд всегда различали по высокой твердости, которая уступает лишь алмазам.

В европейские страны камни завозили из Азии. Месторождения корундов часто встречается в магматических породах. Их также находят гнёздами, жилами, вкраплениями, а драгоценные разновидности ‒ в россыпях.

Ювелирный минерал по свойствам прозрачный, отличается блеском, насыщенной цветовой гаммой и широким спектром оттенков.

В музее в Санкт-Петербурге хранится коллекция корунда более 40 различных цветовых оттенков.

Самими ценными являются красный – рубин и синий – сапфир. Красивые оттенки обеспечивают примеси: в рубине – это хром, а в сапфире – вкрапления железа и титана. После придания минералам достойной ювелирной обработки, они выглядят также же шикарно, как и бриллианты.

Существует предположение, что рубины добывались в Бирме еще в бронзовом веке. В XIX ст. король Бирмы продал два драгоценных камня за баснословные, на те времена, деньги и обеспечил себе полноценное королевское правление.

Рубины всегда считались элитной драгоценностью и аксессуаром богатых представителей аристократии. Сегодня рубины высокого качества поступают из Мьянмы, Таиланда, Шри-Ланки. В России месторождения известны на Урале и в Карелии.

В 1800 г. в Европе открыли родственность рубина и сапфира, который издревле украшал символы королевской власти правящих династий Азии и Европы. Красивый минерал добывали еще древние жители Юго-Восточной Азии. Самый крупный сапфир, весом более 3 тыс. карат, был найден в США в середине прошлого века. Месторождение минерала встречается практически на всех материках.

Интересная информация

Волшебный каменный мир удивляется многими удивительными фактами о кристаллах.

  • Природные кристаллы в виде величественных колонн применялись в древних цивилизациях для удержания тяжелых ворот храмов или как постаменты.
  • Минерал сподумен, длиной почти 13 м и весом 90 т, известен необычными кристаллами-гигантами. При этом хорошо образованные минералы считаются ценными коллекционными материалами.
  • Одни из самых больших кристаллов селенита найдены в 2 000 г. в уникальной пещере, возраст которой около миллиона лет, в шахтовом комплексе Найка (Мексика). Наибольший имеет размеры: длина – 4 м, ширина – 4 м и вес – 55 т.
  • Кристаллы «произрастают» не только в естественной среде, но и выращиваются в специальных лабораториях, а некоторые ‒ даже в домашних условиях. Человечество научилось получать искусственным путем очень многие драгоценные камни, которые не уступают по красоте натуральным, а оцениваются в разы ниже. Причем сегодня известно много видов, которых в природе не существует.
  • Кристаллы бывают «посланниками» звездного мира. Достаточно часто кристаллические структуры внеземного происхождения встречаются в метеоритах, упавших на Землю.
  • В Австрии к 100-летнему юбилею компании Swarovski открыт музей «Хрустальных миров». Здесь можно увидеть самый большой (40 см в диаметре) и самый маленький кристаллик (0,8 мм) Сваровски, которые занесены в Книгу рекордов Гиннеса.
  • В Московском Минералогическом музее хранится более 4 800 образцов кристаллов 7 кристаллических систем.

Испокон веков отмечалось благотворное влияние кристаллов на судьбу и здоровье человека, а также приписывались им магические и целебные свойства.

Причем у каждого знака зодиака есть свой камень-талисман, который должен улучшать энергетику в доме, а также помогать владельцу в трудных жизненных ситуациях, приносить блага, защищать и излечивать от болезней.

В чем же заключается огромная сила минералов с точки зрения науки пока трудно объяснимо, но то что литотерапия, как один из видов нетрадиционной медицины, становиться сегодня очень популярной остается фактом.

Природные кристаллы — разновидности, свойства, добыча и применение

Кристаллы

Натуральные кристаллы… Их еще называют красивыми, редко встречающимися камнями или твердыми телами. Мы представляем себе камень кристалл в виде крупного, яркого, прозрачного или бесцветного многогранника, имеющего идеальные блестящие грани.

В жизни нам чаще встречаются такие твердые вещества в виде зернышек неправильной формы, песчинок, обломков. Но свойства у них такие же, как и у совершенных крупных кристаллов.

Окунитесь вместе с нами в волшебный мир натуральных камней кристаллов, познакомьтесь с их строением, формами, видами. Что ж, в путь…

Таинство кристаллов

Мир кристаллов — прекрасный и таинственный. Разноцветные камушки еще с детства манят и притягивают нас своей красотой. Их загадочность мы чувствуем на интуитивном уровне и любуемся их естественной природной красотой. Людям всегда хотелось узнать как можно больше о натуральных твердых веществах, о свойствах кристаллов, становлении их форм, росте и структуре.

Мир этих камней такой необычный, что хочется заглянуть к ним внутрь. Что же увидим мы там? Перед глазами откроется картина бесконечно тянущихся, строго упорядоченных рядов атомов, молекул и ионов. Все они строго подчиняются законам, правящим в мире камней кристаллов.

Кристаллические вещества распространены в природе очень широко, ведь все горные породы состоят из них. А из горных пород состоит вся земная кора. Оказывается, эти необычные вещества можно даже вырастить дома самому. Важно отметить, что «кристалл» на древнегреческом языке обозначал «лед» или «горный хрусталь».

Что собой представляет камень кристалл?

Что говорят школьные учебники о кристаллах? В них говорится, что это твердые тела, которые образуются под влиянием природных или лабораторных условий и имеют вид многогранников.

Геометрическое строение данных тел непогрешимо строгое. Поверхность кристаллических фигур составляют совершенные плоскости — грани, которые пересекаются по прямым линиям, которые называется ребрами.

В точках пересечения ребер возникают вершины.

Твердое состояние вещества и есть кристалл. У него существует определенная форма, конкретное количество граней, зависящее от расположения атомов. Итак, твердые тела, в которых молекулы, атомы, ионы располагаются в строгой закономерности в виде узлов пространственных решеток.

Мы чаще всего ассоциируем кристаллы с редкими и красивыми драгоценными камнями. И это не зря, алмазы тоже являются кристаллами. Но не все твердые тела отличаются редкостью и красотой. Ведь частички соли и сахара — тоже кристаллики. Вокруг нас сотни веществ в виде них. Одним из этих тел считается замерзшая вода (лед или снежинки).

Образование различных форм кристаллов

В природе минералы образуются в результате породообразующих процессов. Растворы минералов в виде горячих и расплавленных пород лежат глубоко под землей.

При выталкивании этих раскаленных пород на поверхность земли происходит их остывание. Охлаждаются вещества очень медленно. Из минералов образуются кристаллы в форме твердых тел.

Например, в граните присутствуют минералы кварца, полевого шпата и слюды.

В каждом кристаллике находится миллион отдельных элементов (монокристаллов). Ячейку кристаллической решетки можно представить в виде квадрата с атомами по углам. Это могут быть атомы кислорода или других элементов.

Известно, что кристаллы могут реагировать на различные энергии, запоминать отношение к ним людей. Вот почему их используют для исцеления и очищения. Кристаллы могут быть всевозможных форм.

В зависимости от этого их делят на 6 больших видов.

Разные типы и виды природных твердых тел

Размеры кристаллов тоже могут быть разными. Все твердые тела делят на идеальные и реальные. К идеальным относятся тела с гладкими гранями, строгим дальним порядком, определенной симметрией кристаллической решетки и прочими параметрами.

К реальным кристаллам зачисляют те, которые встречаются в реальной жизни. В них могут быть примеси, понижающие симметрию кристаллической решетки, гладкость граней, оптические свойства.

Оба вида камней объединяет правило расположения атомов в вышеописанной решетке.

Еще по одному критерию деления их распределяют на природные и искусственные. Для роста природных кристаллов нужны естественные условия. Искусственные твердые тела выращиваются в лабораторных или домашних условиях.

По эстетико-экономическому критерию их делят на драгоценные и недрагоценные камни. Драгоценные минералы обладают редкостью и красотой. К ним относятся изумруд, алмаз, аметист, рубин, сапфир и другие.

Строение и формы скоплений твердых веществ

Одновершинные кристаллы относятся к шестигранным камням с пирамидальной вершиной. Основание таких генераторных минералов более широкое. Встречаются кристаллы с двумя вершинами — Инь и Ян. Их используют в медитации для равновесия материального и духовного начал.

Минералы, у которых 2 из 6 граней сбоку шире всех остальных, называются пластинчатыми. Они применяются для телепатического исцеления.

Образованные в результате ударов или трещин кристаллы, раскладывающиеся после этого на 7 оттенков, называются радужными. Они снимают депрессию и разочарование.

Минералы с различными включениями других элементов называются кристаллами-призраками. Сначала они перестают расти, потом на них оседают другие материалы, а затем опять возобновляется рост вокруг них. Таким образом, заметны контуры минерала, который прекратил рост, поэтому он кажется призрачным. Такие кристаллы используют для привлечения урожая на садовых участках.

Необычные друзы

Очень красивым зрелищем являются друзы. Это собрание множества кристаллов на одном основании. Они имеют положительную и отрицательную полярность. С их помощью очищается воздух и перезаряжается атмосфера. В природе встречаются друзы кварца, изумруда, топаза. Человеку они несут спокойствие и гармонию.

Друзами еще называют сросшиеся кристаллы. Чаще всего такому явлению подвержены гранаты, пириты, флюориты. Они часто выставляются в виде экспонатов музеев.

Мелкие сросшиеся кристаллики называют щеткой, большие минералы именуют цветком. Очень красивой разновидностью друз являются жеоды. Они растут на стенках. Друзы могут быть совсем маленькими и большими. Это очень ценные находки. Высоко ценятся друзы агата, селенита, аметиста, цитрина, мориона.

Как кристаллы хранят информацию и знания?

Ученые установили, что на гранях кристаллов находятся треугольнички, указывающие на наличие в них знаний. Эти сведения может получить только определенный человек. Если такой человек появится, то камни отдадут ему свое истинное нутро.

Кристаллы способны передавать вибрации, пробуждать высшие силы сознания, уравновешивать душевные силы. Поэтому их часто используют в медитациях. Предыдущие цивилизации хранили информацию именно в камнях. Например, горный хрусталь считали драгоценным камнем богов. Кристаллы почитали, как живых существ. Даже у «космоса» первоначальным значением было «драгоценный камень».

Драгоценные камни

Важно отметить, что драгоценные кристаллы в необработанной форме — не такие уж красивые. Их еще называют камнями или минералами. Драгоценными они называются, потому что очень красивы в огранке и используются в ювелирном деле. Многим знакомы драгоценные камни аметисты, бриллианты, сапфиры, рубины.

Самым твердым камнем считается алмаз. Хрупкий кристалл травянисто-зеленого цвета — изумруд. Разновидностью минерала корунда красного цвета является рубин. Месторождения этого кристалла существуют почти на всех континентах. Что считается неоспоримым его идеалом? Бирманские рубины. Месторождения рубинов в РФ находятся в Челябинской и Свердловской областях.

Какие еще есть дорогостоящие минералы? Прозрачными драгоценными кристаллами различной окраски — от бледно-голубой до темно-синей — являются сапфиры. Это хоть и редкий минерал, но ценится ниже рубина.

Дорогой разновидностью кварца является прекрасный драгоценный камень аметист. Когда-то он был вставлен первосвященником Аароном в число 12 камней его пекторали. Аметисты имеет красивый фиолетовый или лиловый отлив.

Российские алмазы

Итак, самый твердый кристалл — алмаз — добывают из кимберлитовых трубок, образовавшихся в результате извержений подземных вулканов. Кристаллическая решетка этого камня образуется под воздействием высокой температуры и высокого давления углерода.

Добыча алмазов в России началась в Якутии только в середине прошлого века. Сегодня РФ уже находится в лидерах по добыче этих драгоценных камней. Ежегодно на добычу алмазов в России выделяются миллиарды рублей. Стоит отметить, что на тонну кимберлитовых трубок приходится несколько карат алмазов.

Этимология

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.

https://www.youtube.com/watch?v=iLoHx0XjuNo

Горный хрусталь

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

Сравнение структур монокристаллов и поликристаллов

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.

Сульфат алюминия-калия монокристалл

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.

Поликристалл висмута

Возможные способы роста и образования

  1. Кристаллизация путем возгонки. Подобный метод кристаллизации подразумевает переход вещества из газообразного состояния к твердому, минуя жидкую фазу. Подобный процесс в природе имеет место в вулканических трещинах или кратерах, когда вещество быстро остывает. Однако простейший пример – образование зимой снежинок из воды.

    Кристалл воды — снежинка

  2. Раскристаллизация – переход вещества из твердого в твердое состояние, который может происходить по двум сценариям.
    1. Первый – переход вещества из аморфного твердого тела в кристаллическое. Так, например, происходит кристаллизация стекла, в том числе кристаллизация вулканических пород, содержащих стекло.
    2. Второй – перекристаллизация вещества с разрушением старой структуры и образованием новой. Большинство горных пород образуются именно таким способом. Известные примеры перекристаллизации: переход известняка в мрамор, кварцевых песчаников в кварциты или глинистых пород в филлиты.
  3. Кристаллизация из растворов и расплавов. Наиболее распространенный природный способ образования. Так на дне водоемов «откладываются» кристаллы солей. Этим же способом искусственно выращивают алмаз, сапфир или рубин.

    Монокристалл рубина (корунд)

Другие факты

  • Имеет место такое явление как прорастание кристаллов. Это означает процесс, когда индивиды взаимно пересекаются и прорастают друг друга.
  • Существуют так называемые ионные кристаллы, которые состоят в основном из ионов, связь которых образуется за счет электростатического притяжения. К таким телам относят фторид калия и натрия, хлорид и бромид калия и др.
  • Существует 47 простых форм, из которых может состоять кристалл. Среди них: призма, пирамида, тетраедр, трапецоедр, ромбоедр и т.п.Формы кристаллов
  • Одни из наибольших кристаллов в мире были обнаружены в Мексике, в Пещере кристаллов. Так найденный кристалл селенита (прозрачный гипс) имел в ширину около метра, а в длину – пятнадцати метров.
  • Согласно сообщению, опубликованному в 1914-м году, в шахте Южной Дакоты был обнаружен кристалл сподумена (силикат лития и алюминия) длиной 12,8 метров и весом – 90 тонн.

История

Еще в древности люди отмечали многие минералы за их необычный вид правильных или близких к ним по форме многогранников, которые разительно отличались от вида множества остальных окружающих их природных материалов.

Некоторые подобные минералы, такие как кварц, называли κρισταλλος — лед, из-за присущей им прозрачности.

Со временем этот термин стал обозначать более широкий класс минералов, а затем и все природные тела, обладающие естественной для них формой многогранников.

Типы вещества

Чтобы понять, чем же так выделяются кристаллы из всего многообразия веществ и материалов, рассмотрим строение любого вещества на молекулярном (или атомном) уровне. Обычно такие исследования проводят с помощью метода рентгеноструктурного анализа.

Расположение частиц в аморфных (снизу) и кристаллических (сверху) телах

Можно увидеть, что у некоторых веществ, таких как мед, стекло, различные виды резин на любых приближениях во взаимном расположении частиц отсутствует какая-либо структура, т.е. все частицы расположены беспорядочно, хаотично.

При нагреве таких веществ их частицы постепенно начинают уходить со своих прежних случайных мест все дальше и дальше, из-за все увеличивающихся температурных колебаний — начинается процесс размягчения вещества.

Расстояние между частицами постепенно увеличивается, однако сложно указать, точно ли вещество перешло в состояние жидкости, или же оно все еще является твердым веществом, здесь эта граница слишком уж размыта.

Из-за подобного поведения эти вещества называют аморфными — не имеющими определенной формы, бесструктурными.

В то же время можно найти другие вещества, такие как лед, металлы, соли, для которых нагрев приводит к увеличению температуры только до определенного предела, а затем начинается переход твердого тела в жидкость, с сохранением постоянной температуры. И лишь когда вновь начнется повышение температуры вещества при его дальнейшем нагреве, можно отметить, что все тело перешло в жидкое состояние и нигде в расплаве не осталось осколков твердого вещества.

У некоторых сразу возникают вопросы из школьного курса физики — если телу передавали энергию для нагрева, а его температура была в этот момент постоянной, то куда же делась эта энергия?Для ответа на этот вопрос вновь заглянем в структуру таких веществ и увидим, что все их частицы расположены в строгом порядке, вдоль бесконечных правильных рядов, растянувшихся по всему объему вещества, наподобие периодической пространственной решетки. В узлах таких решеток находятся частицы вещества, которые не находятся там неподвижно, а совершают очень небольшие температурные колебания, удерживаясь на своем месте силами электромагнитного притяжения и отталкивания.

Если постепенно нагревать вещество, то можно отметить, как частицы при достижении определенной скорости колебаний уже не могут удерживаться этими силами и начинают покидать свое место. У отдельных частиц скорость может быть намного выше средней, но через небольшое время они натыкаются на медленные частицы, отдавая им часть своей скорости и помогая покинуть решетку. Именно поэтому температура таких тел при плавлении не изменяется, а переданная им энергия идет на постепенное разрушение решетки. Лишь по завершению процесса скорость частиц вновь начнет в среднем подниматься — именно эта граница и отмечает переход тела в жидкое состояние. Исторически такие решетки называют кристаллическими, а сами вещества — кристаллами.

Стоит отметить, что так как частицы в решетке находятся в своеобразной квантово-механической ловушке, вызванной взаимодействием с соседними частицами, то кристаллическая решетка является состоянием с меньшей энергией, чем обладает свободно перемещающиеся частицы вещества.

Это объясняет эффект, возникающий при процессе, противоположном плавлению — кристаллизации вещества из расплава или раствора, в котором переход от свободного состояния частиц к периодической структуре вызывает выделение тепла при сохранении все той же постоянной температуры.

Типы кристаллов

Расположение частиц в поли- (снизу) и монокристаллических (сверху) телах

В свою очередь у кристаллов также есть своя классификация.

На самом деле это не одна, а целое множество классификаций — по форме минимального элемента решетки, по слагающим такую решетку частицам, по типам симметрии самих решеток. Но для ознакомления с некоторыми особенностями кристаллов имеет смысл рассмотреть пространственную классификацию.

Вновь рассмотрим строение веществ на уровне групп молекул или атомов.

У некоторых кристаллов при увеличении масштаба до нанометровых и миллиметровых величин все так же видно слагающую их ровную пространственную решетку.

Кристалл даже при таких увеличениях демонстрирует все ту же единую структуру и подчиняется ее свойствам. Такие кристаллы целиком обладают формой многогранника и не состоят из отдельных частей, называются монокристаллами — одиночными цельными кристаллами вещества.

Напротив, у некоторых кристаллов становится видно, что они состоят из небольших правильных решеток, которые на крупных масштабах уже являются хаотично разбросанными по всему объему — кристалл как будто состоит из перемешанных осколков правильных решеток.

Такие кристаллы демонстрируют правильную форму лишь на небольших своих участках, при этом в целом представляют собой бесформенный кусок. Они могут даже при небольшом усилии раскалываться на мелкие, более правильные частицы.

Такие кристаллы получили название поликристаллы — множество мелких, сросшихся монокристаллов.

И монокристаллы, и поликристаллы, демонстрируют множество одинаковых свойств, определяемых элементарной решеткой и составляющими их частицами — температура плавления, плотность, способность вступать в химические реакции, проводить электричество и многие другие.
В то же время, из-за заметных структурных различий некоторые из их свойств специфичны для каждого из видов.

Анизотропия

К особым свойствам кристаллов относят прежде всего анизотропию — способность демонстрировать различные качественные и количественные свойства в зависимости от направления их измерения.

Двойное лучепреломление в кристалле сульфата триглицина

Примером может служить измерение теплопроводности на кристалле гипса — в продольном направлении будет регистрироваться одно значение, в поперечном — совершенно другое. Другой пример — эффект двойного лучепреломления.

Он заключается в том, что если нарисовать, к примеру, линию на листе бумаги и положить поверх монокристалл карбоната кальция или некоторых других веществ, то изображение, пройдя через кристалл до наблюдателя, раздвоится — одно изображение будет реальным и пройдет до глаза наблюдателя, немного преломившись от прямого направления. Второе же, пройдя в направлении под углом к наблюдателю из-за другого показателя преломления в этом направлении, окажется видным глазу наблюдателя, но уже с небольшим смещением вверх или вниз.

Также, благодаря именно этому свойству, монокристаллы обладают определенной формой — в различных направлениях рост кристалла идет с разной скоростью. Можно провести эксперимент, выращивая кристалл на сферической затравке, результатом которого будет значительный рост грани в одном направлении и практически его отсутствие в другом, что в конечном итоге приведет к росту кристалла определенной формы. А все благодаря проявлению кристаллической структуры на больших масштабах.

Изотропия

Данной свойство является противоположным анизотропии и относится уже к поликристаллам.

Изотропия — способность поликристаллов демонстрировать одинаковые свойства по всем направлениям измерения.

Примером может служить одинаковое электрическое сопротивление металлов при пропускании тока в различных направлениях или их одинаковая прочность при механическом воздействии.

Причиной является очень мелкокристаллическая структура металлов, которая рассеивает приложенные напряжения и воздействия по всем направлениям, исключая их преобладание в каком-то одном.

Кажется парадоксальным, что не самые значительные различия в структуре меняют свойства на противоположные, но именно благодаря им у нас существует электроника, архитектура и многие другие сферы деятельности.

Полиморфизм

Кристаллы ромбической серы Кристаллы моноклинной серы

Общее свойство кристаллических веществ, полиморфизм — способность одного и того же вещества образовывать несколько различных кристаллических решеток при различных или одинаковых условиях.

Это свойство обуславливает существование некоторых аллотропных модификаций химических элементов — одни и те же атомы и молекулы при разных температурах или давлении выстраиваются в различные кристаллические решетки, которые могут кардинально отличаться как по физическим, так и по химическим свойствам.

Такая особенность позволяет некоторым свойствам при сохранении одинакового химического состава вещества проявляться совершенно по иному. Так, ромбическая сера образует кристаллы в виде бипирамид, а моноклинная — виде палочек или призм, алмаз тверд и не проводит электричество, а графит легко крошится и является хорошим проводником, белый фосфор окисляется кислородом воздуха при комнатной температуре, а красный — устойчив.

Изоморфизм

Совершенный изоморфизм кристаллов квасцов Несовершенный изоморфизм кристаллов солей Туттона

Изоморфизм (совершенный изоморфизм) — способность некоторых веществ с одинаковыми кристаллическими решетками образовывать смешанные кристаллы в любом диапазоне концентраций.

Это свойство позволяет наращивать друг на друга кристаллы различных квасцов, при этом кристаллы в насыщенном растворе другого вещества не будут растворяться, а будут вести себя, как будто это раствор их собственного вещества.

Такая особенность связана не только с одинаковым расположением частиц в решетке, но и с близкими радиусами ионов этих веществ, что делает их решетки практически идентичными.

Иногда говорят о несовершенном изоморфизме, когда решетки схожи, но ионные радиусы частиц все же заметно отличаются. В этом случае вещества дают общие кристаллы только в определенном узком диапазоне температур.

Изодиморфизм

Изодиморфизм кристаллов медного и железного купоросов

Изодиморфизм (принудительный изоморфизм) — разновидность несовершенного изоморфизма, способность некоторых веществ образовывать смешанные кристаллы с различными решетками в зависимости от их соотношения.

Присуща веществам, которые обладают изоморфизмом в одном из диапазонов температур, в другом совершают переход в решетку иного типа, но могут сохранять ее, если находятся в виде смеси.

Благодаря этому свойству, медный и железный купоросы при различных концентрациях могут образовывать кристаллы с различными формами и устойчивостью, при этом обладая совершенно различными решетками.

Навигация

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть