Рис. 3. Общественное достояние, дата обращения: 2021.08.01, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Allotropy_arabic.jpg. Рис. 4. Указание автора не требуется, 2021.08.03, Pixabay License, https://pixabay.com/ru/photos/карандаш-графитный-карандаш-запись-1510731/. Указание авторства не требуется, 2021.08.03, Pixabay License, https://pixabay.com/ru/illustrations/алмаз-блестящий-gem-жемчужина-1186139/. Рис. 1. http://www.astroguide.ru/files/article/55171/main-image/0706_16.jpg
Запрос «Кристалл» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Друза кристаллов кварца
Криста́ллы (от греч. первоначально — «лёд», в дальнейшем — «горный хрусталь; кристалл») — твёрдые тела, в которых частицы (атомы и молекулы) расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку.
Кристаллы — 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).
У этого термина существуют и другие значения, см. Решётка.
Кристалли́ческая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Решёткой является совокупность точек, которые возникают из отдельной произвольно выбранной точки кристалла под действием группы трансляции. Это расположение замечательно тем, что относительно каждой точки все остальные расположены совершенно одинаково. Применение к решётке в целом любой из присущих ей трансляций приводит к её параллельному переносу и совмещению. Для удобства анализа обычно точки решётки совмещают с центрами каких-либо атомов из числа входящих в кристалл, либо с элементами симметрии.
В твёрдых телах молекулы расположены в определённом порядке. Это лёд, соль, металлы, минералы и т. д.
Такие тела называются .
(от греч. κρύσταλλος «лёд», «горный хрусталь; кристалл») — твёрдые тела, в которых частицы (атомы и молекулы) расположены закономерно, образуя кристаллическую решётку.
— условный пространственный каркас, соединяющий частицы твёрдого вещества, для лучшего понимания геометрического строения кристалла.
Кристаллическое строение есть у веществ: поваренная соль, кварц, сахар, алмаз, графит, лёд.
Строение кристалла соли имеет форму правильного гексаэдра, в вершинах которого находятся атомы (Na) и (Cl) поочерёдно.
Самая распространённая форм — гексагональная (шестиугольная). В (1955) году русский учёный А. Заморский разделил снежинки на
классов (пластинки, иглы, звёзды, ежи, столбики, пушинки, запонки, призмы, групповые) и (48) видов.
Международная комиссия по снегу и льду приняла в (1951) году довольно простую классификацию кристаллов льда: пластинки, звёздчатые кристаллы, столбцы или колонны, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечниками и неправильные формы. И ещё три вида обледенелых осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.
Типы кристаллов. В зависимости от вида частиц, образующих кристалл, и от характера сил взаимодействия между ними различают четыре основных типа кристаллов.
Типичным примером ионного кристалла является кристалл а хлорида натрия NaCl (рис. 44, а, б). Кристаллы с ионной решёткой тугоплавки и обладают высокой твёрдостью.
Примерами атомных кристаллов могут служить алмаз и графит. Эти кристаллы тождественны по химической природе (они состоят из атомов углерода), но отличаются по своему строению (рис. 45). В кристаллической решётке алмаза каждый атом углерода находится в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома, и прочно связан с этими атомами посредством объединения валентных электронов (рис. 45, а). Именно такой жёсткой связью и обусловлена уникальная твёрдость алмаза. Кристаллическая решётка графита имеет слоистую структуру (рис. 45, б). Атомные слои графита слабо связаны друг с другом, так как расстояние между ними в несколько раз больше, чем расстояние между соседними атомами в одном слое. Это приводит к тому, что слои могут легко отделяться друг от друга, чем и объясняется мягкость и крохкость графита.
Примерами металлической кристаллической решётки являются полоний Po (см. рис. 42, а), железо Fe (см. рис. 42, б), серебро Ag (см. рис. 42, в), магний Мg (см. рис. 42, г).
Молекулярные кристаллы образуют большинство простых веществ неметаллов в твёрдом состоянии, например йод I2 (рис. 46, а), водород H2, кислород О2, и их соединения друг с другом (лёд H2О) (рис. 46, б), а также практически все твёрдые органические вещества.
Тип кристаллической решётки вещества определяет его физические свойства.
Особенности строения разных типов кристаллических решёток и характерных физических свойств веществ представлены в таблице.
Сравним физические свойства веществ с разными типами кристаллических решёток.
Атомные кристаллы — самые твёрдые и прочные, так как атомы, расположенные в их узлах, соединены ковалентными связями.
Вещества с ионными кристаллическими решётками — твёрдые при обычных условиях, но непрочные, хрупкие. При механическом воздействии одинаковые ионы начинают расталкиваться и кристалл разрушается.
Металлы отличаются ковкостью и пластичностью. При ударе металл не разрушается, а сплющивается, так как вместе со слоями ионов и атомов смещаются и свободные электроны.
У самых непрочных веществ — молекулярные кристаллические решётки. Многие из них при обычных условиях являются газами и жидкостями.
Температуры плавления и кипения
У металлов температуры плавления и кипения зависят от размера атомов и числа валентных электронов, а также от строения кристаллической решётки. Поэтому разброс в значениях очень большой. Например, температура плавления ртути равна
, а вольфрама —
Среди веществ с молекулярной решёткой легче плавятся и кипят вещества, молекулы которых неполярные. У веществ с ионной и атомной решётками температуры плавления и кипения высокие (у атомных выше, чем у ионных).
В таблице приведены температуры плавления веществ с разными кристаллическими решётками.
Вещества с атомной кристаллической решёткой в воде не растворяются.
Хорошо растворяются в воде вещества с ионной кристаллической решёткой (щёлочи, многие соли).
Молекулярные вещества растворяются, если их молекулы полярные (хлороводород, аммиак, сернистый газ). Высокая растворимость — у веществ, образующих водородные связи (метанол, этанол, глицерин, серная, азотная, муравьиная, уксусная кислоты и т. д.).
Молекулярные вещества с неполярными молекулами растворяются в воде плохо (водород, кислород, азот, метан и т. д.).
Высокая электропроводность у металлов (за счёт свободных электронов).
Ионные вещества проводят электрический ток в расплавах и водных растворах, в твёрдом состоянии они неэлектропроводны.
Запах может быть только у молекулярных веществ.
В повседневной жизни мы считаем твёрдым любое тело, сохраняющее форму и объём в отсутствие внешних воздействий, например, тела, изготовленные из металлов, пластмассы, льда, стекла. Твёрдые тела делят на две группы, различающиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные. Чем же отличаются кристаллические твёрдые тела от аморфных?
Кристаллы. К кристаллическим телам относят минералы, например поваренную соль, медный купорос, кварц, квасцы (рис. 40), горный хрусталь и металлы в твёрдом состоянии.
Кристаллы — твёрдые тела, атомы, ионы или молекулы которых совершают тепловые колебания около определённых, упорядоченных в пространстве положений равновесия.
Упорядоченное размещение частиц твёрдого кристаллического тела обусловливает его правильную геометрическую форму, вследствие чего поверхность кристалла образована плоскими гранями (рис. 41).
Частицы кристалла удерживаются на определённом усреднённом расстоянии друг от друга (∼ 0,1 нм) силами межатомного и межмолекулярного взаимодействий. Несмотря на тепловые колебания, они образуют упорядоченную пространственную структуру. Геометрическим образом этой структуры является кристаллическая решётка. Узлы кристаллической решётки — положения устойчивого равновесия колеблющихся частиц (ионов, атомов или молекул), образующих кристалл.
Основой строения кристалла служит так называемая элементарная кристаллическая ячейка — многогранник наименьших размеров, последовательным переносом без изменения ориентации которого вместе с частицами, находящимися внутри этого многогранника, можно построить весь кристалл.
На рисунках 42 представлены самые простые элементарные ячейки: кубические (а — примитивная, б — объёмно-центрированная, в — гранецентрированная) и гексагональная призма (г).
В кристаллических телах упорядоченное размещение частиц повторяется во всём объёме кристалла, поэтому говорят, что в кристалле существует дальний порядок в расположении частиц.
Чтобы понять, почему в кристаллических телах упорядоченное размещение частиц, проделаем опыт. Насыплем на вогнутое стекло одинаковые маленькие шарики (рис. 43, а) и слегка встряхнём их несколько раз. Можно увидеть, что шарики разместятся в строгом порядке (рис. 43, б). Шарики располагаются на стекле в самом низком из возможных положений, что соответствует минимуму их потенциальной энергии в гравитационном поле Земли.
Кристаллическая структура также связана с минимумом потенциальной энергии, т. е. при образовании кристаллов частицы самопроизвольно располагаются так, чтобы потенциальная энергия их взаимодействия была минимальной.
Монокристаллы и поликристаллы. Существуют одиночные кристаллы, называемые монокристаллами, которые могут иметь довольно большие размеры. Примерами могут служить кристаллы горного хрусталя, размеры которых иногда соизмеримы с ростом человека.
Монокристаллы — твёрдые тела, имеющие во всём объёме единую кристаллическую решётку.
Анизотропия свойственна некоторым материалам биологического происхождения. Например, костным и мышечным тканям человека и животных, древесине и листьям, траве и др.
Большинство кристаллических твёрдых тел являются поликристаллами.
Поликристаллы — твёрдые тела, состоящие из большого числа сросшихся между собой маленьких кристаллов.
В отличие от монокристаллов поликристаллы изотропны, т. е. их свойства одинаковы по всем направлениям. Это следствие того, что поликристалл состоит из большого количества беспорядочно ориентированных маленьких монокристаллов.
Вы сами можете в домашних условиях вырастить монокристаллы (рис. 48, а) и поликристаллы (рис. 48, б) медного купороса (сульфата меди(II) CuSO4).
Кристаллические тела имеют определённую температуру плавления tпл, не изменяющуюся в процессе плавления при постоянном давлении. Зависимость температуры кристаллического тела от полученного им количества теплоты представлена на рисунке 49, график 1.
От теории к практике
1. Почему у шара, изготовленного из монокристалла, при нагревании изменяется не только объём, но и форма?
2. Будет ли при нагревании шара, изготовленного из стали, изменяться не только объём, но и форма?
Аморфные тела. К аморфным (от греч. аmorphous — бесформенный) телам относят опал, обсидиан, эбонит, сургуч (рис. 50), стекло, различные пластмассы, смолы (вар, канифоль, янтарь) и др.
Аморфное состояние — твёрдое некристаллическое состояние вещества, характеризующееся изотропией свойств и отсутствием определённой температуры плавления.
Зависимость температуры аморфного тела от полученного им количества теплоты представлена на рисунке 49, график 2. При повышении температуры аморфное вещество размягчается и постепенно переходит в жидкое состояние. В аморфном состоянии вещество не имеет строгого порядка в расположении атомов и молекул. Аморфное состояние — бесформенное состояние со слабо выраженной текучестью.
Аморфные тела называют переохлаждёнными жидкостями, так как у них, как и у жидкостей, существует только ближний порядок расположения частиц.
На рисунках 51 схематически представлено строение кристаллического кварца (рис. 51, а) и аморфного кварца (рис. 51, б).
Аморфные тела при определённых условиях могут кристаллизоваться. Сахар-песок является кристаллическим телом (рис. 52, а). Если его расплавить, то, застывая, он превращается в прозрачный стеклообразный леденец (рис. 52, б), который является аморфным телом. Через некоторый промежуток времени леденец «засахаривается», т. е. опять становится кристаллическим.
При скоростях охлаждения, превышающих миллион градусов в секунду, удалось получить аморфные металлические сплавы — стеклообразные металлы. Аморфный металл чрезвычайно твёрд и прочен. Его используют как режущий инструмент. Он обладает сильновыраженными магнитными свойствами, поэтому незаменим при изготовлении магнитных головок для звуко- и видеозаписи. Кроме того, аморфные металлы обладают высокой антикоррозийной стойкостью.
1. Имеются две тонкие пластинки, покрытые воском. К пластинкам поочерёдно прикоснулись раскалённой спицей. На одной пластинке при плавлении воска образовалось круглое пятно, а на другой — овал. Какое из этих тел кристаллическое, а какое аморфное?
2. В двух сосудах необходимо расплавить два твёрдых тела. Как, наблюдая за процессом плавления, можно определить, какое из этих тел кристаллическое, а какое аморфное?
Стекло обладает текучестью даже при нормальных условиях, хотя и течёт крайне медленно. В старинных зданиях, где окна не меняли достаточно долго, можно заметить постепенное утолщение стёкол книзу.
1. Какие тела называют твёрдыми?
2. Каковы особенности строения кристаллических твёрдых тел?
3. Какие типы кристаллов вы знаете? Чем они отличаются друг от друга?
4. В чём отличие между моно- и поликристаллами?
5. В чём отличие между понятиями «анизотропия» и «изотропия»?
6. Чем отличаются основные физические свойства кристаллических и аморфных тел?
Проведите наблюдение за ростом кристаллов. Для этого приготовьте насыщенный раствор поваренной соли в сосуде с горячей водой (раствор становится насыщенным, когда соль перестаёт растворяться в воде и начинает оседать на дно). Отфильтруйте раствор, переливая в другой сосуд. В остывший раствор опустите нить с привязанным к ней кристалликом соли. Другой конец нити закрепите на стержне, который поместите на край сосуда. Наблюдайте за ростом кристалла в течение нескольких дней.
Какова форма выращенного вами кристалла? Является ли он поликристаллом?
- Шретер В., Лаутеншлегер К.-Х., Бибрак Х. и др. Химия: Справ. изд. М.: Химия, 1989.
- Шубников А. В., Флинт Е. А., Бокий Г. Б., Основы кристаллографии, М.— Л., 1940.
- Шаскольская М., Кристаллы, М., 1959;
- Костов И., Кристаллография, пер. с болг., М., 1965.
- Банн Ч., Кристаллы, пер. с англ., М., 1970;
- Лейбфрид Г., Микроскопическая теория механических и тепловых свойств кристаллов, пер. с нем., М., 1963.
В зависимости от пространственной симметрии, все кристаллические решётки подразделяются на семь кристаллических систем. По форме элементарной ячейки они могут быть разбиты на шесть сингоний. Все возможные сочетания имеющихся в кристаллической решётке поворотных осей симметрии и зеркальных плоскостей симметрии приводят к делению кристаллов на 32 класса симметрии, а с учётом винтовых осей симметрии и скользящих плоскостей симметрии на 230 пространственных групп.
Помимо основных трансляций, на которых строится элементарная ячейка, в кристаллической решётке могут присутствовать дополнительные трансляции, называемые решётками Браве. В трёхмерных решётках бывают гранецентрированная (F), объёмноцентрированная (I), базоцентрированная (A, B или C), примитивная (P) и ромбоэдрическая (R) решётки Браве. Примитивная система трансляций состоит из множества векторов (a, b, c), во все остальные входят одна или несколько дополнительных трансляций. Так, в объёмноцентрированную систему трансляций Браве входит четыре вектора (a, b, c, ½(a+b+c)), в гранецентрированную — шесть (a, b, c, ½(a+b), ½(b+c), ½(a+c)). Базоцентрированные системы трансляций содержат по четыре вектора: A включает вектора (a, b, c, ½(b+c)), B — вектора (a, b, c, ½(a+c)), а C — (a, b, c, ½(a+b)), центрируя одну из граней элементарного объёма. В системе трансляций Браве R дополнительные трансляции возникают только при выборе гексагональной элементарной ячейки и в этом случае в систему трансляций R входят вектора (a, b, c, 1/3(a+b+c), —1/3(a+b+c)).
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. Однако 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.
Морфология кристаллов — наука, изучающая происхождение кристаллов и их размещение этих граней в пространстве. Представляет собой отрасль кристаллографии.
Большинство природных кристаллов имеют гладкие кристаллические грани, в малогабаритных формах; грани кристаллов оптически плоские и обычно дают чёткие отражения окружения (как в оконном стекле). У больших кристаллов отражения бывают более размытыми и, следовательно, сами грани не идеально плоские.
Плоские грани у кристаллов свидетельствуют о правильности внутреннего расположения атомов, характеризующего кристаллическое состояние вещества.
Знание морфологии драгоценных материалов необходимо для распознания таких камней в необработанном состоянии, а также для лучшей огранки того или иного кристалла.
Классификация решёток по симметрии
Следует разделить идеальный и реальный кристаллы.
Физические науки, изучающие кристаллы
Вообще, изучением свойств реальных кристаллов занимается огромная научная отрасль; достаточно сказать, что все полупроводниковые свойства некоторых кристаллов (на основе которых создаётся точная электроника и, в частности, компьютеры) возникают именно за счёт дефектов.
Объём элементарной ячейки в общем случае вычисляется по формуле:
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.
