Als je naar kristallen en edelstenen kijkt, wil je begrijpen hoe deze mysterieuze schoonheid heeft kunnen verschijnen, hoe zulke verbazingwekkende werken van de natuur worden gemaakt. Er is een verlangen om meer te weten te komen over hun eigenschappen. Door de bijzondere, zich nergens in de natuur herhalende structuur van kristallen kunnen ze immers overal worden gebruikt: van sieraden tot de nieuwste wetenschappelijke en technische uitvindingen.
Studie van kristallijne mineralen
De structuur en eigenschappen van kristallen zijn zo veelzijdig dat een aparte wetenschap, de mineralogie, zich bezighoudt met het bestuderen en bestuderen van deze verschijnselen. De beroemde Russische academicus Alexander Evgenievich Fersman was zo geabsorbeerd en verrast door de diversiteit en oneindigheid van de wereld van kristallen dat hij probeerde zoveel mogelijk geesten te boeien met dit onderwerp. In zijn boek Entertaining Mineralogy drong hij enthousiast en warm aan om kennis te maken met de geheimen van mineralen en een duik te nemen in de wereld van edelstenen:
Ik wil je echtboeien. Ik wil dat je geïnteresseerd raakt in bergen en steengroeven, mijnen en mijnen, zodat je verzamelingen mineralen begint te verzamelen, zodat je met ons mee wilt gaan van de stad verder weg, naar de loop van de rivier, waar zijn hoge rotsachtige oevers, naar de toppen van bergen of naar de rotsachtige kust, waar steen wordt gebroken, zand wordt gedolven of erts explodeert. Daar, overal zullen jij en ik iets te doen vinden: en in dode rotsen, zand en stenen zullen we een aantal grote natuurwetten leren lezen die de hele wereld regeren en volgens welke de hele wereld is gebouwd.
Natuurkunde bestudeert kristallen, met het argument dat elk echt vast lichaam een kristal is. Chemie onderzoekt de moleculaire structuur van kristallen en komt tot de conclusie dat elk metaal een kristallijne structuur heeft.
De studie van de verbazingwekkende eigenschappen van kristallen is van groot belang voor de ontwikkeling van moderne wetenschap, technologie, de bouwsector en vele andere industrieën.
Basiswetten van kristallen
Het eerste dat mensen opvallen als ze naar een kristal kijken, is de ideale veelzijdige vorm, maar het is niet het belangrijkste kenmerk van een mineraal of metaal.
Als een kristal in kleine fragmenten wordt gebroken, blijft er niets over van de ideale vorm, maar elk fragment, zoals voorheen, blijft een kristal. Een onderscheidend kenmerk van een kristal is niet het uiterlijk, maar de karakteristieke kenmerken van de interne structuur.
Symmetrisch
Het eerste dat je moet onthouden en waar je op moet letten bij het bestuderen van kristallen is het fenomeensymmetrie. Het is wijdverbreid in het dagelijks leven. Vlindervleugels zijn symmetrisch, een afdruk van een vlek op een dubbelgevouwen stuk papier. Symmetrische sneeuwkristallen. De zeshoekige sneeuwvlok heeft zes symmetrievlakken. Door de afbeelding te buigen langs een lijn die het symmetrievlak van de sneeuwvlok weergeeft, kun je de twee helften met elkaar combineren.
De symmetrie-as heeft zo'n eigenschap dat, door een figuur over een bekende hoek eromheen te draaien, het mogelijk is om geschikte delen van de figuur met elkaar te combineren. Afhankelijk van de grootte van een geschikte hoek waarmee de figuur moet worden gedraaid, worden in de kristallen assen van de 2e, 3e, 4e en 6e orde bepaald. In sneeuwvlokken is er dus een enkele symmetrie-as van de zesde orde, die loodrecht op het tekenvlak staat.
Het symmetriecentrum is zo'n punt in het vlak van de figuur, op dezelfde afstand waarvan in de tegenovergestelde richting dezelfde structurele elementen van de figuur zijn.
Wat zit erin?
De interne structuur van kristallen is een soort combinatie van moleculen en atomen in een volgorde die alleen kenmerkend is voor kristallen. Hoe kennen ze de interne structuur van deeltjes als ze zelfs met een microscoop niet zichtbaar zijn?
Hiervoor worden röntgenstralen gebruikt. Door ze te gebruiken voor doorschijnende kristallen, hebben de Duitse natuurkundige M. Laue, de Engelse natuurkundigen vader en zoon Bragg en de Russische professor Yu. Wolf de wetten opgesteld volgens welke de structuur en structuur van kristallen worden bestudeerd.
Alles was verrassend en onverwacht. Samohet concept van de structuur van het molecuul bleek niet toepasbaar op de kristallijne toestand van materie.
Een bekende stof als keukenzout heeft bijvoorbeeld de chemische samenstelling van het NaCl-molecuul. Maar in een kristal vormen individuele atomen van chloor en natrium geen afzonderlijke moleculen, maar vormen ze een bepaalde configuratie die een ruimtelijk of kristalrooster wordt genoemd. De kleinste deeltjes chloor en natrium zijn elektrisch gebonden. Het kristalrooster van zout wordt als volgt gevormd. Een van de valentie-elektronen van de buitenste schil van het natriumatoom wordt geïntroduceerd in de buitenste schil van het chlooratoom, die niet volledig gevuld is vanwege de afwezigheid van het achtste elektron in de derde schil van chloor. Dus in een kristal behoort elk ion van zowel natrium als chloor niet tot één molecuul, maar tot het hele kristal. Omdat het chlooratoom eenwaardig is, kan het slechts één elektron aan zichzelf hechten. Maar de structurele kenmerken van de kristallen leiden ertoe dat het chlooratoom wordt omgeven door zes natriumatomen, en het is onmogelijk om te bepalen welke van hen een elektron met chloor zal delen.
Het blijkt dat de chemische molecule van tafelzout en zijn kristal helemaal niet hetzelfde zijn. Het hele eenkristal is als één gigantisch molecuul.
Grille - alleen model
De fout moet worden vermeden wanneer het ruimtelijke rooster wordt genomen als een echt model van de kristalstructuur. Lattice - een soort voorwaardelijk beeld van een voorbeeld van de verbinding van elementaire deeltjes in de structuur van kristallen. Netaansluitpunten in de vorm van ballenvisueel kun je atomen weergeven, en de lijnen die ze verbinden zijn een benaderend beeld van de bindende krachten ertussen.
In werkelijkheid zijn de openingen tussen atomen in een kristal veel kleiner. Het is een dichte pakking van de samenstellende deeltjes. Een bal is een conventionele aanduiding van een atoom, waarvan het gebruik het mogelijk maakt om de eigenschappen van dichte pakking met succes weer te geven. In werkelijkheid is er geen eenvoudig contact van atomen, maar hun onderlinge gedeeltelijke overlap met elkaar. Met andere woorden, het beeld van een bal in de structuur van het kristalrooster is, voor de duidelijkheid, de afgebeelde bol met een dergelijke straal die het grootste deel van de elektronen van het atoom bevat.
Belofte van kracht
Er is een elektrische aantrekkingskracht tussen twee tegengesteld geladen ionen. Het is een bindmiddel in de structuur van ionische kristallen zoals keukenzout. Maar als je de ionen heel dichtbij brengt, zullen hun elektronenbanen elkaar overlappen en zullen afstotende krachten van gelijkgeladen deeltjes verschijnen. Binnenin het kristal is de verdeling van ionen zodanig dat de afstotende en aantrekkende krachten in evenwicht zijn, waardoor kristalsterkte wordt verkregen. Deze structuur is typisch voor ionische kristallen.
En in de kristalroosters van diamant en grafiet is er een verbinding van atomen met behulp van gewone (collectieve) elektronen. Dicht bij elkaar liggende atomen hebben gemeenschappelijke elektronen die rond de kern van zowel één als naburige atomen draaien.
Een gedetailleerde studie van de theorie van krachten met dergelijke bindingen is vrij moeilijk en ligt op het gebied van de kwantummechanica.
Metaalverschillen
De structuur van metaalkristallen is complexer. Vanwege het feit dat metaalatomen gemakkelijk de beschikbare externe elektronen afstaan, kunnen ze vrij door het hele volume van het kristal bewegen en het zogenaamde elektronengas erin vormen. Door zulke "zwervende" elektronen ontstaan krachten die zorgen voor de sterkte van de metalen staaf. De studie van de structuur van echte metaalkristallen toont aan dat, afhankelijk van de manier waarop een metalen staaf wordt gekoeld, deze onvolkomenheden kan bevatten: oppervlak, punt en lineair. De grootte van dergelijke defecten is niet groter dan de diameter van verschillende atomen, maar ze vervormen het kristalrooster en beïnvloeden de diffusieprocessen in metalen.
Kristalgroei
Voor een beter begrip kan de groei van een kristallijne substantie worden weergegeven als de bouw van een baksteenstructuur. Als een steen van een onafgewerkt metselwerk wordt gepresenteerd als een integraal onderdeel van een kristal, dan is het mogelijk om te bepalen waar het kristal zal groeien. De energetische eigenschappen van het kristal zijn zodanig dat de steen die op de eerste steen wordt geplaatst, aantrekkingskracht zal ervaren van één kant - van onderaf. Bij het leggen op de tweede - van twee kanten, en op de derde - van drie. Bij het kristallisatieproces - de overgang van een vloeistof naar een vaste toestand - komt energie (fusiewarmte) vrij. Voor de grootste sterkte van het systeem moet de mogelijke energie ervan tot een minimum neigen. Daarom vindt de groei van kristallen laag voor laag plaats. Eerst wordt een rij van het vliegtuig voltooid, dan het hele vliegtuig, en pas dan zal de volgende worden gebouwd.
Wetenschap vankristallen
De basiswet van kristallografie - de wetenschap van kristallen - zegt dat alle hoeken tussen verschillende vlakken van kristalvlakken altijd constant en hetzelfde zijn. Hoe vervormd een groeiend kristal ook is, de hoeken tussen de vlakken behouden dezelfde waarde die inherent is aan dit type. Ongeacht de grootte, vorm en aantal snijden de vlakken van hetzelfde kristalvlak elkaar altijd onder dezelfde vooraf bepaalde hoek. De wet van constantheid van hoeken werd ontdekt door M. V. Lomonosov in 1669 en speelde een belangrijke rol in de studie van de structuur van kristallen.
Anisotropie
De eigenaardigheid van het proces van kristalvorming is te wijten aan het fenomeen anisotropie - verschillende fysieke kenmerken afhankelijk van de groeirichting. Eenkristallen geleiden elektriciteit, warmte en licht verschillend in verschillende richtingen en hebben een ongelijke sterkte.
Zo kan hetzelfde chemische element met dezelfde atomen verschillende kristalroosters vormen. Koolstof kan bijvoorbeeld kristalliseren tot diamant en tot grafiet. Tegelijkertijd is diamant een voorbeeld van de maximale sterkte onder mineralen, en grafiet verlaat gemakkelijk zijn schubben wanneer met een potlood op papier wordt geschreven.
Het meten van de hoeken tussen de vlakken van mineralen is van groot praktisch belang voor het bepalen van hun aard.
Basisfuncties
Nadat we de structurele kenmerken van kristallen hebben geleerd, kunnen we hun belangrijkste eigenschappen kort beschrijven:
- Anisotropie - ongelijke eigenschappen in verschillende richtingen.
- Uniformiteit - elementairde bestanddelen van kristallen, op gelijke afstand van elkaar, hebben dezelfde eigenschappen.
- Het vermogen om zichzelf te snijden - elk fragment van een kristal in een medium dat geschikt is voor zijn groei, zal een veelzijdige vorm aannemen en zal worden bedekt met gezichten die overeenkomen met dit type kristallen. Het is deze eigenschap die ervoor zorgt dat het kristal zijn symmetrie behoudt.
- De onveranderlijkheid van het smeltpunt. De vernietiging van het ruimtelijke rooster van een mineraal, dat wil zeggen de overgang van een kristallijne substantie van een vaste naar een vloeibare toestand, vindt altijd plaats bij dezelfde temperatuur.
Kristalen zijn vaste stoffen die de natuurlijke vorm van een symmetrisch veelvlak hebben aangenomen. De structuur van kristallen, gekenmerkt door de vorming van een ruimtelijk rooster, diende als basis voor de ontwikkeling in de natuurkunde van de theorie van de elektronische structuur van een vaste stof. De studie van de eigenschappen en structuur van mineralen is van groot praktisch belang.
