Кристали, енциклопедія Навколосвіт

Металеві кристали утворюють чисті метали і їх сплави. Такі кристали можна побачити на зламі металів, а також на поверхні оцинкованої бляхи. Кристалічна решітка металів утворена катіонами, які пов'язані рухливими електронами ( «електронним газом»). Така будова обумовлює електропровідність, ковкість, високу відбивну здатність (блиск) кристалів. Структура металевих кристалів утворюється в результаті різної упаковки атомів-куль. Лужні метали, хром, молібден, вольфрам і ін. Утворюють об'ємно-центрованої кубічну решітку; мідь, срібло, золото, алюміній, нікель і ін. - гранецентрированную кубічну решітку (в ній крім 8 атомів у вершинах куба є ще 6, розташовані в центрі граней); берилій, магній, кальцій, цинк і ін. - так звану гексагональную щільну грати (в ній 12 атомів розташовані в вершинах прямокутної шестигранної призми, 2 атоми - в центрі двох підстав призми і ще 3 атома - в вершинах трикутника в центрі призми).

Всі кристалічні сполуки можна розділити на моно- і полікристалічні. Монокристал є моноліт з єдиної ненарушенной кристалічною решіткою. Природні монокристали великих розмірів зустрічаються дуже рідко. Більшість кристалічних тіл є полікристалічний, тобто складаються з безлічі дрібних кристаликів, іноді видних тільки при сильному збільшенні.

Зростання кристалів.

Багато видатні вчені, які внесли великий вклад в розвиток хімії, мінералогії, інших наук, починали свої перші досліди саме з вирощування кристалів. Крім чисто зовнішніх ефектів, ці досліди змушують замислюватися на тим, як влаштовані кристали і як вони утворюються, чому різні речовини дають кристали різної форми, а деякі зовсім не утворюють кристалів, що треба зробити, щоб кристали вийшли великими і красивими.

Ось проста модель, яка пояснює суть кристалізації. Уявімо, що в великому залі укладають паркет. Найлегше працювати з плитками квадратної форми - як не поверни таку плитку, вона все одно підійде до свого місця, і робота піде швидко. Саме тому легко кристалізуються сполуки, що складаються з атомів (метали, благородні гази) або невеликих симетричних молекул. Такі сполуки, як правило, не утворюють некристалічних (аморфних) речовин.

Найважче викласти паркет з прямокутних дощечок, особливо якщо у них з боків є пази і виступи - тоді кожну дощечку можна укласти на своє місце одним єдиним способом. Особливо важко викласти паркетний візерунок з дощечок складної форми.

Якщо паркетник дуже поспішає, то плитки будуть надходити до місця укладання занадто швидко. Зрозуміло, що правильного візерунка тепер не вийде: якщо хоча б в одному місці плитку перекосить, то далі все піде криво, з'являться порожнечі (як в старій комп'ютерній грі «Тетріс», в якій «стакан» заповнюється деталями занадто швидко). Нічого доброго не вийде і в тому випадку, якщо у великому залі почнуть укладати паркет відразу десяток майстрів - кожен зі свого місця. Навіть якщо вони будуть працювати не поспішаючи, вкрай сумнівно, щоб сусідні ділянки виявилися добре зістикованими, і в цілому, вид у приміщення вийде вельми непривабливим: в різних місцях плитки розташовані в різному напрямку, а між окремими ділянками рівного паркету зяють дірки.

Приблизно ті ж процеси відбуваються і при зростанні кристалів, тільки складність тут ще й в тому, що частинки повинні укладатися не в площині, а в обсязі. Але ж ніякого «паркетника» тут немає - хто ж укладає частинки речовини на своє місце? Виявляється, вони укладаються самі, тому що безперервно здійснюють теплові руху і «шукають» дуже вдалий для себе місце, де їм буде найбільш «зручно». В даному випадку «зручність» має на увазі також і найбільш енергетично вигідне розташування. Потрапивши на таке місце на поверхні зростаючого кристала, частка речовини може там залишитися і через деякий час опинитися вже всередині кристала, під новими наросшими шарами речовини. Але можливе й інше - частка знову піде з поверхні в розчин і знову почне «шукати», де їй зручніше влаштуватися.

Кожне кристалічна речовина має певну властиву йому зовнішню форму кристала. Наприклад, для хлориду натрію ця форма - куб, для алюмокалієвих квасцов - октаедр. І навіть якщо спочатку такий кристал мав неправильну форму, він все одно рано чи пізно перетвориться на куб або октаедр. Більш того, якщо кристал з правильною формою спеціально зіпсувати, наприклад, відбити у нього вершини, пошкодити ребра і грані, то при подальшому зростанні такий кристал почне самостійно «заліковувати» свої ушкодження. Відбувається це тому, що «правильні» грані кристала ростуть швидше, «неправильні» - повільніше. Щоб переконатися в цьому, був проведений такий досвід: з кристала кухонної солі виточили куля, а потім помістили його в насичений розчин NaCl; через деякий час куля сам поступово перетворився в куб! Мал. 6 Форми кристалів деяких мінералів

Якщо процес кристалізації йде не дуже швидко, а частинки мають зручною для укладання формою і високою рухливістю, вони легко знаходять своє місце. Якщо ж різко знизити рухливість частинок з низькою симетрією, то вони «застигають» як попало, утворюючи прозору масу, схожу на скло. Такий стан речовини так і називають - стеклообразном. Прикладом може служити звичайне віконне скло. Якщо скло довго тримати сильно нагрітим, коли частки в ньому досить рухливі, в ньому почнуть рости кристали силікатів. Таке скло втрачає прозорість. Стеклообразнимі можуть бути не тільки силікати. Так, при повільному охолодженні етилового спирту він кристалізується при температурі -113,3 ° С, утворюючи білу снегообразную масу. Але якщо охолодження вести дуже швидко (опустити тонку ампулу зі спиртом в рідкий азот з температурою 196 ° С), спирт застигне так швидко, що його молекули не встигнуть побудувати правильний кристал. В результаті вийде прозоре скло. Те ж відбувається і з силікатним склом (наприклад, віконним). При дуже швидкому охолодженні (мільйони градусів в секунду) навіть метали можна отримати в некристалічних склоподібного стані.

Важко кристалізуються речовини з «незручною» формою молекул. До таких речовин відносяться, наприклад, білки та інші біополімери. Але і звичайний гліцерин, який має температуру плавлення + 18 ° С, при охолодженні легко переохолоджується, поступово застигаючи в стеклообразную масу. Справа в тому, що вже при кімнатній температурі гліцерин дуже в'язкий, а при охолодженні стає зовсім густим. При цьому несиметричним молекулам гліцерину дуже важко вишикуватися в строгому порядку і утворити кристалічну решітку.

Способи вирощування кристалів.

Кристалізацію можна вести різними способами. Один з них - охолодження насиченого гарячого розчину. При кожній температурі в даній кількості розчинника (наприклад, у воді) може розчинитися не більше певної кількості речовини. Наприклад, в 100 г води при 90 ° С може розчинитися 200 г алюмокалієвих квасцов. Такий розчин називається насиченим. Будемо тепер охолоджувати розчин. Зі зниженням температури розчинність більшості речовин зменшується. Так, при 80 ° С в 100 г води можна розчинити вже не більше 130 г квасцов. Куди ж подінуться решта 70 г? Якщо охолодження вести швидко, надлишок речовина просто випаде в осад. Якщо цей осад висушити і розглянути в сильну лупу, то можна побачити безліч дрібних кристаликів.