Из чего состоит реальный кристалл. Что такое кристалл? Физические науки, изучающие кристаллы

КРИСТАЛЛЫ (от греч. krystallos - кристалл; первоначально - лед), твердые тела, обладающие трехмерной периодич. атомной (или молекулярной) структурой и, при определенных условиях образования, имеющие естеств. форму правильных симметричных многогранников

СТРУКТУРА КРИСТАЛЛА

Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы могут иметь от

четырех до нескольких сотен граней.

Кристалл представляет собой правильную трехмерную решетку, составленную из атомов или молекул. Структура кристалла – это пространственное расположение его атомов (или молекул).

Трехмерная кристаллическая структура представляет решетку, построенную на трех координатных осях x, y, z, Элементарная ячейка кристалла - это параллелепипед, построенный на векторах трансляции a, b, c. Такая ячейка называется примитивной. В результате повтора элементарной ячейки в пространстве получается пространственная простая решетка - так называемая решетка Браве.( Огюст Браве́ - французский физик и один из основателей кристаллографии. Положил начало геометрической теории структуры кристаллов: он нашёл (1848 г.) основные виды пространственных решёток. Существует четырнадцать типов решеток Браве. Эти решетки отличаются друг от друга видом элементарных ячеек.

ОБРАЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ

Кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. К кристаллизации из расплава относится и процесс образования вулканических пород. Магма, проникающая в трещины земной коры и при охлаждении магмы или лавы атомы и ионы разных элементов притягиваются друг к другу, образуя кристаллы различных минералов. Увеличиваясь в размере, они мешают друг другу расти, и поэтому гладкие наружные грани у них образуются редко. Рост кристаллов из растворов осуществляется при температурах ниже температуры плавления, поэтому в выращенных такими методами кристаллах отсутствуют дефекты, характерные для кристаллов, выращенных из расплава. Кристаллизацию из растворов можно осуществлять за счет изменения температуры раствора, за счет изменения состава раствора, а также использовать кристаллизацию при химической реакции. Метод выращивания кристаллов из паров широко используется для выращивания как массивных кристаллов, так и тонких (поликристаллических или аморфных) покрытий, нитевидных и пластинчатых кристаллов. Конкретный метод выращивания выбирают в зависимости от материала.

Виды кристаллов

Следует разделить идеальный и реальный кристалл.

Идеальный кристалл

Является, по сути, математическим объектом, имеющим полную симметрию, ровные гладкие грани.

Реальный кристалл

Всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и деформаций.

ПРИМЕНЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор из кристаллов делают амулеты и обереги.Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами . Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи. Полупроводниковые приборы изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. Кристаллы используются также в некоторых лазерах для усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет. Искусственные кристаллы. С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До 20 в. такие попытки были безуспешны. Но в 1902 удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Позднее, в конце 1940-х годов были синтезированы изумруды, а в 1955 фирма "Дженерал электрик" и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов. Многие технологические потребности в кристаллах явились стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и электрическими свойствами. Труды исследователей не пропали даром, и были найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. В лаборатории кристаллы выращиваются в тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные свойства, но в принципе лабораторные кристаллы образуются так же, как и в природе - из раствора, расплава или из паров.

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах "на счастье" и "своих камнях", соответствующих месяцу рождения. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них,- такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и в прошлые века.

Кристаллом (от греч. krystallos - "прозрачный лед") вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли "кристальными". Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным.

Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце 17 в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.

Заметной вехой в истории кристаллографии явилась книга, написанная в 1784 французом Р.Гаюи. Он выдвинул предположение, что кристаллы возникают в результате правильной укладки крохотных одинаковых частиц, которые он назвал "молекулярными блоками". Гаюи показал, каким образом можно получить гладкие плоские грани кальцита, укладывая такие "кирпичики". Различия в форме разных веществ он объяснил разницей, как в форме "кирпичиков", так и в способе их укладки.

Имея в виду возможность прямого исследования внутренней структуры, многие занимающиеся кристаллографией стали употреблять термин "кристалл" в применении ко всем твердым веществам с упорядоченной внутренней структурой.

Нужны лишь благоприятные условия, полагали они, чтобы внутренняя

упорядоченность проявилась в виде правильной наружной огранки. Некоторые ученые предпочитают называть твердые вещества с внешне не проявляющейся внутренней упорядоченностью "кристаллическими", а под "кристаллами" понимать, как это было когда-то, твердые вещества с природной огранкой.

Изначально кристаллами называли горный хрусталь - безупречный в своей холодной красоте прозрачный кварц. В прежние времена, когда ученые еще не могли объяснить причину и принцип их образования, кристаллам приписывали всевозможные волшебные свойства, свидетельство тому - многочисленные легенды и сказания, в которых упоминаются магические кристаллы, способные исцелять больных или показывать будущее. Современная кристаллофизика развеяла весь этот романтический туман, издавна окутывающий кристаллы, и дала четкое определение, что такое кристалл с научной точки зрения.

Кристалл - что это такое

Кристалл - это твердое тело природного происхождения либо образованное в лабораторных условиях, имеющее форму правильного многогранника. Правильность формы кристалла основана на его внутренней структуре - частицы вещества, из которых слагается кристалл (молекулы, атомы и ионы), располагаются в нем в определенной закономерности и образуют периодично-повторяющуюся трехмерную пространственную укладку, иначе называемую «кристаллической решеткой».

Виды и типы кристаллов

Ученые, занимающиеся изучением кристаллов, различают такие понятия, как «кристалл идеальный» и «кристалл реальный».

Идеальный кристалл

Идеальный кристалл - это некая абстрактная математическая модель кристалла, в которой ему приписывается абсолютно правильная форма, соответствующая его кристаллической решетке, полная симметрия и идеально ровные грани. Проще говоря, идеальный кристалл - это кристалл с полным набором всех качеств, свойств и характеристик, присущих данному виду кристаллов.

Реальный кристалл

Реальный кристалл - это тот кристалл, что существует в действительности. В отличие от идеального, у него имеются некоторые дефекты внутренней структуры, грани его не безупречны, а симметрия понижена. Но при всех этих недостатках в реальном кристалле сохраняется то главное свойство, которое и делает его кристаллом - частицы в нем располагаются в закономерном порядке.

Происхождение кристаллов

Природные (натуральные) кристаллы зарождаются и вырастают в недрах Земли в течение длительного времени в условиях сверхвысоких температур и огромного давления.
Искусственные кристаллы люди научились выращивать не только в лабораториях, но даже в домашних условиях. Кстати, о том, как самому вырастить соляной кристалл из раствора обычной поваренной соли, вы можете узнать из нашей статьи .

Вещества, образующие кристаллы

Кристаллы - это не только алмазы, аметисты, изумруды, сапфиры и прочие драгоценные и полудрагоценные камни, как некоторые из нас привыкли считать. Помимо этих самых известных и красивых кристаллов в природе существует множество других веществ, имеющих кристаллическое строение. Самым распространенным веществом, обладающим способностью образовывать кристаллы, является обычная вода. Как выглядят кристаллы воды, знают даже дети -льдинки и снежинки хорошо всем известны.

Кристаллы - твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников. Название «кристалл» произошло от двух греческих слов – «холод» и «застывать», т.е. означало во времена Гомера «застывший лед» и относилось к кристаллам горного хрусталя, считавшимися окаменевшим льдом. Вначале этим термином называли только прозрачные ограненные природные тела, впоследствии он был распространен на непрозрачные и даже неограненные образования. Большинство природных и искусственных твердых материалов являются поликристаллическими, одиночные кристаллы называются монокристаллами. Естественная форма кристаллов является следствием упорядоченного расположения в кристалле атомов , образующих трёхмерно-периодическую пространственную укладку - кристаллическую решётку .
Таким образом, кристаллы это твердые тела, характеризующиеся геометрически правильным упорядоченным расположением слагающих их частиц (атомов, ионов, молекул). Все кристаллы обладают той или иной симметрией атомной структуры и соответствующей ей макроскопической симметрией внешней формы, а также анизотропией физических свойств, что обусловливает характерную для них многогранную форму.
Кристаллическое состояние - равновесное для твёрдых тел. Каждому химическому веществу, находящемуся при данных термодинамических условиях (температура, давление) в кристаллическом состоянии, соответствует определённая кристаллическая структура . Каждый кристалл обладает определенной кристаллической структурой при соответствующих физико-химических условиях, изменение которых может привести к перестройке как самой структуры, так и к иной внешней форме

Следует разделять идеальный и реальный кристалл. Идеальный кристалл - это, по сути, математический объект, обладающий в полной мере симметрией, определяемой симметрией его кристаллической структуры и как следствие - идеальной формой. Реальный кристалл всегда имеет пониженную симметрию вследствие различных внутренних дефектов и воздействия окружающей среды. Реальные кристаллы изучает геохимия твердого тела. Так, согласно универсальному принципу симметрии П.Кюри, при росте реального кристалла сохраняются только те элементы его внутренней симметрии, которые совпадают с симметрией среды кристаллизации.
Pеальным граням кристалла могут соответствовать лишь те плоскости кристаллической решётки , которые имеют наибольшую ретикулярную плотность, т.е. на которых на единицу площади приходится наибольшее число составляющих её частиц (атомов, ионов). Таких плоских сеток сравнительно немного, поэтому кристаллы имеют ограничения в отношении числа возможных граней.
Если кристалл вырос в неравновесных условиях и не имеет в силу этого правильной огранки, или утратил её в результате тех или иных внешних причин (природные и иные повреждения, ювелирная обработка и т. п.), он тем не менее сохраняет основной признак кристаллического состояния - внутреннюю решётчатую атомную структуру и все определяемые ею физические и внешние свойства. Этим объясняется способность осколков кристалла(или его фрагментов любой неправильной внешней формы) при попадании в благоприятную для кристаллизации данного вещества среду покрываться новыми гранями и дорастать до более или менее правильного многогранника с соответствующей симметрией (см. Регенерация).

Кристаллы изучают различные геохимические науки:

Минералогия - изучает кристаллы минералов как главную форму их нахождения в природе, определяющую свойства минералов и несущую (хранящую) в себе генетическую информацию
Кристаллография занимается определением и классификацией внешней симметрии и внутренней структуры кристаллов
- Кристаллохимия изучает закономерности образования кристаллов из различных веществ, особенности их внутреннего строения.
- Рентгено-структурный анализ - позволяет исследовать особенности состава и структуры реальных кристаллов и использовать рентгенографические методы для диагностики минералов
Кристаллооптика изучает оптические свойства кристаллов, кристаллических срастаний и горных пород
Геммология изучает физические и химические свойства природных

Самым распространенным состоянием всех существующих веществ Земли и Космоса является кристаллическое состояние. Что это такое? На какие типы подразделяются кристаллы? Как можно вырастить кристалл в домашних условиях, читайте в статье.

Определение

Кристалл - это тело твердой консистенции многогранной формы. Его возникновение - результат расположения частиц: атомов, молекул, ионов в определенном порядке. Их задачей является образование рядов, плоских сеток и пространственных решеток.

Многогранные кристаллы могут быть:

в виде кубиков - пириты;
призм с заостренными концами - горный хрусталь;
двенадцатигранников - гранат;
восьмигранников - железная руда (магнетит);
драгоценных камней - алмазы, топазы, рубины и другие.

Размеры этих образований бывают достаточно большие.

Кристалл - это тело, вершина которого должна соответствовать атому, иону, молекуле. Ребро, соответственно, - каждому ряду частиц, а грань - сетке. Если во много раз увеличить реальные кристаллы, то видно, что вершина, ребро и грань состоят из множества частиц, рядов, сеток, которые располагаются параллельно.

Какие бывают кристаллы?

Специалисты выявили разные типы кристаллов:

Идеальные - представляют собой абстрактную модель, обладающую правильной формой, полной симметрией и ровными гранями. Другими словами, понятие идеального кристалла включает в себя полный набор лучших свойств и качеств, которыми он характеризуется.

Реальные кристаллы - это действительно существующие в природе тела, у которых внутренняя структура может иметь дефекты, небезупречными бывают грани, а симметрия и вовсе понижена. Но реальный кристалл, несмотря на все недостатки, наделен главным свойством, делающим его кристаллом, - расположением частиц в закономерном порядке.

Выращивание кристалла из соли

Из соли можно вырастить кристаллы и в домашних условиях. Для этого понадобится соль, стеклянная емкость, нить, карандаш, вода. Итак, как вырастить кристалл соли?

В стакан с водой соль всыпают порциями и тщательно перемешивают, пока она не растворится полностью.
Жидкость ставят на огонь и прогревают до 90°С. Воду доводят до кипения, но не кипятят. Раствор охлаждают и процеживают - в нем не должно быть осадка.
Затем нить привязывают к карандашу, а к ней - кристаллик соли или пуговицу, которую предварительно нужно окунуть в соляной раствор и высушить.
Кончик нити с привязанной наживкой опускают в емкость с растворенной солью так, чтобы он не касался дна и стенок.
Емкость накрывают чистой салфеткой и помещают в теплое место. Температура должна быть постоянной.

Время, в течение которого будет расти кристалл, разное. Оно зависит от его желаемой величины.

Пространственная кристаллическая решетка

Если вместо частиц - ионов и атомов - поставить точки, то строение кристалла представляет собой пространство, которое заполнено точками, расположенными в закономерном порядке. Если их соединить линиями, получится пространственная решетка, состоящая из следующих элементов:

узлов, которыми называются точки размещения частиц кристалла;
рядов, представленных совокупностью узлов, которые через одинаковые расстояния периодически повторяются (узлы лежат вдоль прямых линий);
промежутков, которыми называется расстояние от одного до другого равнозначного узла (эти промежутки ничтожно малы);
плоской сетки, представляющей собой узлы и ряды, которые располагаются в единой плоскости.

Решетки бывают разными. Это зависит от того, какова природа частиц кристалла и связь между ними. Виды кристаллические решетки бывают:

Ионные - узлы решеток содержат ионы, которые бывают положительными и отрицательными. Между собой они связаны взаимодействием, которое называется электростатическим. Ионы бывают простыми и сложными. В узлах хлорида натрия они простые, а сульфата калия - сложные. В таких кристаллах ионы связаны между собой прочно, а вещества отличаются твердостью, тугоплавкостью, они нелетучие и растворимы в воде.
Металлические - такие решетки в своем составе имеют положительные ионы, свободные электроны и атомы металлов. Решетки образуются такими веществами, которые характеризуются металлической связью. Они свойственны простым металлам и их сплавам. Металлы, как правило, имеют разную температуру плавления, но все без исключения обладают металлическим блеском, пластичностью, ковкостью и хорошей электро- и теплопроводностью.

Атомные - для узлов характерно наличие отдельных атомов, соединенных между собой так называемыми ковалентными связями. Решетку такого типа имеет алмаз, графит, кварц, песок, горный хрусталь и др. Эти вещества прочные и твердые, обладают высокой температурой плавления и кипения.
Молекулярные - это решетки, узлы которых содержат молекулы, связанные между собой слабым взаимодействием, называемым межмолекулярным, хотя атомы в молекулах соединены прочно. Кристаллы с молекулярной кристаллической решеткой обладают маленькой твердостью и прочностью, низкой температурой плавления, а также кипения. Многим молекулярным веществам свойственно жидкое и газообразное состояние, они летучи и могут иметь запах. К веществам с такой связью относится вода, аммиак, нафталин, кислоты, глюкоза, сахар и т. п.

Причины изменения формы природных кристаллов

Свою форму кристаллы меняют по разным причинам. Одной из них является нарушение условий, в которых они образуются. Так, если магма будет застывать медленно, то у зерен кварца будут неправильные, криволинейные контуры. Другой пример, когда коренные породы разрушаются, их обломки сносятся водой. Поэтому часто в песках обнаруживаются кристаллы таких пород, как кварц, магнетит, гранат.

Форма таких недоразвитых кристаллов уродливая, их грани обломанные. Кристалл - это геометрически правильная форма, которая распространяется не только на поверхность кристалла, но и на внутреннее его строение. Между частицами здесь имеется расстояние, они не заполняют все пространство, то есть их расположение имеет определенный порядок, присущий только данному веществу.

На территории бывшего Советского Союза в 1958 году ученые нашли кристалл кварца гигантского размера. Его длина составляла 7,5 м, ширина - 1,5 м и масса - 70 т. Попадались кристаллы берилла массой 18 т и длиной 5 м. Хотя во время находок чаще встречаются кристаллики микроскопических размеров.

В восточной части Оренбургской области посчастливилось найти горный хрусталь, кристалл которого имел длину 170 см, ширину - 80 см, массу - 784 кг. Его иронично назвали «Малюткой». В настоящее время этот кристалл расположен у входа в Уральский музей геологии в городе Екатеринбурге.