Kiteitä ja jalokiviä katsellessa haluaa ymmärtää, miten tämä salaperäinen kauneus saattoi ilmaantua, miten niin upeita luonnonteoksia syntyy. Halutaan oppia lisää niiden ominaisuuksista. Loppujen lopuksi kiteiden erityinen, missään luonnossa toistuva rakenne mahdollistaa niiden käytön kaikkialla: koruista uusimpiin tieteellisiin ja teknisiin keksintöihin.
Kidemineraalien tutkimus
Kiteiden rakenne ja ominaisuudet ovat niin monitahoisia, että näitä ilmiöitä tutkii ja tutkii erillinen tiede, mineralogia. Kuuluisa venäläinen akateemikko Alexander Evgenievich Fersman oli niin imeytynyt ja yllättynyt kristallimaailman monimuotoisuudesta ja äärettömyydestä, että hän yritti valloittaa mahdollisimman monta mieltä tällä aiheella. Kirjassaan Entertaining Mineralogy hän kehotti innostuneesti ja lämpimästi tutustumaan mineraalien salaisuuksiin ja sukeltamaan jalokivien maailmaan:
Haluan todella sinutvalloittaa. Haluan sinun alkavan olla kiinnostuneita vuorista ja louhoksista, kaivoksista ja kaivoksista, jotta alat kerätä mineraalikokoelmia, jotta haluat lähteä kanssamme kauempana olevasta kaupungista, joen kulkureitille, missä on ovat korkeita kallioisia ranteita, vuorten huipulle tai kallioiselle merenrannalle, missä kiviä rikotaan, hiekkaa louhitaan tai malmia räjähtää. Siellä, kaikkialla sinä ja minä löydämme tekemistä: ja kuolleissa kivissä, hiekoissa ja kivissä opimme lukemaan suuria luonnonlakeja, jotka hallitsevat koko maailmaa ja joiden mukaan koko maailma on rakennettu.
Fysiikka tutkii kiteitä väittäen, että mikä tahansa todella kiinteä kappale on kristalli. Kemia tutkii kiteiden molekyylirakennetta ja päätyy siihen tulokseen, että millä tahansa metallilla on kiderakenne.
Kiteiden hämmästyttävien ominaisuuksien tutkiminen on erittäin tärkeää modernin tieteen, teknologian, rakennusteollisuuden ja monien muiden teollisuudenalojen kehitykselle.
Kiteiden peruslait
Ensimmäinen asia, jonka ihmiset huomaavat kristallia katsoessaan, on sen ihanteellinen monipuolinen muoto, mutta se ei ole mineraalin tai metallin pääominaisuus.
Kun kide hajotetaan pieniksi palasiksi, mikään ei jää ideaalisesta muodosta, mutta mikä tahansa fragmentti, kuten ennenkin, jää kiteeksi. Kiteen erottuva piirre ei ole sen ulkonäkö, vaan sen sisäisen rakenteen ominaispiirteet.
Symmetrinen
Ensimmäinen asia, joka tulee muistaa ja huomioida kiteitä tutkiessa, on ilmiösymmetria. Se on yleistä jokapäiväisessä elämässä. Perhosen siivet ovat symmetrisiä, täplän jälki taitettuun paperiin. Symmetrinen lumikiteet. Kuusikulmaisessa lumihiutaleessa on kuusi symmetriatasoa. Taivuttamalla kuvaa mitä tahansa lumihiutaleen symmetriatasoa kuvaavaa viivaa pitkin voit yhdistää sen kaksi puoliskoa toisiinsa.
Symmetria-akselilla on sellainen ominaisuus, että kiertämällä kuviota jollain tunnetulla kulmalla sen ympärillä on mahdollista yhdistää sopivia osia kuviosta keskenään. Riippuen sopivan kulman koosta, jolla figuuria pitää kiertää, kiteissä määritetään 2., 3., 4. ja 6. kertaluvun akselit. Siten lumihiutaleissa on yksi kuudennen kertaluvun symmetria-akseli, joka on kohtisuorassa piirustustasoon nähden.
Symmetrian keskipiste on sellainen piste kuvan tasossa, josta samalla etäisyydellä, josta vastakkaisessa suunnassa ovat samat kuvion rakenneosat.
Mitä sisällä on?
Kiteiden sisäinen rakenne on eräänlainen molekyylien ja atomien yhdistelmä vain kiteille ominaisessa järjestyksessä. Mistä he tietävät hiukkasten sisäisen rakenteen, jos ne eivät ole näkyvissä edes mikroskoopilla?
röntgensäteitä käytetään tähän. Käyttämällä niitä läpikuultavien kiteiden tekemiseen saksalainen fyysikko M. Laue, englantilaiset fyysikot isä ja poika Bragg sekä venäläinen professori Yu. Wolf vahvistivat lait, joiden mukaan kiteiden rakennetta ja rakennetta tutkitaan.
Kaikki oli yllättävää ja odottamatonta. Samomolekyylin rakenteen käsite osoittautui soveltumattomaksi aineen kiteiseen tilaan.
Esimerkiksi sellaisella tunnetulla aineella, kuten ruokasuola, on NaCl-molekyylin kemiallinen koostumus. Mutta kiteessä yksittäiset kloori- ja natriumatomit eivät muodosta erillisiä molekyylejä, vaan muodostavat tietyn konfiguraation, jota kutsutaan spatiaaliseksi tai kidehilaksi. Pienimmät kloorin ja natriumin hiukkaset ovat sähköisesti sitoutuneita. Suolan kidehila muodostuu seuraavasti. Yksi natriumatomin ulkokuoren valenssielektroneista viedään klooriatomin ulkokuoreen, joka ei ole täysin täytetty, koska kolmannessa kloorikuoressa ei ole kahdeksannen elektronin. Siten kiteessä jokainen natriumin ja kloorin ioni ei kuulu yhteen molekyyliin, vaan koko kiteeseen. Koska klooriatomi on yksiarvoinen, se voi kiinnittää vain yhden elektronin itseensä. Mutta kiteiden rakenteelliset ominaisuudet johtavat siihen, että klooriatomia ympäröi kuusi natriumatomia, ja on mahdotonta määrittää, mikä niistä jakaa elektronin kloorin kanssa.
On käynyt ilmi, että ruokasuolan kemiallinen molekyyli ja sen kide eivät ole ollenkaan sama asia. Koko yksikidekide on kuin yksi jättimäinen molekyyli.
Säleikkö - vain malli
Virhettä tulee välttää, kun spatiaalinen hila otetaan kiderakenteen todelliseksi malliksi. Hila - eräänlainen ehdollinen kuva esimerkistä alkuainehiukkasten liittämisestä kiteiden rakenteessa. Ristikon liitoskohdat pallojen muodossavisuaalisesti mahdollistavat atomien kuvaamisen, ja niitä yhdistävät viivat ovat likimääräinen kuva niiden välisistä sidosvoimista.
Todellisuudessa atomien väliset raot kiteen sisällä ovat paljon pienempiä. Se on sen aineosien tiheä pakkaus. Pallo on atomin tavanomainen nimitys, jonka käyttö mahdollistaa tiiviin pakkauksen ominaisuuksien onnistuneen heijastuksen. Todellisuudessa ei ole olemassa yksinkertaista atomien kosketusta, vaan niiden keskinäinen osittainen päällekkäisyys toistensa kanssa. Toisin sanoen kidehilan rakenteessa olevan pallon kuva on selvyyden vuoksi kuvattu sellaisen säteen omaava pallo, joka sisältää suurimman osan atomin elektroneista.
voiman lupaus
Kahden vastakkaisesti varautuneen ionin välillä on sähköinen vetovoima. Se on sideaine ionikiteiden, kuten ruokasuolan, rakenteessa. Mutta jos tuot ionit hyvin lähelle, niiden elektroniradat menevät päällekkäin ja samalla tavalla varautuneiden hiukkasten hylkivät voimat ilmestyvät. Kiteen sisällä ionien jakautuminen on sellainen, että hylkivät ja houkuttelevat voimat ovat tasapainossa, mikä tarjoaa kiteisen lujuuden. Tämä rakenne on tyypillinen ionikiteille.
Ja timantin ja grafiitin kidehiloissa on atomien yhteys yhteisten (kollektiivisten) elektronien avulla. Lähekkäin sijaitsevilla atomeilla on yhteisiä elektroneja, jotka kiertävät sekä yhden että viereisen atomin ytimen.
Tällaisten sidosten voimien teorian yksityiskohtainen tutkimus on melko vaikeaa ja kuuluu kvanttimekaniikan alaan.
Metallien erot
Metallikiteiden rakenne on monimutkaisempi. Koska metalliatomit luovuttavat helposti saatavilla olevia ulkoisia elektroneja, ne voivat liikkua vapaasti koko kiteen tilavuudessa muodostaen niin sanotun elektronikaasun sen sisällä. Tällaisten "vaeltelevien" elektronien ansiosta syntyy voimia, jotka varmistavat metalliharkon lujuuden. Oikeiden metallikiteiden rakenteen tutkiminen osoittaa, että metalliharkon jäähdytysmenetelmästä riippuen siinä voi olla puutteita: pinta-, piste- ja lineaarisia. Tällaisten vikojen koko ei ylitä useiden atomien halkaisijaa, mutta ne vääristävät kidehilaa ja vaikuttavat metallien diffuusioprosesseihin.
Crystal Growth
Ymmärryksen helpottamiseksi kiteisen aineen kasvu voidaan esittää tiilirakenteen pystyttämisenä. Jos yksi keskeneräisen muurauksen tiili esitetään kiteen kiinteänä osana, on mahdollista määrittää, missä kide kasvaa. Kiteen energiaominaisuudet ovat sellaiset, että ensimmäiselle tiilelle asetettu tiili kokee vetovoimaa yhdeltä puolelta - alha alta. Asetettaessa toiselle - kahdelta puolelta ja kolmannelta - kolmelta. Kiteytysprosessissa - siirtyessä nesteestä kiinteään tilaan - vapautuu energiaa (fuusiolämpöä). Järjestelmän suurimman vahvuuden saavuttamiseksi sen mahdollisen energian tulisi pyrkiä minimiin. Siksi kiteiden kasvu tapahtuu kerros kerrokselta. Ensin valmistuu koneen rivi, sitten koko kone ja vasta sitten aletaan rakentaa seuraavaa.
Science ofkristallit
Kristallografian peruslaki - kidetiede - sanoo, että kaikki kulmat kidepintojen eri tasojen välillä ovat aina vakioita ja samoja. Riippumatta siitä, kuinka vääristynyt kasvava kide on, sen pintojen väliset kulmat säilyttävät tämän tyypin luontaisen arvon. Riippumatta koosta, muodosta ja lukumäärästä, saman kidetason pinnat leikkaavat aina samassa enn alta määrätyssä kulmassa. Kulmien pysyvyyden lain löysi M. V. Lomonosov vuonna 1669 ja näytteli merkittävää roolia kiteiden rakenteen tutkimuksessa.
Anisotropia
Kiteiden muodostumisprosessin erikoisuus johtuu anisotropia-ilmiöstä - erilaiset fysikaaliset ominaisuudet riippuen kasvusuunnasta. Yksittäiset kiteet johtavat sähköä, lämpöä ja valoa eri tavalla eri suuntiin ja niillä on eri vahvuus.
Siksi sama kemiallinen alkuaine samoilla atomeilla voi muodostaa erilaisia kidehiloja. Esimerkiksi hiili voi kiteytyä timantiksi ja grafiitiksi. Samalla timantti on esimerkki mineraalien joukosta maksimaalisesta lujuudesta, ja grafiitti lähtee helposti suomuistaan lyijykynällä paperille kirjoitettaessa.
Mineraalien pintojen välisten kulmien mittaamisella on suuri käytännön merkitys niiden luonteen määrittämisessä.
Perusominaisuudet
Kun olemme oppineet kiteiden rakenteelliset ominaisuudet, voimme lyhyesti kuvailla niiden pääominaisuuksia:
- Anisotropia - epätasaiset ominaisuudet eri suuntiin.
- Yhdenmukaisuus - alkeellistakiteiden ainesosilla tasaisin välein on samat ominaisuudet.
- Itseleikkauskyky - mikä tahansa kiteen fragmentti kasvulleen sopivassa alustassa saa monitahoisen muodon ja peittyy tämän tyyppisiä kiteitä vastaavilla pinnoilla. Juuri tämä ominaisuus sallii kiteen säilyttää symmetriansa.
- Sulamispisteen muuttumattomuus. Mineraalin avaruudellisen hilan tuhoutuminen, eli kiteisen aineen siirtyminen kiinteästä tilasta nestemäiseen, tapahtuu aina samassa lämpötilassa.
Kiteet ovat kiinteitä aineita, jotka ovat saaneet symmetrisen monitahoisen luonnollisen muodon. Kiteiden rakenne, jolle on tunnusomaista avaruudellisen hilan muodostuminen, toimi perustana kiinteän aineen elektronisen rakenteen teorian kehittämiselle fysiikassa. Mineraalien ominaisuuksien ja rakenteen tutkimuksella on suuri käytännön merkitys.
