Понятие о кристалле и кристаллическом веществе
Понятие о кристалле и кристаллическом веществе
Находящиеся в природе вещества встречаются в каком-то одном агрегатном состоянии-либо в газообразном, либо в жидком, либо в твердом.
Твердое, или иное состояние данного вещества устойчиво при определенных термодинамических условиях.
Каждое состояние отличается от другого состояния характером взаимного расположения и движением материальных частиц друг относительно друга
В газах материальные частицы (атомы) находятся на больших расстояниях друг от друга. Они слабо связаны между собой, движутся с большой скоростью, движение хаотично. При взаимном столкновении частицы отталкиваются друг от друга по закону упругих шаров.
В жидкостях расстояние между частицами значительно сокращены, движение их замедлено, между ними появляются силы притяжения, вследствие чего намечается некоторая временная упорядоченность (ближний порядок) в их расположении.
В твердых телах входящие в состав частицы не движутся поступательно. Частицы закреплены в отдельных точках пространства и совершают колебательные движения вокруг точек. Различают 2 вида твердого вещества: 1) аморфное и 2) кристаллическое. Определяющим здесь является степень упорядоченности частиц, их взаимная ориентировка.
Твердые тела, в которых частицы располагаются беспорядочно, называются аморфными. Аморфные тела подобны переохлажденным жидкостям. Примерами их служат стекла, пластмассы, клей и др. Аморфное состояние не является устойчивым и обнаруживает с течением времени тенденцию к кристаллизации. Так, например, стекло "закристаллизовывается", образуя агрегаты мелких кристаллов.
Кристаллическим веществом являются все твердые тела, в которых слагающие их частицы (атомы, ионы, молекулы) расположены закономерно, образуя упорядоченную трехмерно-периодическую структуру в виде пространственной решетки. Пространственная решетка представляет собой бесконечную закономерную систему узлов (точек), характеризующих общую для всех кристаллов геометрическую особенность их строения. Иными словами, пространственная решетка – это абстрактный геометрический образ, характеризующий наиболее общие закономерности расположения и периодичности повторения систем точек в пространстве.
В реальных кристаллических структурах на местах узлов пространственной решетки находятся конкретные частицы (атомы, ионы или молекулы). Каждая частица подобной структуры, имея закономерное ближайшее окружение, характеризуется определенным ближним порядком. Кроме того, любая частица, будучи фиксирована в конкретном месте структуры, имеет и определенных дальних соседей, т.е. характеризуется дальним порядком. При нагревании кристаллических тел и увеличении амплитуды тепловых колебаний частиц в структуре наступает такой момент, когда вещество плавится и переходит в жидкое состояние. Исчезает дальний порядок, хотя ближний порядок для частиц сохраняется.
Существуют вещества, промежуточные по своей структуре между кристаллическими, аморфными и жидкими. Это полиморфные вещества и жидкие кристаллы. Структуры жидких кристаллов образованы устойчивыми атомными группировками-молекулами, имеющими удлиненную форму и ориентирующимися соответствующим образом при упорядочивании.
Жидкие кристаллы текучие как обычные жидкости, но они анизотропны. Они имеют определенный температурный интервал существования, выше которого плавятся в изотропную жидкость и ниже которого кристаллизуются.
Вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропию, упорядоченность), стали называть жидкими кристаллами или жидкокристаллическими.
В виде жидких кристаллов встречаются некоторые органические соединения, которые состоят из молекул достаточно больших размеров и имеющих определенную форму (палочковидную, дисковидную). Эти крупные молекулы имеют тенденцию к упорядоченному расположению в пространстве. В соответствие со способами взаимного расположения молекул выделяют типы жидких кристаллов:
1. нематические
2. смектические
3. холестерические
Нематические жидкие кристаллы («нема» — по-гречески нить) — оптически одноосные жидкие кристаллы, имеют дальний ориентационный порядок, свободны в перемещении. Характеризуются наличием микроструктур в виде нитей, концы которых либо свободны, либо связаны со стенкой ёмкости, в которой находится изучаемое вещество. Ориентация осей молекул в этих кристаллах параллельна, однако они не образуют отдельные слои. Длинные оси молекул лежат вдоль линий, параллельных определённому направлению, а их центры размещены хаотично. Нематические жидкие кристаллы называются также нематиками.
Смектики — наиболее упорядоченные 2-мерные кристаллы. Имеют слоистую структуру. Бывают нескольких типов:
· А — с двойными слоями;
· C — длинные оси молекул, относительно слоя, находятся под неким углом;
· В — структурными слоями.
Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше чем у нематиков и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться.
Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК, холестерики) — это жидкие кристаллы, обладающие свойством спиральности, то есть в них отсутствует центральная симметрия. Холестерическая фаза существует только у веществ, молекулы которых не обладают зеркальной симметрией. Поэтому холестерик при нагревании или охлаждении не может стать ни нематиком, ни смектиком.
Кристаллы-все твердые тела, образующиеся в природе в виде многогранников.
Слово «кристаллос» у древних греков обозначало «лед» или более правильно «застывший на холоде», так же они называли и водяно-прозрачный кварц, считавшийся, по их мнению, окаменевшим льдом.
Впоследствии этот термин был распространен на все тела, имеющих правильную кристаллическую форму, хотя было бы правильным относить его к конкретным индивидуумам, конечным телам, разделенным граничными поверхностями. В некоторых случаях кристаллы имеют правильную геометрическую форму многогранников, морфологическими элементами которых являются грани, ребра и вершины. Грани – это плоскости, ограничивающие подобные многогранники. Они могут иметь различные размеры и очертания, или, как говорят, различаться по сортам. Бывают многогранники, образованные гранями одного сорта, чаще – гранями нескольких сортов. Плоскости пересекаются по прямым линиям, называемым ребрами. Точки, в которых сходятся ребра, являются вершинами многогранников. В общем случае в многогранниках присутствуют ребра и вершины разного сорта. Число элементов ограничения кристалла связаны между собой следующей зависимостью, найденной Эйлером: p + e = r + 2, где p – число граней; e – число вершин; r – число ребер.
Кристаллы имеют самые разнообразные размеры от едва видимых под микроскопом до кристаллов-гигантов (В ЛГУ кристалл кварца высотой 2,7м, ширина у основания 1,5м, вес 10 тонн, кристалл берилла длина 5,5м, ширина 1,2м, вес 18 тонн, кристалл слюды площадью 6,7м2, кристалл полевого шпата размерами 10х10х10, вес 100 тонн).
Кристалличными являются металлы, сплавы, горные породы.
Кристаллы могут и не иметь правильной геометрической формы, а встречаться в виде зерен, имеющих неправильные контуры, но они, так же как и обломки любого кристалла, обладают рядом свойств, позволяющих отличить их от аморфных твердых тел. В большинстве случаев исследователь имеет дело со скоплениями многих кристаллов, каковыми являются природные минералы, горные породы, металлы и сплавы, разнообразные синтетические твердые вещества, применительно к которым используют термин - кристаллический агрегат.
Что такое кристалл?
Ответ был получен при исследовании вещества рентгеновскими лучами. Все кристаллы построены из материальных частиц геометрически правильно расположенных в пространстве в виде узлов пространственных решеток. В реальных структурах места узлов пространственных решеток могут заниматься отдельными атомами, ионами или группами атомов и ионов.
Строго говоря с узлами пространственной решетки совмещаются центры тяжести этих частиц или центральные точки их колебательных движений внутри кристалла. Т.о. кристаллами следует называть все твердые тела, в которых частицы расположены закономерно по определенной «решетчатой» системе. Из этого следует, что понятие «кристалл» и «кристаллическое вещество» близки друг к другу и являются синонимами. Кристалл представляет собой физическое тело, имеющее какие-то конечные размеры и поверхности раздела с другими кристаллами, тогда как кристаллическое вещество рассматривается как бесконечное во всех измерениях, и в этом случае речь идет не о кристалле, а, как подчеркивал крупный кристаллохимик Бокий, о кристаллическом пространстве.
Основные свойства кристаллов:
- Одним из основных свойств является анизотропия, т.е. неравносвойственность. Под этим термином понимается изменение свойств в зависимости от направления. Вырезанные из кристаллов различно ориентированные образцы характеризуются разными значениями тех или иных свойств. Все кристаллы в отношении хотя бы некоторых свойств обязательно анизотропны. Ярким примером анизотропии твердости является минерал дистен. Кристаллическая структура связана с анизотропностью свойств.
- Однородность проявляется и в одинаковости физических, физико-химических и других свойствах кристалла в любых его участках по параллельным направлениям. В каком бы месте монокристалла мы не вырезали одинаково ориентированный образец некоторой формы и размеров, все его свойства будут идентичными. Понятие однородности дает возможность рассматривать кристаллическое вещество как непрерывную тождественную среду.
- Симметрия. Она дает возможность произвести преобразование объекта, совмещающего его с собой поворотами и (или) отражениями. Симметрия проявляется во внешней форме многих кристаллов, которые оказываются образованными повторяющимися равными гранями, ребрами и вершинами, что, в конечном счете, является следствием симметричного трехмерного периодического атомного строения кристаллической среды.
- Способность кристалла образовывать плоскостные многогранники или самоограняться. т.е. принимать естественную форму в результате свободного роста в подходящей среде, или же при процессах обратных росту – при растворении или испарении кристаллов. Аморфные тела могут быть однородными и даже анизотропными, но ни при каких условиях они не могут принимать многогранную форму. Выточенный из кристалла шарик в подходящей среде со временем покрывается гранями. В противоположность этому стеклянный шарик такой способностью не обладает.
- Кристаллическое вещество обладает минимальной внутренней энергией. Материя, находящаяся а кристаллическом состоянии обладает меньшей энергией, чем в аморфном, жидком или газообразном состоянии. Атомы, ионы, молекулы, образующие кристалл прочно соединяются друг с другом. При этом выделяется теплота, т.е процесс кристаллизации экзотермичен. Процесс разрушения кристаллов-эндотермический процесс
Предмет кристаллографии.
Разделение кристаллографии и связь с другими науками.
Кристаллография-наука о кристаллическом состоянии вещества. Она изучает кристаллические индивидуумы, т.е. отдельные кристаллы, процессы образования и разрушения кристаллов, их состав, строение, химические, физические и физико-химические свойства, а так же закономерности срастания кристаллов.
В силу того, что кристаллическое вещество имеет упорядоченную атомную структуру, методы кристаллографии резко отличается от методов других наук. Особенностью этих методов является последовательное применение принципа симметрии во всех случаях. Симметрия проявляется во внешней форме кристаллов, в их структуре, в физических явлениях, протекающих в кристаллах, во взаимодействии кристалла с окружающей средой.
Кристаллография делится на 4 раздела:
- геометрическая кристаллография;
- кристаллогенезис, т.е. учение о зарождении и росте кристаллов;
- химическая кристаллография или кристаллохимия
- физическая кристаллография (кристаллофизика)
Последние 2 раздела могут изучаться не зависимо друг от друга, но все они базируются на геометрической кристаллографии
Главнейшими наукам, на которые опирается кристаллография и с которыми она тесно связана, являются математика, физика, физическая химия и химия.
Относительное расположение атомов в кристаллическом веществе зависит от качества самих атомов, от химической природы. В связи с этим атомы образуют различные пространственные постройки. Отсюда возникает тесная связь кристаллографии с химией. Вместе с тем условия кристаллизации и возникновения кристаллов, вопросы перекристаллизации, существования различных веществ определяются физико-химическими процессами окружающей среды, обуславливая взаимосвязь с наукой, изучающей эти процессы, с физической химией.
Атомы и молекулы в кристаллах, располагаясь в строго определенном порядке, образуют геометрически правильные комплексы. Совокупность их определяет форму кристаллов в виде многогранников. Изучением же различных многогранников и пространственных решеток, из которых построены кристаллы, занимаются геометрия и некоторые другие разделы математики.
Кристаллография рассматривает главным образом электрические, оптические, механические свойства кристаллов и их симметричные закономерности и непосредственно примыкает к физике твердого тела. В последние годы интенсивно развивается промышленность по производству и использованию монокристаллов с определенными свойствами.
Очевидна связь кристаллографии и с геологическими дисциплинами, прежде всего с минералогией, петрографией, геохимией и учением о рудных месторождениях. Подавляющее большинство минералов кристалличны и многие из них встречаются в виде хорошо образованных кристаллов. Долгое время природные минералы были единственными объектами кристаллографических исследований, поэтому кристаллография, будучи вполне самостоятельной дисциплиной, рассматривалась как часть минералогии. Внешняя форма кристаллов и их сростков остается и до сих пор важнейшими диагностическими признаками минералов. Кроме того, кристаллохимические исследования атомных структур минералов являются основой их современной систематики.
Учение о кристаллическом состоянии материи является основополагающим для науки о горных породах, являющихся сочетанием различных минералов – петрографии и науки, изучающей распределение и миграцию химических элементов в земной коре – геохимии. Первая широко пользуется кристаллооптическими методами исследования, вторая исходит из основных законов кристаллохимии.