Кристаллы. Общие свойства кристаллов Виды кристаллов и их основные свойства

Свойства кристаллов, форма и сингония (кристаллографические системы)

Важным свойством кристалла является определенное соответствие между разными гранями - симметрия кристалла. Выделяются следующие элементы симметрии:

1. Плоскости симметрии: разделяют кристалл на две симметричные половины, такие плоскости также называют "зеркалами" симметрии.

2. Оси симметрии: прямые линии, проходящие через центр кристалла. Вращение кристалла вокруг этой оси повторяет форму исходного положения кристалла. Различают оси симметрии 3-го, 4-го и 6-го порядка, что соответствует числу таких позиций при вращении кристалла на 360 o .

3. Центр симметрии: грани кристалла, соответствующие параллельной грани, меняются местами при вращении на 180 o вокруг этого центра. Комбинация этих элементов симметрии и порядков дает 32 класса симметрии для всех кристаллов. Эти классы, в соответствии с их общими свойствами, можно объединить в семь сингонии (кристаллографических систем). По трехмерным осям координат можно определить и оценить позиции граней кристаллов.

Каждый минерал принадлежит к одному классу симметрии, поскольку имеет один тип кристаллической решетки, который его и характеризует. Напротив, минералы, имеющие одинаковый химический состав, могут образовывать кристаллы двух и более классов симметрии. Такое явление называется полиморфизмом. Есть не единичные примеры полиморфизма: алмаз и графит, кальцит и арагонит, пирит и марказит, кварц, тридимит и кристобалит; рутил, анатаз (он же октаэдрит) и брукит.

СИНГОНИИ (КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ) . Все формы кристаллов образуют 7 сингонии (кубическую, тетрагональную, гексагональную, тригональную, ромбическую, моноклинную, триклинную). Диагностическими признаками сингонии являются кристаллографические оси и углы, образуемые этими осями.

В триклинной сингонии присутствует минимальное число элементов симметрии. За ней в порядке усложнения следуют моноклинная, ромбическая, тетрагональная, тригональная, гексагональная и кубическая сингонии.

Кубическая сингония . Все три оси имеют равную длину и расположены перпендикулярно друг другу. Типичные формы кристаллов: куб, октаэдр, ромбододекаэдр, пентагондодекаэдр, тетрагон-триоктаэдр, гексаоктаэдр.

Тетрагональная сингония . Три оси расположены перпендикулярно друг другу, две оси имеют одинаковую длину, третья (главная ось) либо короче, либо длиннее. Типичные формы кристаллов - призмы, пирамиды, тетрагоны, трапецоэдры и бипирамиды.

Гексагональная сингония . Третья и четвертая оси расположены наклонно к плоскости, имеют равную длину и пересекаются под углом 120 o . Четвертая ось, отличающаяся от остальных по размеру, расположена перпендикулярно к другим. И оси и углы по расположению аналогичны предыдущей сингонии, но элементы симметрии весьма разнообразны. Типичные формы кристаллов - трехгранные призмы, пирамиды, ромбоэдры и скаленоэдры.

Ромбическая сингония . Характерны три оси, перпендикулярные друг другу. Типичные кристаллические формы - базальные пинакоиды, ромбические призмы, ромбические пирамиды и бипирамиды.

Моноклинная сингония . Три оси разной длины, вторая перпендикулярна другим, третья находится под острым углом к первой. Типичные формы кристаллов - пинакоиды, призмы с кососрезанными гранями.

Триклинная сингония . Все три оси имеют разную длину и пересекаются под острыми углами. Типичные формы - моноэдры и пинакоиды.

Форма и рост кристаллов . Кристаллы, принадлежащие к одному минеральному виду, имеют схожий внешний вид. Кристалл поэтому можно охарактеризовать как сочетание внешних параметров (граней, углов, осей). Но относительный размер этих параметров довольно разный. Следовательно, кристалл может менять свой облик (чтобы не сказать внешность) в зависимости от степени развития тех или иных форм. Например, пирамидальный облик, где все грани сходятся, столбчатый (в совершенной призме), таблитчатый, листоватый или глобулярный.

Два кристалла, имеющих то же сочетание внешних параметров, могут иметь разный вид. Сочетание это зависит от химического состава среды кристаллизации и других условий формирования, к которым относятся температура, давление, скорость кристаллизации вещества и т. д. В природе изредка встречаются правильные кристаллы, которые формировались в благоприятных условиях - это, например, гипс в глинистой среде или минералы на стенках жеоды. Грани таких кристаллов хорошо развиты. Наоборот, кристаллы, образовавшиеся в изменчивых или неблагоприятных условиях, часто бывают деформированы.

АГРЕГАТЫ . Часто встречаются кристаллы, которым не хватало пространства для роста. Эти кристаллы срастались с другими, образуя неправильные массы и агрегаты. В свободном пространстве среди горных пород кристаллы развивались совместно, образуя друзы, а в пустотах - жеоды. По своему строению такие агрегаты весьма разнообразны. В мелких трещинах известняков встречаются образования, напоминающие окаменевший папоротник. Их называют дендритами, сформировавшимися в результате образования оксидов и гидрооксидов марганца и железа под воздействием растворов, циркулировавших в этих трещинах. Следовательно, дендриты никогда не образуются одновременно с органическими остатками.

Двойники . При формировании кристаллов часто образуются двойники, когда два кристалла одного минерального вида срастаются друг с другом по определенным правилам. Двойники часто представляют собой индивидов, сросшихся под углом. Нередко проявляется псевдосимметрия - несколько кристаллов, относящихся к низшему классу симметрии, срастаются, образуя индивиды с псевдосимметрией более высокого порядка. Так, арагонит, относящийся к ромбической сингонии, часто образует двойниковые призмы с гексагональной псевдосимметрией. На поверхности таких срастаний наблюдается тонкая штриховка, образованная линиями двойникования.

ПОВЕРХНОСТЬ КРИСТАЛЛОВ . Как уже сказано, плоские поверхности редко бывают гладкими. Довольно часто на них наблюдается штриховка, полосчатость или бороздчатость. Эти характерные признаки помогают при определении многих минералов - пирита, кварца, гипса, турмалина.

ПСЕВДОМОРФОЗЫ . Псевдоморфозы - это кристаллы, имеющие форму другого кристалла. Например, встречается лимонит в форме кристаллов пирита. Псевдоморфозы образуются при полном химическом замещении одного минерала другим с сохранением формы предыдущего.

Формы агрегатов кристаллов могут быть очень разнообразны. На фото - лучистый агрегат натролита.
Образец гипса со сдвойникованными кристаллами в виде креста.

Физические и химические свойства. Не только внешняя форма и симметрия кристалла определяются законами кристаллографии и расположением атомов - это относится и к физическим свойствам минерала, которые могут быть разными в различных направлениях. Например, слюда может разделяться на параллельные пластинки только в одном направлении, поэтому ее кристаллы анизотропны. Аморфные вещества одинаковы по всем направлениям, и поэтому изотропны. Такие качества также важны для диагностики этих минералов.

Плотность. Плотность (удельный вес) минералов представляет собой отношение их веса к весу такого же объема воды. Определение удельного веса является важным средством диагностики. Преобладают минералы с плотностью 2-4. Упрощенная оценка веса поможет при практической диагностике: легкие минералы имеют вес от 1 до 2, минералы средней плотности - от 2 до 4, тяжелые минералы от 4 до 6, очень тяжелые - более 6.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА . К ним относятся твердость, спайность, поверхность скола, вязкость. Эти свойства зависят от кристаллической структуры и используются с целью выбора методики диагностирования.

ТВЕРДОСТЬ . Довольно легко поцарапать кристалл кальцита кончиком ножа, но сделать это с кристаллом кварца вряд ли получится - лезвие скользнет по камню, не оставив царапины. Значит, твердость у этих двух минералов различная.

Твердостью по отношению к царапанью называют сопротивление кристалла попытке внешней деформации поверхности, другими словами, сопротивление механической деформации извне. Фридрих Моос (1773-1839) предложил относительную шкалу твердости из степеней, где каждый минерал имеет твердость к процарапыванию выше, чем предыдущий: 1. Тальк. 2. Гипс. 3. Кальцит. 4. Флюорит. 5. Апатит. 6. Полевой шпат. 7. Кварц. 8. Топаз. 9. Корунд. 10. Алмаз. Все эти значения применимы только к свежим, не подвергшимся выветриванию образцам.

Можно оценить твердость упрощенным способом. Минералы с твердостью 1 легко царапаются ногтем; при этом они жирные на ощупь. Поверхность минералов с твердостью 2 также царапается ногтем. Медная проволока или кусочек меди царапает минералы с твердостью 3. Кончик перочинного ножа царапает минералы до твердости 5; хороший новый напильник - кварц. Минералы с твердостью более 6 царапают стекло (твердость 5). От 6 до 8 не берет даже хороший напильник; при таких попытках летят искры. Чтобы определить твердость, испытывают образцы с возрастающей твердостью, пока они поддаются; затем берут образец, который, очевидно, еще тверже. Противоположным образом надо действовать, если необходимо определить твердость минерала, окруженного породой, твердость которой ниже, чем у минерала, нужного для образца.

Тальк и алмаз, два минерала, занимающие крайние позиции в шкале твердости Мооса.

Легко сделать вывод на основании того, скользит ли минерал по поверхности другого или царапает ее с легким скрипом. Могут наблюдаться следующие случаи:
1. Твердость одинакова, если образец и минерал взаимно не царапают друг друга.
2. Возможно, что оба минерала друг друга царапают, поскольку верхушки и выступы кристалла могут быть тверже, чем грани или плоскости спайности. Поэтому можно поцарапать грань кристалла гипса или плоскость его спайности вершиной другого кристалла гипса.
3. Минерал царапает первый образец, а на нем делает царапину образец более высокого класса твердости. Его твердость находится посредине между используемыми для сравнения образцами, и ее можно оценить в полкласса.

Несмотря на очевидную простоту такого определения твердости, многие факторы могут привести к ложному результату. Например, возьмем минерал, свойства которого сильно разнятся по разным направлениям, как у дистена (кианита): по вертикали твердость 4-4,5, и кончик ножа оставляет четкий след, но в перпендикулярном направлении твердость 6-7 и ножом минерал вообще не царапается. Происхождение названия этого минерала связано с этой особенностью и подчеркивает ее весьма выразительно. Поэтому необходимо проводить испытание твердости по разным направлениям.

Некоторые агрегаты имеют более высокую твердость, чем те компоненты (кристаллы или зерна), из которых они состоят; может оказаться, что плотный обломок гипса трудно поцарапать ногтем. Наоборот, некоторые пористые агрегаты менее твердые, что объясняется наличием пустот между гранулами. Поэтому мел царапается ногтем, хотя состоит из кристаллов кальцита с твердостью 3. Другой источник ошибок - минералы, испытавшие какие-то изменения. Оценить твердость порошкообразных, выветрелых образцов или агрегатов чешуйчатого и игольчатого строения простыми средствами невозможно. В таких случаях лучше использовать другие методы.

Спайность . Ударом молотка или нажатием ножа кристаллы по плоскостям спайности кристалл иногда можно разделить на пластинки. Спайность проявляется по плоскостям с минимальным сцеплением. Многие минералы обладают спайностью по нескольким направлениям: галит и галенит - параллельно граням куба; флюорит - по граням октаэдра, кальцит - ромбоэдра. Кристалл слюды-мусковита; хорошо видны плоскости спайности (на фото справа).

Такие минералы, как слюда и гипс, имеют совершенную спайность в одном направлении, а в других направлениях спайность несовершенная или вообще отсутствует. При тщательном наблюдении можно заметить внутри прозрачных кристаллов тончайшие плоскости спайности по хорошо выраженным кристаллографическим направлениям.

Поверхность излома . Многие минералы, например кварц и опал, не имеют спайности ни в одном направлении. Их основная масса раскалывается на неправильные куски. Поверхность скола можно описать как плоскую, неровную, раковистую, полураковистую, шероховатую. Металлы и крепкие минералы имеют шероховатую поверхность скола. Это свойство может служить диагностическим признаком.

Другие механические свойства . Некоторые минералы (пирит, кварц, опал) раскалываются на куски под ударом молотка - они являются хрупкими. Другие, наоборот, превращаются в порошок, не давая обломков.

Ковкие минералы можно расплющить, как, например, чистые самородные металлы. Они не образуют ни порошка, ни обломков. Тонкие пластинки слюды можно согнуть, как фанеру. После прекращения воздействия они вернутся в исходное состояние - это свойство эластичности. Другие, как гипс и пирит, можно согнуть, но они сохранят деформированное состояние - это свойство гибкости. Такие признаки позволяют распознавать сходные минералы - например, отличить эластичную слюду от гибкого хлорита.

Окраска . Некоторые минералы имеют настолько чистый и красивый цвет, что их используют как краски или лаки. Часто их названия применяют в обиходной речи: изумрудно-зеленый, рубиново-красный, бирюзовый, аметистовый и др. Окраска минералов, один из основных диагностических признаков, не является ни постоянной, ни вечной.

Есть ряд минералов, у которых окраска постоянная - малахит всегда зеленый, графит - черный, самородная сера - желтая. Такие распространенные минералы, как кварц (горный хрусталь), кальцит, галит (поваренная соль), бесцветны, когда в них нет примесей. Однако наличие последних вызывает окраску, и мы знаем голубую соль, желтый, розовый, фиолетовый и коричневый кварц. Флюорит обладает целой гаммой окрасок.

Присутствие элементов-примесей в химической формуле минерала приводит к весьма специфической окраске. На этой фотографии изображен зеленый кварц (празем), в чистом виде совершенно бесцветный и прозрачный.

Турмалин, апатит и берилл имеют различные цвета. Окраска не является несомненным диагностическим признаком минералов, обладающих различными оттенками. Цвет минерала зависит также от наличия элементов-примесей, входящих в кристаллическую решетку, а также различных пигментов, загрязнений, включений в кристалле-хозяине. Иногда он может быть связан с радиоактивным облучением. У некоторых минералов цвет меняется в зависимости от освещения. Так, александрит при дневном свете зеленый, а при искусственном освещении - фиолетовый.

У некоторых минералов изменяется интенсивность окраски при повороте граней кристалла относительно света. Цвет кристалла кордиерита при вращении меняется от голубого до желтого. Причина такого явления состоит в том, что подобные кристаллы, называемые плеохроичными, по-разному поглощают свет в зависимости от направления луча.

Цвет некоторых минералов может изменяться также при наличии пленки, имеющей другую окраску. Эти минералы в результате окисления покрываются налетом, который, возможно, как-то смягчает действие солнечного или искусственного света. Некоторые драгоценные камни теряют свою окраску, если в течение какого-то периода подвергаются солнечному освещению: изумруд теряет свой глубокий зеленый цвет, аметист и розовый кварц бледнеют.

Многие минералы, содержащие серебро (например, пираргирит и прустит), также чувствительны к солнечным лучам (инсоляции). Апатит под воздействием инсоляции покрывается черной вуалью. Коллекционерам следует предохранять такие минералы от воздействия света. Красный цвет реальгара на солнце переходит в золотисто-желтый. Подобные изменения окраски совершаются в природе очень медленно, но можно искусственно очень быстро изменить цвет минерала, ускорив процессы, происходящие в природе. Например, можно при нагревании получить желтый цитрин из фиолетового аметиста; алмазы, рубины и сапфиры искусственно "улучшают" с помощью радиоактивного облучения и ультрафиолетовых лучей. Горный хрусталь благодаря сильному облучению превращается в дымчатый кварц. Агат, если его серый цвет выглядит не слишком привлекательно, можно перекрасить, опустив в кипящий раствор обыкновенного анилинового красителя для тканей.

ЦВЕТ ПОРОШКА (ЧЕРТА) . Цвет черты определяется при трении о шероховатую поверхность неглазированного фарфора. При этом нужно не забывать, что фарфор имеет твердость 6-6,5 по шкале Мооса, и минералы с большей твердостью оставят только белый порошок растертого фарфора. Всегда можно получить порошок в ступке. Окрашенные минералы всегда дают более светлую черту, неокрашенные и белые - белую. Обычно белая или серая черта наблюдается у минералов, окрашенных искусственно, или с загрязнениями и пигментом. Часто она как бы затуманена, так как в разбавленной окраске ее интенсивность обуславливается концентрацией красящего вещества. Цвет черты минералов с металлическим блеском отличается от их собственного цвета. Желтый пирит дает зеленовато-черную черту; черный гематит - вишнево-красную, черный вольфрамит - коричневую, а касситерит - почти неокрашенную черту. Цветная черта позволяет быстрее и легче определить по ней минерал, чем черта разбавленного цвета или бесцветная.

БЛЕСК . Как и цвет, это эффективный метод определения минерала. Блеск зависит оттого, как свет отражается и преломляется на поверхности кристалла. Различают минералы с металлическим и неметаллическим блеском. Если их различить не удается, можно говорить о полуметаллическом блеске. Непрозрачные минералы металлов (пирит, галенит) обладают большой отражательной способностью и имеют металлический блеск. Для другой важной группы минералов (цинковая обманка, касситерит, рутил и др.) определить блеск затруднительно. Для минералов с неметаллическим блеском различают следующие категории в соответствии с интенсивностью и свойствами блеска:

1. Алмазный блеск, как у алмаза.
2. Стеклянный блеск.
3. Жирный блеск.
4. Тусклый блеск (у минералов с плохой отражательной способностью).

Блеск может быть связан со строением агрегата и направлением господствующей спайности. Минералы, имеющие тонкослоистое сложение, имеют перламутровый блеск.

ПРОЗРАЧНОСТЬ . Прозрачность минерала - качество, которое отличается большой изменчивостью: непрозрачный минерал можно легко отнести к прозрачным. Основная часть бесцветных кристаллов (горный хрусталь, галит, топаз) относятся к этой группе. Прозрачность зависит от строения минерала - некоторые агрегаты и мелкие зерна гипса и слюды кажутся непрозрачными или просвечивающими, в то время как кристаллы этих минералов прозрачны. Но если рассматривать с лупой маленькие гранулы и агрегаты, можно видеть, что они прозрачны.

ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ . Показатель преломления представляет собой важную оптическую константу минерала. Она измеряется с помощью специальной аппаратуры. Когда луч света проникает внутрь анизотропного кристалла, происходит преломление луча. Такое двойное лучепреломление создает впечатление, что существует виртуальный второй объект параллельно изучаемому кристаллу. Подобное явление можно наблюдать через прозрачный кристалл кальцита.

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ . Некоторые минералы, такие как шеелит и виллемит, облучаемые ультрафиолетовыми лучами, светятся специфическим светом, что в ряде случаев может некоторое время продолжаться. Флюорит при нагревании в темном месте светится - это явление называется термолюминесценция. При трении некоторых минералов возникает другой тип свечения - триболюминесценция. Эти разные типы люминесценции являются характеристикой, позволяющей легко диагностировать ряд минералов.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ . Если взять в руку кусок янтаря и кусок меди, покажется, что один из них теплее другого. Это впечатление обусловлено различной теплопроводностью данных минералов. Так можно различить стеклянные имитации драгоценных камней; для этого нужно приложить камушек к щеке, где кожа более чувствительна к теплу.

Следующие свойства можно определить по тому, какие ощущения они вызывают у человека. На ощупь графит и тальк кажутся гладкими, а гипс и каолин - сухими и шероховатыми. Растворимые в воде минералы, такие как галит, сильвинит, эпсомит, имеют специфический вкус - соленый, горький, кислый. Некоторые минералы (сера, арсенопирит и флюорит) обладают легко распознаваемым запахом, который возникает сразу при ударе по образцу.

МАГНЕТИЗМ . Фрагменты или порошок некоторых минералов, в основном имеющих повышенное содержание железа, можно отличить от других сходных минералов с помощью магнита. Магнетит и пирротин сильно магнитны и притягивают железные опилки. Некоторые минералы, например гематит, приобретают магнитные свойства, если их раскалить докрасна.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА . Определение минералов на основе их химических свойств требует, помимо специального оборудования, обширных знаний в области аналитической химии.

Есть один простой метод для определения карбонатов, доступный непрофессионалам - действие слабого раствора соляной кислоты (вместо нее можно брать обыкновенный столовый уксус - разбавленную уксусную кислоту, которая есть на кухне). Таким способом можно легко отличить бесцветный образец кальцита от белого гипса - нужно капнуть на образец кислоты. Гипс на это не реагирует, а кальцит "вскипает" при выделении углекислого газа.

Основные свойства кристаллов – анизотропность, однородность, способность к самоогоранению и наличие постоянной температуры плавления определяются их внутренним строением.

Рис. 1. Пример анизотропности — кристалл минерала дистена. В продольном направлении его твердость равна 4,5, в поперечном – 6. © Parent Géry

Это свойство называется еще неравносвойственностью. Выражается она в том, что физические свойства кристаллов (твердость, прочность, теплопроводность, электропроводность, скорость распространения света) неодинаковы по разным направлениям. Частицы, образующие кристаллическую структуру по непараллельным направлениям, отстоят друг от друга на разных расстояниях, вследствие чего и свойства кристаллического вещества по таким направлениям должны быть различными. Характерным примером вещества с ярко выраженной анизотропностью является слюда. Кристаллические пластинки этого минерала легко расщепляются лишь по плоскостям, параллельным его пластинчастости. В поперечных же направлениях расщепить пластинки слюды значительно труднее.

Анизотропность проявляется и в том, что при воздействии на кристалл какого-либо растворителя скорость химических реакций различна по различным направлениям. В результате каждый кристалл при растворении приобретает свои характерные формы, носящие название фигур вытравливания.

Аморфные вещества характеризуются изотропностью (равносвойственностью) – физические свойства по всем направлениям проявляются одинаково.

Однородность

Выражается в том, что любые элементарные объемы кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, массу, твердость и т.д. таким образом, всякий кристалл есть однородное, но в то же время и анизотропное тело.

Однородность присуща не только кристаллическим телам. Твердые аморфные образования также могут быть однородными. Но аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму.

Способность к самоогранению

Способность к самоогранению выражается в том, что любой обломок или выточенный из кристалла шарик в соответствующей для его роста среде с течением времени покрывается характерными для данного кристалла гранями. Эта особенность связана с кристаллической структурой. Стеклянный же шарик, например, такой особенностью не обладает.

Кристаллы одного и того же вещества могут отличаться друг от друга своей величиной, числом граней, ребер и формой граней. Это зависит от условий образования кристалла. При неравномерном росте кристаллы получаются сплющенными, вытянутыми и т.д. Неизменными остаются углы между соответственными гранями растущего кристалла. Эта особенность кристаллов известна как закон постоянства гранных углов . При этом величина и форма граней у различных кристаллов одного и того же вещества, расстояние между ними и даже их число могут меняться, но углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и того же вещества остаются постоянными при одинаковых условиях давления и температуры.

Закон постоянства гранных углов было установлен в конце XVII века датским ученым Стено (1699) на кристаллах железного блеска и горного хрусталя, впоследствии этот закон был подтвержден М.В. Ломоносовым (1749) и французским ученым Роме де Лиллем (1783). Закон постоянства гранных углов получил название первого закона кристаллографии.

Закон постоянства гранных углов объясняется тем, что все кристаллы одного вещества тождественны по внутреннему строению, т.е. имеют одну и ту же структуру.

Согласно этому закону кристаллы определенного вещества характеризуются своими определенными углами. Поэтому измерением углов можно доказать принадлежность исследуемого кристалла к тому или иному веществу. На этом основан один из методов диагностики кристаллов.

Для измерения у кристаллов двугранных углов были изобретены специальные приборы – гониометры.

Постоянная температура плавления

Аморфные вещества в отличие от кристаллических не имеют четко выраженной температуры плавления. На кривых охлаждения (или нагревания) кристаллических и аморфных веществ, можно видеть, что в первом случае имеются два резких перегиба, соответствующие началу и концу кристаллизации; в случае же охлаждения аморфного вещества мы имеем плавную кривую. По этому признаку легко отличить кристаллические вещества от аморфных.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие свойства кристаллов

Введение

Кристаллы - это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц.

В основе физики твердого тела лежит представление о кристалличности вещества. Все теории физических свойств кристаллических твердых тел основываются на представлении о совершенной периодичности кристаллических решеток. Используя это представление и вытекающие из него положения о симметрии и анизотропии кристаллов, физики разработали теорию электронной структуры твердых тел. Эта теория позволяет дать строгую классификацию твердых тел, определяя их тип и макроскопические свойства. Однако она позволяет классифицировать только известные, исследованные вещества и не позволяет предопределить состав и структуру новых сложных веществ, которые обладали бы заданным комплексом свойств. Эта последняя задача является особо важной для практики, так как ее решение позволило бы создавать материалы по заказу для каждого конкретного случая. При соответствующих внешних условиях свойства кристаллических веществ определяются их химическим составом и типом кристаллической решетки. Изучение зависимости свойств вещества от его химического состава и кристаллической структуры обычно разбивается на следующие отдельные этапы 1) общее изучение кристаллов и кристаллического состояния вещества 2) построение теории химических связей и ее применение к изучению различных классов кристаллических веществ 3) изучение общих закономерностей изменения структуры кристаллических веществ при изменении их химического состава 4) установление правил, позволяющих предопределять химический состав и структуру веществ, обладающих определенным комплексом физических свойств.

Основные свойства кристаллов - анизотропность, однородность, способность к самоогоранению и наличие постоянной температуры плавления.

1. Анизотропность

кристалл анизотропность самоогоранение

Анизотропность - выражается она в том, что физические свойства кристаллов неодинаковы по разным направлениям. К физическим величинам можно отнести такие параметры - прочность, твердость, теплопроводность, скорость распространения света, электропроводность. Характерным примером вещества с ярко выраженной анизотропностью является слюда. Кристаллические пластинки слюды - легко расщепляются лишь по плоскостям. В поперечных же направлениях расщепить пластинки этого минерала значительно труднее.

Примером анизотропности-является кристалл минерала дистена. В продольном направлении, у дистена твердость равняется 4,5, в поперечном - 6. Минерал дистен (Al 2 O), отличающийся резко различной твердостью по неодинаковым направлениям. Вдоль удлинения кристаллы дистена легко царапаются лезвием ножа, в направлении перпендикулярном удлинению, нож не оставляет никаких следов.

Рис. 1 Кристалл дистена

Минерал кордиерит (Mg 2 Al 3 ). Минерал, алюмосиликат магния и железа. Кристалл кордиерита по трем различным направлениям представляется различно окрашенным. Если из такого кристалла вырезать куб с гранями, то можно заметить следующее. Перпендикулярными этим направлениям, то по диагонали куба (от вершины к вершине наблюдается серовато-синяя окраска, в направлении вертикальном - индигово-синяя окраска, и в направлении поперек куба - желтая.

Рис. 2 Куб, вырезанный из кордиерита.

Кристалл поваренной соли, которая имеет форму куба. Из такого кристалла можно вырезать стерженьки по различным направлениям. Три из них перпендикулярно граням куба, параллельно диагонали

Каждый из примеров исключительны по своей характерности. Но путём точных исследований, ученым пришли к такому выводу, что все кристаллы в том или ином отношении обладают анизотропностью. Так же твёрдые аморфные образования могут быть и однородными и даже анизотропными (анизотропность, к примеру, может наблюдаться при растягивании или сдавливании стёкол), но аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму, ни при каких условиях.

Рис. 3 Выявление анизотропии теплопроводности на кварце (а) и ее отсутствия на стекле (б)

В качестве примера (рис. 1) анизотропных свойств кристаллических веществ прежде всего следует упомянуть про механическую анизотропность, которая заключается в следующем. Все кристаллические вещества раскалываются не одинаково вдоль различных направлений (слюда, гипс, графит и др.). Аморфные же вещества-во всех направлениях раскалываются одинаково, потому что аморфность характеризуются изотропностью (равносвойственностью) - физические свойства по всем направлениям проявляются одинаково.

Анизотропию теплопроводности легко пронаблюдать на следующем простом опыте. На грань кристалла кварца нанести слой цветного воска и поднести к центру грани накаленную на спиртовке иголку. Образовавшийся талый круг воска вокруг иголки примет форму эллипса на грани призмы или же форму неправильного треугольника на одной из граней головки кристалла. На изотропном же веществе, например, стекле - форма талого воска всегда будет правильным кругом.

Анизотропность проявляется и в том, что при взаимодействии на кристалл какого-либо растворителя, скорость химических реакций различна по различным направлениям. В результате каждый кристалл при растворении в итоге приобретает свои характерные формы.

В конечном итоге причиной анизотропности кристаллов - является то, что при упорядоченном расположении ионов, молекул или атомов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния (а также некоторые не связанные с ними прямо величины, например, электропроводность или поляризуемость) оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул, хотелось бы отметить что все аминокислоты, кроме простейшей - глицина, асимметричны.

Любая частичка кристалла имеет строго определенный химический состав. Это свойство кристаллических веществ используется для получения химически чистых веществ. Например, при замораживании морской воды она становится пресной и пригодной для питья. Теперь угадайте, морской лед пресный или соленый?

2. Однородность

Однородность - выражается в том, что любые элементарные объемы кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, массу, твердость и т.д. таким образом, всякий кристалл есть однородное, но в то же время и анизотропное тело. Однородным считается тело, в котором на конечных расстояниях от любой его точки найдутся другие, эквивалентные ей не только в физическом отношении, но и геометрическом. Другими словами, находятся в таком же окружении, как и исходные, поскольку размещением материальных частиц в кристаллическом пространстве «управляет» пространственная решетка, можно считать, что грань кристалла - это материализованная плоская узловая решетка, а ребро - материализованный узловой ряд. Как правило, хорошо развитые грани кристалла определяются узловыми сетками с наибольшей густотой расположения узлов. Точка, в которой сходятся три и более граней, называется вершиной кристалла.

Ведутся разработки, которые могут повысить коэффициент однородности кристаллов.

Это изобретение запатентовано нашими русскими учеными. Изобретение относится к сахарной промышленности, в частности к получению утфелей. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента однородности кристаллов в утфеле, а также способствует увеличениею скорости роста кристаллов на завершающем этапе наращивания за счет постепенного роста коэффициента пересыщения.

Недостатками известного способа являются низкий коэффициент однородности кристаллов в утфеле первой кристаллизации, значительная длительность получения утфеля.

Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента однородности кристаллов в утфеле первой кристаллизации и интенсификации процесса получения утфеля.

3. Способность к самоогранению

К механическим свойствам кристаллов относятся свойства, связанные с такими механическими воздействиями на них, как удар, сжатие, растяжение и прочее - (спайность, пластическая деформация, излом, твердость, хрупкость).

Способность самоограняться, т.е. при определенных условиях принимать естественную многогранную форму. В этом также проявляется его правильное внутреннее строение. Именно это свойство отличает кристаллическое вещество от аморфного. Иллюстрацией этому служит пример. Два выточенных из кварца и стекла шарика опускают в раствор кремнезема. В результате шарик кварца покроется гранями, а стеклянный останется круглым.

Кристаллы одного и того же минерала могут иметь разную форму, величину и число граней, но углы между соответствующими гранями всегда будут постоянными (рис. 4 а-г) - это закон постоянства гранных углов в кристаллах. При этом величина и форма граней у различных кристаллов одного и того же вещества, расстояние между ними и даже их число могут меняться, но углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и того же вещества остаются постоянными при одинаковых условиях давления и температуры. Углы между гранями кристаллов измеряются при помощи гониометра (угломера). Закон постоянства гранных углов объясняется тем, что все кристаллы одного вещества тождественны по внутреннему строению, т.е. имеют одну и ту же структуру.

У идеально образованных кристаллов наблюдается симметрия, которая у природных кристаллов встречается чрезвычайно редко из-за опережающего роста граней (рис. 4 д).

Рис. 4 закон постоянства гранных углов в кристаллах (а-г) и рост опережающих граней 1,3 и 5 растущего на стенке полости кристалла (д)

Спайностью называется такое свойство кристаллов при котором раскалываться или расщепляться по определенным кристаллографическим направлениям в итоге образовываются ровные гладкие плоскости, называемые плоскостями спайности.

Плоскости спайности ориентированы параллельно действительным или возможным граням кристаллов. Это свойство всецело зависит от внутреннего строения минералов и проявляется в тех направлениях, в которых силы сцепления между материальными частицами кристаллических решеток наименьшие.

Можно выделить в зависимости от степени совершенства несколько видов спайности:

Весьма совершенная - минерал легко расщепляется на отдельные тонкие пластинки или листочки, расколоть его в другом направлении очень трудно (слюды, гипс, тальк, хлорит).

Рис. 5 Хлорит (Mg, Fe) 3 (Si, Al) 4 O 10 (OH) 2 ·(Mg, Fe) 3 (OH) 6)

Совершенная - минерал сравнительно легко раскалывается преимущественно по плоскостям спайности, причем отбитые кусочки часто напоминают отдельные кристаллы (кальцит, галенит, галит, флюорит).

Рис. 6 Кальцит

Средняя - при раскалывании образуются как плоскости спайности, так и неровные изломы по случайным направлениям (пироксены, полевые шпаты).

Рис. 7 Полевые шпаты ({К, Na, Ca, иногда Ba} {Al 2 Si 2 или AlSi 3 } О 8))

Несовершенная - минералы раскалываются по произвольным направлениям с образованием неровных поверхностей излома, отдельные плоскости спайности обнаруживаются с трудом (самородная сера, пирит, апатит, оливин).

Рис. 8 Кристаллы апатита (Са 5 3 (F, Cl, ОН))

У некоторых минералов при раскалывании образуются только неровные поверхности, в этом случае говорят о весьма несовершенной спайности или отсутствии ее (кварц).

Рис. 9 Кварц(SiO 2)

Спайность может проявляться в одном, двух, трех, редко более направлениях. Для более детальной характеристики ее указывают направление, в котором проходит спайность, например по ромбоэдру - у кальцита, по кубу - у галита и галенита, по октаэдру - у флюорита.

Плоскости спайности нужно отличать от граней кристаллов: Плоскость, как правило, обладает более сильным блеском, образуют ряд параллельных друг другу плоскостей и в отличие от граней кристаллов на которых мы не можем наблюдать штриховки.

Таким образом, спайность может прослеживаться по одному (слюды), двум (полевые шпаты), трем (кальцит, галит), четырем (флюорит) и шести (сфалерит) направлениям. Степень совершенства спайности зависит от строения кристаллической решетки каждого минерала, так как разрыв по некоторым плоскостям (плоским сеткам) этой решетки из-за более слабых связей происходит гораздо легче, чем по другим направлениям. В случае одинаковых сил сцепления между частицами кристалла, спайность отсутствует (кварц).

Излом - способность минералов раскалываться не по плоскостям спайности, а по сложной неровной поверхности

Отдельность - свойство некоторых минералов раскалываться с образованием параллельных, хотя чаще всего не совсем ровных плоскостей, не обусловленных строением кристаллической решетки, которое иногда принимают за спайность. В отличие от спайности отдельность - свойство лишь некоторых отдельных экземпляров данного минерала, а не минерального вида в целом. Главным отличием отдельности от спайности является то, что получившиеся выколки невозможно расщеплять далее на более мелкие обломки с ровными параллельными сколами.

Симметрия - наиболее общая закономерность, связанная со строением и свойствами кристаллического вещества. Она является одним из обобщающих фундаментальных понятий физики и естествознания в целом. «Симметрия есть свойство геометрических фигур повторять свои части, или, выражаясь точнее, свойство их в различных положениях приходить в совмещение с первоначальным положением». Для удобства изучения пользуются моделями кристаллов, передающих формы идеальных кристаллов. Для описания симметрии кристаллов необходимо определить элементы симметрии. Таким образом, симметричным является такой объект, который может быть совмещен сам с собой определенными преобразованиями: поворотами или (и) отражениями (рисунок 10).

1. Плоскость симметрии - это воображаемая плоскость, которая делит кристалл на две равные части, причем одна из частей является как бы зеркальным отражение другой. В кристалле может быть несколько плоскостей симметрии. Плоскость симметрии обозначается латинской буквой Р.

2. Ось симметрии - это линия, при вращении вокруг которой на 360° кристалл n-ое количество раз повторяет свое начальное положение в пространстве. Обозначается буквой L. n - определяет порядок оси симметрии, которые в природе могут быть только 2, 3, 4 и 6-го порядка, т.е. L2, L3, L4 и L6. Осей пятого и выше шестого порядка в кристаллах нет, а оси первого порядка не учитываются.

3. Центр симметрии - воображаемая точка, расположенная внутри кристалла, в которой пересекаются и делятся пополам линии, соединяющие соответствующие точки на поверхности кристалла1. Центр симметрии обозначается буквой С.

Все многообразие встречающихся в природе кристаллических форм объединяется в семь сингоний (систем): 1) кубическую; 2) гексагональную; 3) тетрагональную (квадратную); 4) тригональную; 5) ромбическую; 6) моноклинальную и 7) триклинную.

4. Постоянная температура плавления

Плавление - переход вещества из твердого состояния в жидкое.

Выражается в том, что при нагревании кристаллического тела температура повышается до определенного предела; при дальнейшем же нагревании вещество начинает плавиться, а температура некоторое время остается постоянной, так как все тепло идет на разрушение кристаллической решетки. Причиной этого явления, считается что основная часть энергия нагревателя, подводимая к твердому телу, идет на уменьшение связей между частицами вещества, т.е. на разрушение кристаллической решетки. При этом возрастает энергия взаимодействия между частицами. Расплавленное вещество обладает большим запасом внутренней энергии, чем в твердом состоянии. Оставшаяся часть теплоты плавления расходуется на совершение работы по изменению объема тела при его плавлении. Температура, при которой начинается плавление, называется температурой плавления.

При плавлении объем большинства кристаллических тел увеличивается (на 3-6%), а при отвердевании уменьшается. Но, существуют вещества, у которых при плавлении объем уменьшается, а при отвердевании - увеличивается.

К ним относятся, например, вода и чугун, кремний и некоторые другие. Именно поэтому лёд плавает на поверхности воды, а твердый чугун - в собственном расплаве.

Аморфные вещества в отличие от кристаллических не имеют четко выраженной температуры плавления (янтарь, смола, стекло).

Рис. 12 Янтарь

Количество теплоты, необходимой для плавления вещества, равно произведению удельной теплоты плавления на массу данного вещества.

Удельная теплота плавления показывает, какое кол теплоты необходимо для полного превращения 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое, взятого при темп плавления.

Единицей удельной теплоты плавления в СИ служит 1Дж/кг.

В процессе плавления температура кристалла остается постоянной. Эта температура называется температурой плавления. У каждого вещества своя температура плавления.

Температура плавления для данного вещества зависит от атмосферного давления.

У кристаллических тел при температуре плавления можно наблюдать вещество одновременно в твердом и жидком состояниях. На кривых охлаждения (или нагревания) кристаллических и аморфных веществ, можно видеть, что в первом случае имеются два резких перегиба, соответствующие началу и концу кристаллизации; в случае же охлаждения аморфного вещества мы имеем плавную кривую. По этому признаку легко отличить кристаллические вещества от аморфных.

Список литературы

1. Справочник химика 21 «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ» стр. 10 (http://chem21.info/info/1737099/)

2. Справочник по геологии (http://www.geolib.net/crystallography/vazhneyshie-svoystva-kristallov.html)

3. «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», раздел Геометрическая кристаллография (http://media.ls.urfu.ru/154/489/1317/)

4. Глава 1. Кристаллография с основами кристаллохимии и минералогия (http://kafgeo.igpu.ru/web-text-books/geology/r1-1.htm)

5. Заявка: 2008147470/13, 01.12.2008; МПК C13F1/02 (2006.01) C13F1/00 (2006.01). Патентообладатель(и):Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия (RU) (http://bd.patent.su/2371000-2371999/pat/servl/servlet939d.html)

6. Тульский государственный педагогический университет им Л.Н. Толстого Кафедра экологии Голынская Ф.А. «Понятие о минералах как о кристаллических веществах» (http://tsput.ru/res/geogr/geology/lec2.html)

7. Компьютерный обучающий курс «Общая геология» Курс лекций. Лекция 3 (http://igd.sfu-kras.ru/sites/igd.institute.sfu-kras.ru/files/kurs-geologia/%D0% BB % D0% B5% D0% BA % D1% 86% D0% B8% D0% B8/%D0% BB % D0% B5% D0% BA % D1% 86% D0% B8% D1% 8F_3.htm)

8. Класс физика (http://class-fizika.narod.ru/8_11.htm)

Подобные документы

Кристаллическое и аморфное состояния твердых тел, причины точечных и линейных дефектов. Зарождение и рост кристаллов. Искусственное получение драгоценных камней, твердые растворы и жидкие кристаллы. Оптические свойства холестерических жидких кристаллов.

реферат , добавлен 26.04.2010

Жидкие кристаллы как фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях, их основные физические свойства и факторы, на них влияющие. История исследования, типы, использование жидких кристаллов в производстве мониторов.

контрольная работа , добавлен 06.12.2013

Особенности и свойства жидкокристаллического состояния вещества. Структура смектических жидких кристаллов, свойства их модификаций. Сегнетоэлектрические характеристики. Исследование геликоидальной структуры смектика C* методом молекулярной динамики.

реферат , добавлен 18.12.2013

История развития представления о жидких кристаллах. Жидкие кристаллы, их виды и основные свойства. Оптическая активность жидких кристаллов и их структурные свойства. Эффект Фредерикса. Физический принцип действия устройств на ЖК. Оптический микрофон.

учебное пособие , добавлен 14.12.2010

Рассмотрение истории открытия и направлений применения жидких кристаллов; их классификация на смектические, нематические и холестерические. Изучение оптических, диамагнитных, диэлектрических и акустооптических свойств жидкокристаллических веществ.

курсовая работа , добавлен 18.06.2012

Определение жидких кристаллов, их сущность, история открытия, свойства, особенности, классификация и направления использования. Характеристика классов термотропных жидких кристаллов. Трансляционные степени свободы колончатых фаз или "жидких нитей".

реферат , добавлен 28.12.2009

Кристаллы - реальные твердые тела. Термодинамика точечных дефектов в кристаллах, их миграция, источники и стоки. Исследование дислокации, линейного дефекта кристаллической структуры твёрдых тел. Двумерные и трехмерные дефекты. Аморфные твердые тела.

доклад , добавлен 07.01.2015

презентация , добавлен 29.09.2013

Понятие и основные черты конденсированного состояния вещества, характерные процессы. Кристаллические и аморфные тела. Сущность и особенности анизотропии кристаллов. Отличительные черты поликристаллов и полимеров. Тепловые свойства и структура кристаллов.

курс лекций , добавлен 21.02.2009

Оценка вязкостно-температурных свойств (масел). Зависимость температуры вспышки от давления. Дисперсия, оптическая активность. Лабораторные методы перегонки нефти и нефтепродуктов. Теплота плавления и сублимации. Удельная и молекулярная рефракция.

Лекция 16

Физические свойства кристаллов

Изучением структуры и физических свойств твердых тел занимается физика твердого тела. Она устанавливает зависимость физических свойств от атомной структуры вещества, разрабатывает методы получения и исследования новых кристаллических материалов, обладающих заданными характеристиками.

Физические свойства кристаллов определяются:

1) природой химических элементов, входящих в состав кристаллов;

2) типом химической связи;

3) геометрическим характером структуры, т. е. взаимным расположением атомов в кристаллической структуре;

4) несовершенством структуры, т. е. наличием дефектов.

С другой стороны, именно по физическим свойствам кристаллов мы обычно судим о типе химической связи.

О прочности кристаллов проще всего можно судить по их механическим и термическим свойствам. Чем прочнее кристалл, тем больше его твердость и тем выше его температура плавления. Если изучать изменение твердости с изменением состава в ряду однотипных веществ и сопоставлять полученные данные с соответствующими значениями для температур плавления, то можно заметить «параллелизм» в изменении этих свойств.

Напомню, что самой характерной особенностью физических свойств кристаллов является их симметрия и анизотропия . Анизотропная среда характеризуется зависимостью измеряемого свойства от направления измерения.

Мы уже говорили, что кристаллохимия тесно связана с кристаллографией и физикой. Поэтому, основной задачей кристаллофизики (раздела кристаллографии, изучающего физические свойства кристаллов) является изучение закономерностей физических свойств кристаллов от их строения, а также зависимости этих свойств от внешних воздействий.

Физические свойства веществ можно подразделить на две группы: структурно чувствительные и структурно нечувствительные свойства. Первые зависят от атомной структуры кристаллов, вторые - главным образом от электронного строения и типа химической связи. Примером первых могут служить механические свойства (масса, плотность, теплоемкость, температура плавления и др.), примером вторых - тепло - и электропроводность , оптические и др. свойства.

Так, хорошая электропроводность металлов, обусловленная наличием свободных электронов, будет наблюдаться не только в кристаллах, но и в расплавленных металлах.

Ионный характер связи проявляется, в частности, в том, что многие соли, например, галогениды щелочных металлов, растворяются в полярных растворителях, диссоциируя на ионы. Однако факт отсутствия растворимости не может еще служить доказательством наличия у соединения неполярной связи. Так, энергия связи, например, у оксидов настолько больше энергии связи щелочных галогенидов, что диэлектрическая постоянная воды уже недостаточна для отрыва ионов от кристалла.

Кроме того, некоторые соединения, преимущественно с гомеополярным типом связи, под влиянием большой диэлектрической постоянной полярного растворителя могут в растворе диссоциировать на ионы, хотя в кристаллическом состоянии ионными соединениями они могут и не быть (например НСl, НВr).

В гетеродесмических соединениях некоторые свойства, например механическая прочность соединений, зависят только от одного (слабейшего) типа связи.

Поэтому, кристалл можно рассматривать, с одной стороны, как прерывистую (дискретную) среду. С другой стороны – кристаллическое вещество можно рассматривать как сплошную анизотропную среду. В этом случае физические свойства, проявляющиеся в определенном направлении, не зависят от трансляций (переносов). Это позволяет описывать симметрию физических свойств с помощью точечных групп симметрии.

Описывая симметрию кристалла, мы принимаем во внимание только внешнюю форму, т. е. рассматривает симметрию геометрических фигур. П. Кюри показал, что симметрия материальных фигур описывается бесконечным числом точечных групп, которые в пределе стремятся к рассмотренным ранее семи предельным группам симметрии (семейства вращающегося конуса, неподвижного конуса, вращающегося цилиндра, скрученного цилиндра, неподвижного цилиндра, семейства шара с вращающимися точками поверхности, семейства неподвижного шара).

Предельными точечными группами ‑ группами Кюри – называются точечные группы, содержащие оси бесконечных порядков. Существует всего семь предельных групп: ¥, ¥mm, ¥/m, ¥22, ¥/mm, ¥/¥, ¥/¥mm.

Связь между точечной группой симметрии кристалла и симметрией его физических свойств сформулировал немецкий физик Ф. Нейманн: материал в отношении физических свойств обнаруживает симметрию того же рода, что и его кристаллографическая форма. Это положение известно как принцип Неймана.

Ученик Ф. Немана немецкий физик В. Фойгт существенно уточнил указанный принцип и сформулировал его следующим образом: группа симметрии любого физического свойства должна включать в себя все элементы точечной группы симметрии кристалла.

Рассмотрим некоторые физические свойства кристаллов.

Плотность кристаллов.

Плотность вещества зависит от кристаллической структуры вещества, его химического состава, коэффициента упаковки атомов, валентностей и радиусов слагающих ее частиц.

Плотность изменяется с изменением температуры и давления, т. к. эти факторы вызывают расширение или сжатие вещества.

Зависимость плотности от структуры можно продемонстрировать на примере трех модификаций Al2SiO5:

· андалузит (r = 3,14 – 3,16 г/см3);

· силлиманит (r = 3,23 – 3,27 г/см3);

· кианит (r = 3,53 – 3,65 г/см3).

С увеличением коэффициента упаковки кристаллической структуры плотность вещества возрастает. Например, при полиморфном переходе графита в алмаз с изменением координационного числа атомов углерода с 3 до 4 соответственно возрастает и плотность от 2,2 до 3,5 г/см3).

Плотность реальных кристаллов обычно меньше, чем расчетная плотность (идеальных кристаллов) из-за присутствия дефектов в их структурах. Плотность алмаза, например, колеблется в пределах 2,7 – 3,7 г/см3. Таким образом, по уменьшению реальной плотности кристаллов можно судить о степени их дефектности.

Плотность изменяется и с изменением химического состава вещества при изоморфных замещениях – при переходе от одного члена изоморфного ряда к другому. Например, в ряду оливинов (Mg , Fe 2+ )2[ SiO 4 ] плотность возрастает по мере замены катионов Mg2+ на Fe2+ от r = 3,22 г/см3 у форстерита Mg 2 [ SiO 4 ] до r = 4,39 г/см3 у фаялита .

Твердость.

Под твердостью подразумевается степень сопротивления кристалла внешнему воздействию. Твердость не является физической постоянной. Ее величина зависит не только от изучаемого материала, но и от условий измерения.

Твердость зависит от:

· типа структуры;

· коэффициента упаковки (удельного веса);

· заряда образующих кристалл ионов.

Например, полиморфные модификации CaCO3 – кальцит и арагонит – имеют плотности 3 и 4 соответственно и отличаются разной плотностью их структур:

· для структуры кальцита с КЧСа = 6 ‑ r = 2,72;

· для структуры арагонита с КЧСа = 9 ‑ r = 2,94 г/см3).

В ряду одинаково построенных кристаллов твердость возрастает у увеличением зарядов и уменьшением размеров катионов. Присутствие в структурах достаточно крупных анионов типа F-, OH-, молекул Н2О понижает твердость.

Грани разных форм кристаллов обладают различной ретикулярной плотностью и отличаются по своей твердости. Так, наибольшей твердостью в структуре алмаза обладают грани октаэдра (111), имеющие большую ретикулярную плотность по сравнению с гранями куба (100).

Способность к деформации.

Способность кристалла к пластической деформации определяется, прежде всего, характером химической связи между его структурными элементами.

Ковалентная связь , обладающая строгой направленностью, резко ослабевает уже при незначительных смещениях атомов относительно друг друга. Поэтому кристаллы с ковалентным типом связи (Sb, Bi, As, se и др.) не проявляют способность к пластической деформации.

Металлическая связь не имеет направленного характера и при смещении атомов относительно друг друга меняется слабо. Это определяет высокую степень пластичности металлов (ковкость). Наиболее ковкими являются те металлы, структуры которых построены по закону кубической плотнейшей упаковки, имеющей четыре направления плотноупакованных слоев. Менее ковки металлы с гексагональной плотнейшей упаковкой – с одним направлением плотнейших слоев. Так, среди полиморфных модификаций железа a-Fe и b-Fe ковкостью почти не обладают (решетка I типа), тогда как g-Fe с кубической плотнейшей упаковкой (гранецентрированная кубическая решетка) – ковкий металл как Cu, Pt, Au, Ag и др.

Ионная связь не имеет направленного характера. Поэтому типичные ионные кристаллы (NaCl, CaF2, CaTe и др.) такие же хрупкие, как кристаллы с ковалентной связью. Но в то же время они обладают достаточно высокой пластичностью. Скольжение в них протекает оп определенным кристаллографическим направлениям. Это объясняется тем, что в структуре кристалла можно выделить сетки (110), образованные либо одними ионами Na+, либо ионами Cl-. При пластической деформации одна плоская сетка передвигается относительно соседней таким образом, что ионы Na+ скользят вдоль ионов Cl-. Разноименность зарядов ионов в соседних сетках препятствует разрыву, и они остаются параллельными своему исходному положению. Скольжение вдоль этих слоев протекает при минимальном нарушении в расположении атомов и является наиболее легким.

Тепловые свойства кристаллов.

Теплопроводность тесно связана с симметрией. Наиболее наглядно это можно продемонстрировать на следующем опыте. Покроем тонким слоем парафина грани трех кристаллов: куба, гексагональной призмы, прямого параллелепипеда. Острием тонкой раскаленной иглы прикоснемся к каждой из граней этих кристаллов. По очертаниям пятен плавления можно судить о скорости распространения теплоты на плоскостях граней по различным направлениям.

На кристалле кубической сингонии контуры пятен плавления на всех гранях будут иметь форму круга, что указывает на одинаковую скорость распространения теплоты по всем направлениям от точки касания горячей иглой. Форма пятен в идее кругов на всех гранях кубического кристалла связана с его симметрией.

Форма пятен на верхней и нижней гранях гексагональной призмы будет также иметь форму круга (скорость распространения теплоты в плоскости, перпендикулярной главной оси кристалла средней категории одинакова по всем направлениям). На гранях гексагональной призмы пятна плавления будут иметь форму эллипсов, так как перпендикулярно этим граням проходят оси 2-го порядка.

На всех гранях прямого параллелепипеда (кристалл ортогональной сингонии) пятна плавления будут иметь форму эллипса, т. к. перпендикулярно этим граням проходят оси 2-го порядка.

Итак, скорость распространения теплоты по телу кристалла находится в прямой зависимости от того, вдоль какого линейного элемента симметрии она распространяется. В кристаллах кубической сингонии поверхность распространения теплоты будет иметь форму сферы. Следовательно, в отношении теплопроводности кристаллы кубической сингонии являются изотропными, т. е. по всем направлениям равносвойственными. Поверхность теплопроводности кристаллов средней категории выражается эллипсоидом вращения (параллельно главной оси). В кристаллах низшей категор ии все поверхности теплопроводности имеют форму эллипсоида.

Анизотропия теплопроводности тесно связана со структурой кристаллического вещества. Так, наиболее плотным атомным сеткам и рядам соответствуют большие значения теплопроводности. Поэтому слоистые и цепочечные кристаллы имеют большие различия в направлениях теплопроводности.

Теплопроводность зависит также от степени дефектности кристалла – у более дефектных кристаллов она ниже, чем у синтетических. Вещество в аморфном состоянии обладает более низкой теплопроводностью, чем кристаллы того же состава. Например, теплопроводность кварцевого стекла значительно ниже теплопроводности кристаллов кварца. На этом свойстве основано широкое применение посуды из кварцевого стекла.

Оптические свойства.

Каждое вещество с определенной кристаллической структурой характеризуется своеобразными оптическими свойствами. Оптические свойства тесно связаны с кристаллическим строением твердых тел, его симметрией.

В отношении оптических свойств все вещества можно разделить на оптически изотропные и анизотропные. К первым относятся аморфные тела и кристаллы высшей категории, ко вторым – все остальные. В оптически изотропных средах световая волна, представляющая собой совокупность поперечных гармонических колебаний электромагнитной природы, распространяется с одинаковой скоростью во всех направления. При этом колебания вектора напряженности электрического и магнитного полей происходят также по всевозможным направлениям, но в плоскости, перпендикулярной направлению луча. Вдоль его направления происходит передача световой энергии. Такой свет называется естественным или неполяризованным (рисунок а, б).

В оптически анизотропных средах скорости распространения волны в разных направлениях могут быть различными. При определенных условиях может быть получен так называемый поляризованный свет , для которого все колебания вектора электрического и магнитного полей проходят в строго определенном направлении (рисунок в, г). На поведении такого поляризованного света в кристаллах основана методика кристаллооптических исследований с помощью поляризационного микроскопа.

Двойное лучепреломление света в кристаллах.

линейно поляризованным с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Разложение света на два поляризованных луча называется двойным лучепреломлением или двупреломлением.

Двупреломление света наблюдается в кристаллах всех сингоний, за исключением кубической. В кристаллах низшей и средней категории двупреломление происходит по всем направлениям, за исключением одного или двух направлений, называемых оптическими осями .

Явление двупреломления связано с анизотропией кристаллов. Оптическая анизотропность кристаллов выражается в том, что скорость распространения света в них различна по разным направлениям.

В кристаллах средней категории среди множества направлений оптической анизотропии существует одно единичное направление – оптическая ось , совпадающее с главной осью симметрии 3-го, 4-го, 6-го порядков. Вдоль этого направления свет идет не раздваиваясь.

В кристаллах низшей категории имеется два направления, вдоль которых свет не раздваивается. Сечения кристаллов, перпендикулярные этим направлениям, совпадают с оптически изотропными сечениями.

Влияние структурных особенностей на оптические свойства.

В кристаллических структурах со слоями из плотноупакованных атомов расстояние между атомами внутри слоя превышают расстояние между ближайшими атомами, расположенными в соседних слоях. Подобная упорядоченность приводит к более легкой поляризации, если вектор напряжения электрического поля световой волны будет параллелен плоскости слоев.

Электрические свойства.

Все вещества можно разделить на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Некоторые кристаллы (диэлектрики) поляризуются под влиянием внешних воздействий. Способность диэлектриков поляризоваться – одно из их фундаментальных свойств. Поляризация – это процесс, связанный с созданием в диэлектрике под действием внешнего электрического поля электрических диполей.

В кристаллографии и физике твердого тела важное теоретическое практическое значение получили явления пьезоэлектричества и пироэлектричества.

Пьезоэлектрический эффект – изменение поляризации некоторых диэлектрических кристаллов при механической деформации. Величина возникших зарядов пропорциональна приложенной силе. Знак заряда зависит от типа кристаллической структуры. Пьезоэлектрический эффект возникает только в кристаллах, лишенных центра инверсии, т. е. имеющих полярные направления. Например, кристаллы кварца SiO2, сфалерита (ZnS).

Пироэлектрический эффект – появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов при их нагревании или охлаждении. Пироэлектрический эффект возникает только в диэлектрических кристаллах с единственным полярным направлением, противоположные концы которого не могут быть совмещены ни одной операцией данной группы симметрии. Появление электрических зарядов может происходить только по определенным, полярным направления. Грани, перпендикулярные этим направлениям, получают разные по знаку заряды: одна – положительный, а другая – отрицательный. Пироэлектрический эффект может возникнуть в кристаллах, относящихся к одному из полярных классов симметрии: 1, 2, 3, 4, 6, m, mm2, 3m, 4mm, 6mm.

Из геометрической кристаллографии следует, что направления, проходящие через центр симметрии, не могут быть полярными. Не могут быть полярными и направления, перпендикулярные плоскостям симметрии или осям четного порядка.

В классе пироэлектриков выделяют два подкласса. К первому относятся линейные пироэлектрики, у которых во внешнем поле электрическая поляризация линейно зависит от напряженности электрического поля. Например, турмалин NaMgAl3B3.Si6(O, OH)30.

Кристаллы второго подкласса называются сегнетоэлектриками. У них зависимость поляризации от напряженности внешнего поля носит нелинейный характер и поляризуемость зависит от величины внешнего поля. Нелинейная зависимость поляризации от напряженности электрического поля характеризуется петлей гистерезиса. Эта особенность сегнетоэлектриков предполагает сохранение у них электрической поляризации в отсутствии внешнего поля. Благодаря этому кристаллы сегнетовой соли (отсюда название сегнетоэлектрики) оказались надежными хранителями электрической энергии и регистраторами электрических сигналов, что позволяет их использовать в «ячейках памяти» ЭВМ.

Магнитные свойства.

Это способность тел взаимодействовать с магнитным полем, т. е. намагничиваться при помещении их в магнитное поле. В зависимости от величины магнитной восприимчивости различают диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные и антиферромагнитные кристаллы.

Магнитные свойства всех веществ зависят не только от особенностей их кристаллической структуры, но и от природы слагающих их атомов (ионов), т. е. магнетизм определяется электронным строением оболочек и ядер, а также орбитальным движением вокруг них электронов (спинами).

При внесении атома (иона) в магнитное поле изменяется угловая скорость движения электронов на орбите за счет того, что на первоначальное вращательное движение электронов вокруг ядра накладывается дополнительное вращательное движение, в результате чего атом получает дополнительный магнитный момент. При этом если все электроны с противоположными спинами в атоме сгруппированы попарно (рисунок А), то магнитные моменты электронов оказываются скомпенсированными и их суммарный магнитный момент будет равен нулю. Такие атомы называются диамагнитными, а вещества, состоящие из них – диамагнетиками . Например, инертные газы, металлы В-подгрупп – Cu, Ag, Au, Zn, Cd, большинство ионных кристаллов (NaCl, CaF2), а также вещества с преобладающей ковалентной связью – Bi, Sb, Ga, графит. В кристаллах со слоистыми структурами магнитная восприимчивость для направлений, лежащих в слое, значительной превышает таковую для перпендикулярных направлений.

При заполнении электронных оболочек в атомах электроны стремятся быть неспаренными. Поэтому существует большое количество веществ, магнитные моменты электронов, в атомах которых, расположены беспорядочно и при отсутствии внешнего магнитного поля в них не происходит самопроизвольная ориентация магнитных моментов (рисунок Б). Суммарный магнитный момент, обусловленный несвязанными попарно и слабо взаимодействующими друг с другом электронами, будет постоянным, положительным или несколько большим, чем у диэлектриков. Такие атомы называются магнитными, а вещества – парамагнетиками . При внесении парамагнетика в магнитное поле разориентированные спины приобретут некоторую ориентировку, в результате чего наблюдаются три типа упорядочения нескомпенсированных магнитных моментов – три типа явлений: ферромагнетизм (рисунок В), антиферромагнетизм (рисунок Г) и ферримагнетизм (рисунок Д).

Ферромагнитными свойствами обладают вещества, магнитные моменты атомов (ионов) которых направлены параллельно друг другу, в результате чего внешнее магнитное поле может усилиться в миллионы раз. Название группы связано с присутствием в ней элементов подгруппы железа Fe, Ni, Co.

Если магнитные моменты отдельных атомов антипараллельны и равны, то суммарный магнитный момент атомов равен нулю. Такие вещества называются антиферромагнетиками. К ним относятся оксиды переходных металлов – MnO, NiO, CoO, FeO, многие фториды, хлориды, сульфиды, селениды и др.

При неравенстве антипараллельных моментов атомов структуры кристаллов суммарный момент оказывается отличным от нуля и такие структуры обладают спонтанной намагниченность. Подобными свойствами обладают ферриты (Fe3O4, минералы группы граната).

Твердые тела разделяют на аморфные тела и кристаллы. Отличие вторых от первых состоит в том, что атомы кристаллов располагаются согласно некоторому закону, образуя тем самым трехмерную периодическую укладку, что называется – кристаллическая решетка.

Примечательно, что название кристаллов происходит от греческих слов «застывать» и «холод», и во времена Гомера этим словом называли горный хрусталь, который тогда считался «застывшим льдом». Сперва данным термином называли лишь ограненные прозрачные образования. Но позже, кристаллами стали звать также непрозрачные и не ограненные тела природного происхождения.

Кристаллическая структура и решетка

Идеальный кристалл представляется в виде периодически повторяющихся одинаковых структур – так называемых элементарных ячеек кристалла. В общем случае, форма такой ячейки – косоугольный параллелепипед.

Следует различать такие понятия как кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Первая – это математическая абстракция, изображающая регулярное расположение неких точек в пространстве. В то время как кристаллическая структура – это реальный физический объект, кристалл, в котором с каждой точкой кристаллической решетки связана определенная группа атомов или молекул.

Кристаллическая структура граната — ромб и додекаэдр

Основным фактором, определяющим электромагнитные и механические свойства кристалла, является строение элементарной ячейки и атомов (молекул), связанных с ней.

Анизотропия кристаллов

Главное свойство кристаллов, отличающее их от аморфных тел – это анизотропия. Это означает, что свойства кристалла различны, в зависимости от направления. Так, например, неупругая (необратимая) деформация осуществляется лишь по определенным плоскостям кристалла, и в определенном направлении. В связи с анизотропией кристаллы по-разному реагируют на деформацию в зависимости от ее направления.

Однако, существуют кристаллы, которые не обладают анизотропией.

Виды кристаллов

Кристаллы разделяют на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллами называют вещества, кристаллическая структура которых распространяется на все тело. Такие тела являются однородными и имеют непрерывную кристаллическую решетку. Обычно, такой кристалл обладает ярко выраженной огранкой. Примерами природного монокристалла являются монокристаллы каменной соли, алмаза и топаза, а также кварца.

Немало веществ имеют кристаллическую структуру, хотя обычно не имеют характерной для кристаллов формы. К таким веществам относятся, например, металлы. Исследования показывают, что такие вещества состоят из большого количества очень маленьких монокристаллов — кристаллических зерен или кристаллитов. Вещество, состоящее из множества таких разноориентированных монокристаллов, называется поликристаллическим. Поликристаллы зачастую не имеют огранки, а их свойства зависят от среднего размера кристаллических зерен, их взаимного расположения, а также строения межзеренных границу. К поликристаллам относятся такие вещества как металлы и сплавы, керамики и минералы, а также другие.

Портал для школьника. Самоподготовка