Общие свойства кристаллов

Размещено на http://www.allbest.ru/

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. [1]

Основные свойства кристаллов - анизотропность, однородность, способность к самоогоранению и наличие постоянной температуры плавления. [2]



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 (Al₂O[SiO₄]), отличающийся резко различной твердостью по неодинаковым направлениям. Вдоль удлинения кристаллы дистена легко царапаются лезвием ножа, в направлении перпендикулярном удлинению, нож не оставляет никаких следов. [3]

Рис. 1 Кристалл дистена

Минерал кордиерит (Mg₂Al₃[AlSi₅O₁₈]). 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[3]

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. [4]

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? [4]

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. [3]

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

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. [5]

3. 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. [6]

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). [7]

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.

Согласно этому закону кристаллы определенного вещества характеризуются своими определенными углами. Поэтому измерением углов можно доказать принадлежность исследуемого кристалла к тому или иному веществу.

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)₄O₁₀(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} {Al₂Si₂ или AlSi₃} О₈₎)

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 (Са₅[PO₄]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(SiO₂)

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). [7]

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. [7]

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).



Рис. 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. [6]



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.



Рис. 11

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. [8]



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)