Killalle ja kalliskive vaadates tahaks aru saada, kuidas see salapärane ilu võis tekkida, kuidas sünnivad nii hämmastavad loodusteosed. On soov nende omaduste kohta rohkem teada saada. Lõppude lõpuks võimaldab kristallide eriline, mitte kusagil looduses korduv struktuur neid kasutada kõikjal: alates ehetest kuni uusimate teaduslike ja tehniliste leiutisteni.
Kristalliliste mineraalide uuring
Kristallide struktuur ja omadused on nii mitmetahulised, et nende nähtuste uurimisega ja uurimisega tegeleb omaette teadus – mineraloogia. Kuulus vene akadeemik Aleksander Jevgenievitš Fersman oli kristallide maailma mitmekesisusest ja lõpmatusest nii haaratud ja üllatunud, et püüdis selle teemaga köita võimalikult paljusid meeli. Oma raamatus Entertaining Mineralogy ärgitas ta entusiastlikult ja sooj alt tutvuma mineraalide saladustega ja sukelduma kalliskivide maailma:
Ma tõesti tahan sindköitma. Ma tahan, et te hakkaksite tundma huvi mägede ja karjääride, kaevanduste ja kaevanduste vastu, et hakkaksite koguma mineraalide kogusid, et te tahaksite meiega koos minna kaugemast linnast jõe voolule, kus on on kõrged kivised kaldad, mägede tippu või kivisele mererannale, kus lõhutakse kive, kaevandatakse liiva või plahvatab maak. Seal, kõikjal, teie ja mina leiame tegevust: surnud kivides, liivades ja kivides õpime lugema mõningaid suurepäraseid loodusseadusi, mis valitsevad kogu maailma ja mille järgi kogu maailm on ehitatud.
Füüsika uurib kristalle, väites, et iga tõeliselt tahke keha on kristall. Keemia uurib kristallide molekulaarstruktuuri, jõudes järeldusele, et igal metallil on kristalne struktuur.
Kristallide hämmastavate omaduste uurimine on kaasaegse teaduse, tehnoloogia, ehitustööstuse ja paljude teiste tööstusharude arengu jaoks väga oluline.
Kristallide põhiseadused
Esimene asi, mida inimesed kristalli vaadates märkavad, on selle ideaalne mitmetahuline kuju, kuid see pole mineraali või metalli põhiomadus.
Kui kristall purustatakse väikesteks kildudeks, ei jää midagi ideaalsest vormist alles, kuid mis tahes fragment, nagu varemgi, jääb kristalliks. Kristalli eripäraks pole mitte välimus, vaid selle sisestruktuuri iseloomulikud tunnused.
Sümmeetriline
Esimene asi, mida kristallide uurimisel meeles pidada ja tähele panna, on nähtussümmeetria. See on igapäevaelus lai alt levinud. Liblika tiivad on sümmeetrilised, täpi jäljend pooleks volditud paberil. Sümmeetrilised lumekristallid. Kuusnurksel lumehelves on kuus sümmeetriatasandit. Painutades pilti mööda mis tahes joont, mis kujutab lumehelbe sümmeetriatasapinda, saate selle kaks poolt omavahel kombineerida.
Sümmeetriateljel on selline omadus, et kujundit mingi teadaoleva nurga võrra selle ümber pöörates on võimalik sobivaid kujundi osi omavahel kombineerida. Olenev alt sobiva nurga suurusest, mille võrra kujundit on vaja pöörata, määratakse kristallides 2., 3., 4. ja 6. järku teljed. Seega on lumehelvestes üks kuuendat järku sümmeetriatelg, mis on joonestustasandiga risti.
Sümmeetria keskpunkt on selline punkt joonise tasapinnas, millest samal kaugusel on vastassuunas samad joonise struktuurielemendid.
Mis sees on?
Kristallide sisemine struktuur on teatud tüüpi molekulide ja aatomite kombinatsioon ainult kristallidele omases järjekorras. Kuidas nad teavad osakeste sisemist struktuuri, kui need pole isegi mikroskoobiga nähtavad?
Selleks kasutatakse röntgenikiirgust. Kasutades neid poolläbipaistvate kristallide tegemiseks, kehtestasid saksa füüsik M. Laue, inglise füüsikud isa ja poeg Bragg ning vene professor Yu Wolf seadused, mille järgi kristallide struktuuri ja struktuuri uuritakse.
Kõik oli üllatav ja ootamatu. Samomolekuli struktuuri mõiste osutus aine kristallilise oleku suhtes kohaldamatuks.
Näiteks sellisel tuntud ainel nagu lauasool on NaCl molekuli keemiline koostis. Kuid kristallis ei moodusta üksikud kloori ja naatriumi aatomid eraldi molekule, vaid moodustavad teatud konfiguratsiooni, mida nimetatakse ruumiliseks või kristallvõreks. Kloori ja naatriumi väikseimad osakesed on elektriliselt seotud. Soola kristallvõre moodustub järgmiselt. Naatriumi aatomi väliskesta üks valentselektronidest viiakse klooriaatomi väliskesta, mis ei ole täielikult täidetud, kuna kloori kolmandas kestas puudub kaheksas elektron. Seega ei kuulu kristallis nii naatriumi kui ka kloori iga ioon ühele molekulile, vaid tervele kristallile. Tänu sellele, et klooriaatom on monovalentne, saab ta enda külge kinnitada ainult ühe elektroni. Kuid kristallide struktuuriomadused viivad selleni, et klooriaatomit ümbritseb kuus naatriumiaatomit ja on võimatu kindlaks teha, milline neist jagab elektroni klooriga.
Selgub, et lauasoola keemiline molekul ja selle kristall pole üldsegi sama asi. Terve monokristall on nagu üks hiiglaslik molekul.
Grill – ainult mudel
Viga tuleks vältida, kui ruumilist võret võtta kristalli struktuuri reaalse mudelina. Võre - omamoodi tingimuslik pilt näitest elementaarosakeste ühendamisest kristallide struktuuris. Võre ühenduspunktid kuulide kujulvõimaldavad visuaalselt kujutada aatomeid ja neid ühendavad jooned on ligikaudne pilt nendevahelistest sidumisjõududest.
Tegelikkuses on aatomite vahelised vahed kristalli sees palju väiksemad. See on selle koostises olevate osakeste tihe pakend. Pall on aatomi tavapärane tähistus, mille kasutamine võimaldab eduk alt kajastada tiheda pakkimise omadusi. Tegelikkuses ei toimu aatomite lihtne kontakt, vaid nende vastastikune osaline kattumine üksteisega. Teisisõnu, kristallvõre struktuuris kujutatud kuuli kujutis on selguse huvides kujutatud sellise raadiusega kera, mis sisaldab põhiosa aatomi elektronidest.
Jõutõotus
Kahe vastassuunaliselt laetud iooni vahel on elektriline tõmbejõud. See on ioonsete kristallide struktuuris sideaine, näiteks lauasool. Kuid kui tuua ioonid väga lähedale, kattuvad nende elektronide orbiidid üksteisega ja ilmuvad sarnase laenguga osakeste tõukejõud. Kristalli sees on ioonide jaotus selline, et tõuke- ja külgetõmbejõud on tasakaalus, tagades kristalse tugevuse. See struktuur on tüüpiline ioonkristallidele.
Ja teemandi ja grafiidi kristallvõredes toimub aatomite ühendus ühiste (kollektiivsete) elektronide abil. Tihed alt paiknevatel aatomitel on ühised elektronid, mis tiirlevad ümber nii ühe kui ka naaberaatomi tuuma.
Selliste sidemetega jõudude teooria üksikasjalik uurimine on üsna keeruline ja kuulub kvantmehaanika valdkonda.
Metalli erinevused
Metallkristallide struktuur on keerulisem. Tänu sellele, et metalliaatomid loovutavad kergesti olemasolevaid väliseid elektrone, saavad nad vab alt liikuda kogu kristalli ruumala ulatuses, moodustades selle sees nn elektrongaasi. Tänu sellistele "rändavatele" elektronidele tekivad jõud, mis tagavad metalli valuploki tugevuse. Pärismetallikristallide struktuuri uurimine näitab, et olenev alt metalliploki jahutamise meetodist võib see sisaldada puudusi: pinna-, punkt- ja lineaarseid. Selliste defektide suurus ei ületa mitme aatomi läbimõõtu, kuid need moonutavad kristallvõre ja mõjutavad metallide difusiooniprotsesse.
Kristallide kasv
Mugavamaks mõistmiseks võib kristalse aine kasvu kujutada kui telliskivistruktuuri püstitamist. Kui üks tellis viimistlemata müüritisest esitada kristalli lahutamatu osana, siis on võimalik määrata, kus kristall kasvab. Kristalli energiaomadused on sellised, et esimesele tellisele asetatud tellis kogeb külgetõmmet ühelt poolt – altpoolt. Teisele laotamisel - kahelt küljelt ja kolmandale - kolmelt. Kristalliseerumisprotsessis - üleminekul vedelikust tahkesse olekusse - vabaneb energia (sulamissoojus). Süsteemi suurima tugevuse tagamiseks peaks selle võimalik energia olema minimaalne. Seetõttu toimub kristallide kasv kihtide kaupa. Kõigepe alt valmib lennuki rida, seejärel terve tasapind ja alles siis hakatakse ehitama järgmist.
Teaduskristallid
Kristallograafia põhiseadus – kristallide teadus – ütleb, et kõik nurgad kristallide tahkude erinevate tasandite vahel on alati konstantsed ja ühesugused. Olenemata sellest, kui moonutatud on kasvav kristall, säilitavad selle tahkude vahelised nurgad sama väärtuse, mis on omane sellele tüübile. Olenemata suurusest, kujust ja arvust ristuvad sama kristalltasandi pinnad alati sama etteantud nurga all. Nurkade püsivuse seaduse avastas M. V. Lomonosov 1669. aastal ja mängis olulist rolli kristallide struktuuri uurimisel.
Anisotroopia
Kristallide moodustumise protsessi eripära on tingitud anisotroopia fenomenist – erinevad füüsikalised omadused olenev alt kasvusuunast. Üksikkristallid juhivad elektrit, soojust ja valgust erinevates suundades erinev alt ning neil on ebavõrdne tugevus.
Seega võib sama keemiline element samade aatomitega moodustada erinevaid kristallvõresid. Näiteks võib süsinik kristalliseeruda teemandiks ja grafiidiks. Samas on teemant mineraalide suurima tugevuse näide ja grafiit lahkub pliiatsiga paberile kirjutades kergesti oma soomustest.
Mineraalide pindade vaheliste nurkade mõõtmisel on nende olemuse määramisel suur praktiline tähtsus.
Põhifunktsioonid
Olles selgeks saanud kristallide ehituslikud omadused, saame lühid alt kirjeldada nende põhiomadusi:
- Anisotroopia – ebaühtlased omadused erinevates suundades.
- Ühtlus – elementaarnevõrdsete vahedega kristallide koostisosadel on samad omadused.
- Iselõikevõime – iga kristalli fragment kasvuks sobivas keskkonnas omandab mitmetahulise kuju ja kaetakse seda tüüpi kristallidele vastavate tahkudega. Just see omadus võimaldab kristallil säilitada oma sümmeetriat.
- Sulamistemperatuuri muutumatus. Mineraali ruumilise võre hävimine, st kristalse aine üleminek tahkest olekust vedelasse, toimub alati samal temperatuuril.
Kristallid on tahked ained, mis on võtnud sümmeetrilise hulktahuka loomuliku kuju. Kristallide struktuur, mida iseloomustab ruumilise võre moodustumine, oli aluseks tahke aine elektroonilise struktuuri teooria väljatöötamisele füüsikas. Mineraalide omaduste ja struktuuri uurimisel on suur praktiline tähtsus.
