Кристаллы

Происхождение слова от "кристаллос", по-гречески — лед; древние греки считали, что лед, находясь длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что «кристаллос» рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту. Римский поэт Клавдиан описал стихами:

Ярой альпийской зимой лед превращается в камень

Солнце не в силах затем камень такой растопить

Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии — лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. И даже в 19 в. поэты нередко соединяли воедино эти образы:

Едва прозрачный лед, над озером тускнея,

Кристаллом покрывал недвижные струи.

А.С.Пушкин. К Овидию

Кристаллическими называют вещества, в которых мельчайшие частицы (атомы, ионы или молекулы) геометрически правильно расположены в пространстве. Аморфными называются твердые тела, в которых частицы располагаются в пространстве беспорядочно. Их называют минералоидами.

Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена прежде всего их строго закономерным внутренним строением.

Внешние плоскости кристаллов получили название граней, линии пересечения граней - ребер, а точки пересечения трех и более ребер - вершины. Одним из важных положений кристаллографии является закон постоянства гранных углов - для всех кристаллов одного и того же вещества углы между соответствующими гранями одинаковы и постоянны. Этот закон позволяет определять минералы путем измерения углов между гранями кристаллов и восстанавливать теоретическую форму кристалла, если проявлены не все грани.

Каждая грань кристалла представляет собой плоскость, на которой располагаются атомы. Когда кристалл растет, все грани наращиваются (передвигаются параллельно самим себе), так как на них откладываются все новые и новые слои атомов. По этой причине, параллельно каждой грани в структуре кристалла располагается огромное количество атомных плоскостей, которые когда-то в начальных стадиях роста тоже располагались на гранях кристалла, но в процессе роста оказались внутри него.

Ребра кристалла представляют собой прямые, на которых атомы располагаются в ряд. Таких рядов в кристалле тоже огромное количество и они располагаются параллельно действительным ребрам кристалла.

Современный рентгеноструктурный анализ стал мощным инструментом изучения структуры веществ. Рентгеновские лучи дают возможность как бы нащупать атомы внутри кристаллического тела и определяют их пространственное расположение.

Лауэграмма алмаза	Лауэграмма галита	Лауэграмма кальцита

Общее число расшифрованных к середине 90-х годов структур превысило 150 тыс. Благодаря усовершенствованным методам, автоматизированной аппаратуре и вычислительным средствам стало возможным определять структуры самых сложных кристаллов вплоть до белковых, содержащих сотни атомных группировок.

Все кристаллы обладают рядом основных специфических свойств, отличающих их от некристаллических, аморфных тел. Такими свойствами являются:

• Однородность строения - одинаковость узора взаимного расположения атомов во всех частях объема его кристаллической решетки

• Анизотропность - различие физических свойств кристаллов (теплопроводность, твердость, упругость и другие) в разных направлениях кристаллической решетки, изотропные тела имеют одинаковые свойства во всех направлениях.

• Способность самоограняться, принимать форму многогранника в результате свободного роста в подходящей среде.

• Симметричность - это закономерная повторяемость расположения элементов огранки (или их частей). Симметрия кристаллов соответствует симметрии их пространственных решеток.

Кристаллы состоят из элементарных ячеек («кирпичей»), расположенных в строгом порядке внутри кристаллического тела. В элементарной ячейке содержится некоторая минимальная группировка атомов, симметричное «размножение» которой образует кристаллическую решётку.

Что заставляет укладываться «кирпичи» вещества в строгом порядке?

Они компануются под воздействием электрохимических сил в наиболее энергетически выгодном положении (как игра «Тетрис»), что бы было как можно меньше пустот и зазоров между «кирпичами». Конечно, легче всего работать с «кирпичами» кубической формы – как ни поверни их, они все равно подойдут к своему месту.

Именно поэтому легко кристаллизуются соединения, состоящие только из атомов (металлы, благородные газы) или небольших, но симметричных молекул. Такие соединения, как правило, не образуют некристаллических (аморфных) веществ.

Труднее выложить пространство прямоугольными кирпичами, а если у них имеются пазы и выступы? Тогда каждый кирпич можно уложить на свое место одним единственным способом. Ничего хорошего не получится и в том случае, если укладку «кирпичей» начать сразу в разных местах. Вряд ли соседние участки окажутся хорошо состыкованными. Такие же процессы происходят и при росте кристаллов (блоковые кристаллы). В природе идеальных кристаллов нет, т.к. во время роста минерального агрегата даже общий радиационный фон может послужить причиной возникновения дефектов. Однако каждое кристаллическое вещество стремится создать определенную, свойственную ему, форму кристалла. Например, для корунда, разновидностью которого является рубин (Al Cr)₂ O₃, характерны бочонкообразные и дипирамидальные кристаллы.

Структура корунда	Кристаллы корунда (справа рубин)

Структура и кристаллы алюмокалиевых квасцов

Если кристалл правильной формы специально испортить, например, отбить у него вершины, повредить ребра и грани, то при опускании в соответствующий раствор такой кристалл начнет самостоятельно «залечивать» свои повреждения. Был проведен опыт: из кристалла галита (поваренная соль) (NaCl) выточили шар, а потом поместили его в насыщенный раствор NaCl; через некоторое время шар сам постепенно превратился в куб.

Структура галита и сросток кристаллов