2.1. Кристали та їх властивості
2.1.1. Будова кристалу
Більшість твердих тіл в природі мають кристалічну будову.
Характерна риса кристалічного стану, що відрізняє його від рідкого і газоподібного стану є наявність анізотропії – залежності ряду фізичних властивостей (механічних, теплових, електричних, оптичних) від напряму.
Тіла, властивості яких однакові у всіх напрямках, називаються ізотропними. Ізотропи, окрім газів і, за окремими виключеннями, всіх рідин, також аморфні тверді тіла (які представляють собою переохолоджені рідини).
Причиною анізотропії кристалів служить впорядковане розташування частинок (атомів чи молекул), з яких вони складаються. Впорядковане розташування частинок проявляється у правильній зовнішній огранці кристалів. Кристали обмежені плоскими гранями, що перетинаються під деякими, визначеними для кожного даного роду кристалів, кутами. Розколювання кристалів може легше відбуватися по визначеним площинам, що називаються площинами спайності.
Правильність геометричної форми і анізотропія кристалів зазвичай не проявляються, оскільки кристалічні тіла зустрічаються, як правило у вигляді полікристалів – конгломератів багатьох, зрісшихся між собою хаотично орієнтованих дрібних кристалів. В полікристалах анізотропія спостерігається лише в межах кожного окремо взятого кристала, тіло ж вцілому внаслідок хаотичної орієнтації кристалів, анізотропію не виявляє.
Створивши спеціальні умови кристалізації з розплаву чи розчину, можна отримати великі одиночні кристали – монокристали будь-якої речовини.
Рис. 1
2.1.2. Класи і типи кристалів
Кристалічна гратка, як правило, має одночасно декілька видів симетрії. Проте не кожне сполучення елементів симетрії виявляється можливим. Можливі 230 комбінацій елементів симетрії, що отримали назву просторових груп. Ці 230 просторових груп за ознаками симетрії розбиваються на 32 класи. І нарешті, за формою елементарної комірки всі кристали поділяють на 7 кристалографічних систем (або сингоній), кожна з яких включає в себе декілька класів симетрії.
В порядку зростання симетрії кристалографічні системи розташовані наступним чином:
1. Триклічна система:
.
Елементарна комірка має форму косокутного паралелепіпеда
2. Моноклінна система:
.
Пряма призма, в основі якої лежить паралелограм (тобто прямий паралелепіпед).
Ромбічна система:
.
Прямокутний паралелепіпед.
Тетрагональна система:
.
Пряма призма з квадратом в основі.
Ромбоедрична (тригональна) система:
.
Куб, деформований стисканням, або розтягом вздовж діагоналі.
Гексагональна система:
.
Якщо скласти разом три елементарні комірки, то одержимо правильну шестигранну призму.
Кубічна система:
.
В залежності від природи частинок, що містяться у вузлах кристалічних граток і від характеру сил взаємодії між частинками розрізняють 4 типи кристалічних граток і відповідно, 4 типи кристалів: іонні, атомні, металічні та молекулярні.
1. іонні кристали (NaCl – кам’яна сіль). У вузлах кристалічних граток – іони різних знаків. Сили взаємодії переважно електростатичні (кулонівські).
Зв’язок обумовлений електростатичними силами притягання між різнойменно зарядженими іонами називається гетерополярним (або іонним).
2. атомні кристали (алмаз, графіт). У вузлах кристалічні гратки - нейтральні атоми.
Зв’язок, що об’єднує в кристалі (а також в молекулі) нейтральні атоми, називаються гомеополярним (або ковалентним).
Сили взаємодії при гомеополярному зв’язку також мають кулонівський характер.
Кожний іон діє на всі достатньо близькі до нього йони. Дія направлена на той атом, з яким у даного атома є спільна електронна пара.
Гомеополярний зв’язок здійснюється лише валентними (найменш зв’язаними з атомом) електронами. Оскільки кожен електрон може забезпечити зв’язок лише з одним атомом, число зв’язків, в яких може брати участь даний атом, дорівнює його валентності.
3. металічні кристали. У всіх вузлах кристалічної гратки – позитивні йони металу, між ними хаотично подібно до молекул газу, рухаються електрони, відщеплені від атомів при утворенні іонів. Ці електрони грають роль ”цементу”, утримуючи разом позитивні йони; в супротивному випадку гратка розпалася б піл дією сил відштовхування між йонами.
Разом з тим, і електрони утримуються йонами в межах гратки і не можуть її покинути.
4.молекулярні кристали. У вузлах кристалічної гратки поміщені певним чином орієнтовані молекули. Сили зв’язку між молекулами в кристалі мають ту саму природу, що й сили притягання між молекулами, яка призводять до відхилення газів від ідеальності. По цій причині, їх називають ван-дер-вальсовськими силами.