3. Закономерности внешней формы кристаллов.

К чему же приводит упорядоченное размещение частиц в кристалле?

Следствием закономерного размещения частиц в кристаллах является их правильная внешняя форма.

Это подтверждается следующими опытами.

Опыт 1. У монокристалла какой-нибудь соли, например, медного купороса, отбивают углы, взвешивают его и помещают в насыщенный раствор той же соли.

Примечание. Насыщенным называется раствор, находящийся в равновесии с растворенным веществом.

Если закрыть сосуд крышкой, чтобы жидкость не испарялась, и поддерживать температуру раствора постоянной, то помещенный в раствор кристаллик не будет ни расти, ни растворяться.

p₁ = p₂

Внимание! Если через большой промежуток времени вынуть кристаллик из раствора и снова его взвесить, то окажется, что вес его не изменится (p₁ = p₂). Однако, если мы обратим внимание на форму кристаллика, то вместо испорченного нами кристаллика с отбитыми углами, снова увидим кристаллик правильной формы.

Оттуда следует 2 вывода:

Вывод 1. Равновесие кристаллика с насыщенным раствором было динамическим – одни молекулы соли переходили с поверхности кристаллика в раствор, а другие уходили из раствора и осаждались на кристаллике, причём числа тех и других были одинаковыми.

Вывод 2. Молекулы, которые осаждались на кристаллике, размещались на нём таким образом, чтобы кристаллик принял правильную форму.

Опыт 2. Если выточить из кристаллика каменной соли шар и выдержать его некоторое время при температуре на несколько градусов ниже точки плавления (770 ⁰С), то на шаре появятся крохотные площадки граней, которые, постепенно расширяясь, превратят шар в куб.

Этот процесс происходит без притока строительных материалов извне и не сопровождается изменением объёма.

Рассмотренный опыт был проведён П.Т. Лукирским, который дал ему такое объяснение:

Ионы натрия и ионы хлора движутся по поверхности шара, оставляя одни места и закрепляясь на других, в результате чего они в конце концов образуют кристалл правильной формы.

Теперь об особенностях внешней формы кристаллов.

Существенными особенностями внешней формы кристалла являются следующие:

1. Наличие плоских граней (огранка).

2. Прямолинейность рёбер.

3. Постоянство углов между соответствующими гранями (грань – плоская поверхность).

4. Постоянство углов между соответствующими рёбрами (пересечениями поверхности).

Ещё в XVI веке Стено сформулировал закон постоянства углов кристалла.

Определение. У различных кристаллов одного и того же вещества величина и форма граней, их взаимные расстояния и число могут изменяться, но углы между соответствующими гранями при этом остаются постоянными.

Современники Стено не обратили внимания на это открытие и вскоре о нём забыли. Почти через 100 лет, в 1763 году М.В. Ломоносов в «практате о слоях земных» снова независимо от Стено, установил закон постоянства углов кристалла.

Ромэ де Лиль вновь открыл этот закон независимо от Стено и Ломоносова, и подтвердил его точными кристаллографическими измерениями. Стено открыл закон постоянств углов на кристаллах двух минералов – кварца и гематита.

Роме де Лиль описал около 500 кристаллов. Однако Роме де Лиль был просто наблюдателем. Он не предложил никаких обобщений и гипотез, которые могли бы объяснить результаты наблюдений.

Объяснение наблюдаемых закономерностей дал М.В. Ломоносов.

Располагая гораздо меньшим экспериментальным материалом, М.В. Ломоносов пришёл к очень важному выводу:

Правильная внешняя форма кристаллов связана с закономерными размещением частиц, образующих кристалл.

Учение Ломоносова о наличии тесной связи между внешней формой кристаллов и их внутренним строением было гениальной догадкой Ломоносова, но лишь догадкой, гипотезой.

Эту гипотезу обосновал Е.С. Фёдоров, основоположник кристаллохимического анализа, позволяющего определять по внешней форме кристалла его химический состав.

Идеи Федорова развил А.В. Шубников, он впервые чётко сформулировал существование тесной связи между химическим составом кристалла и его симметрией.

Симметрия – соразмерность, пропорциональность в расположении частей чего-нибудь по обе стороны от середины или центра.

Учение о внешней форме кристаллов получило название Морфология.

Морфология имеет существенное значение для решения проблем искусственного выращивания кристаллов с заданными свойствами.

Следует отметить, что кристаллы приобретают правильную форму только при условии свободного роста, поскольку внешние воздействия могут её искажать.

Внешними воздействиями, мешающими кристаллам принимать правильную форму в процессе роста, являются неравномерность распределения температуры, неодинаковость концентрации вещества в различных местах раствора, примеси посторонних веществ, механические препятствия и др.

В результате одни грани могут развиваться больше, другие – меньше, чем нужно для того, чтобы кристалл принял правильную форму.

Для описания кристаллических структур используется модель пространственной решётки, с которой мы познакомимся при изучении следующей темы.

Основные понятия и выводы, которые следует запомнить:

1. Кристаллы входят в группу веществ, находящихся в твёрдом агрегатном состоянии – это конденсированные системы.

2. Большинство твёрдых тел в природе имеет кристаллическое строение.

3. Кристаллы состоят из частиц (атомов, ионов, молекул), но они имеют свойства, каких нет у отдельных частиц.

4. Кристалл нельзя рассматривать просто как сумму молекул. Он ведёт себя как организованный коллектив молекул.

5. Существенной особенностью расположения частиц в кристаллах является периодическое повторяемость одинаковых частиц, из которых построен кристалл.

6. Вследствие упорядоченного размещения частиц кристаллы приобретают такие свойства, каких нет у некристаллических тел.

Эти свойства:

- правильная форма (наличие плоских граней (огранки), прямолинейность рёбер);

постоянство углов между соответствующими гранями и ребрами.

7. Основное свойство кристалла – упорядоченность размещения в нём частиц.

8. Закон постоянства углов кристалла: У различных кристаллов одного и того же вещества величина и форма граней, их взаимные расстояния и число могут изменяться, но углы между соответствующими гранями при этом остаются постоянными.

Впоследствии это учение было развито Е.С. Фёдоровым, А.В.Шубниковым.

Учение о внешней форме кристаллов получило название – морфология.

Последнее определение кристалла принадлежит Г.В. Вульру (1863-1925).

Кристаллом называется твёрдое тело, ограниченное в силу своих внутренних свойств плоскими поверхностями – гранями.

Кристаллография – наука о законах кристаллического строения твёрдого тела.