Cтраница 1

Физическое свойство кристалла может обладать и более высокой симметрией, чем кристалл, но оно обязательно должно включать в себя и симметрию точечной группы кристалла. Из-за анизотропии кристалла его свойства по разным направлениям различны. Однако при симметричных преобразованиях кристалл должен оставаться тождественным в отношении всех свойств, как геометрических, так и физических. Физические свойства по кристаллографически эквивалентным направлениям должны быть одинаковыми.  

Физические свойства кристаллов, как известно, неодинаковы в различных направлениях.  

Физические свойства кристалла - упругость, плотность, размеры зависят от температуры, поэтому и его собственная частота v0 также зависит от температуры.  

Физические свойства кристалла зависят, главным образом от характера химических сил, связывающих атомы в кристаллическую решетку, и в значительно меньшей степени - от конкретного расположения атомов друг относительно друга. Однако вследствие периодичности атомного строения относительно небольшие нюансы физических свойств, связанные с особенностями расположения атомов, легко обнаруживаются - они проявляются макроскопически в анизотропии кристалла. Это позволяет использовать физические свойства наряду с другими для исследования взаимного расположения атомов или молекул в ячейке кристалла.  

Рассмотрены физические свойства кристаллов в непосредственной связи с энергией и характером межатомного взаимодействия.  

Все физические свойства кристаллов оказываются связанными с их симметрией. А именно, элементы симметрии любого физического свойства кристалла должны включать элементы симметрии его точечной группы преобразований. Это утверждение носит название принципа Неймана и играет важную роль в кристаллофизике.  

Радиационное дефекты изменяют физические свойства кристаллов: ионную проводимость, плотность, твердость, оптические свойства.  

Геометрическая форма и физические свойства кристаллов определяются собственной пространственной решеткой, для которой характерны взаимное расположение частиц, образующих кристалл, расстояние и природа связи между ними.  

Радиационные дефекты изменяют физические свойства кристаллов: ионную проводимость, плотность, твердость, оптические свойства. Радиационные дефекты, образующиеся в твердых телах при невысоких температурах, представляют большой интерес, если они являются достаточно устойчивыми. Наличие устойчивых дефектов после облучения изменяет активность твердых катализаторов.  

Междузонные переходы.

Структура полос определяет физические свойства кристалла, причем все сказанное выше для одномерной цепочки справедливо it для реальных трехмерных кристаллов: кристалл имеет свойства металла, когда самая верхняя полоса из числа занятых электронами заполнена только частично.  

Однако есть такие физические свойства квантовых кристаллов, в которых большие нулевые колебания атомов играют доминируют щую роль. К таким свойствам, в первую очередь, можно отнести возможность туннельного движения атомов в кристаллической решетке, которая всецело определяется чисто квантовым эффектом туннелирования частицы сквозь потенциальный барьер. Наличие туннельного движения может вызвать перестройку основного состояния квантового кристалла.  

Чтобы применять на практике физическое свойство кристалла, нужно знать, изотропно оно или анизотропно; если анизотропно, то установить характер его анизотропии, а если возможно тензорное описание, то найти ранг тензора, характеризующего это свойство.  

: а (100), о (111), d 110)

1.Дипирамиды, т.е. формы, имеющие характер двух пирамид, сложенных своими основаниями. Такие дипирамиды отличаются количеством граней и называются так же, как простые пирамиды. Например, дигексагональная дипирамида есть простая форма, сложенная 24 гранями, причем эти грани образуют две двенадцатигранные пирамиды, сложенные своими основаниями (табл. 2, 14).

2. Скаленоэдры и трапецоэдры - простые формы, сходные с дипирамидами, но с боковыми ребрами, не лежащими в одной плоскости (табл. 2, 32, 33 и 28-30).

3.Ромбоэдр - простая форма, сложенная из шести ромбов и представляющая собой перекошенный куб (табл. 2, 31).

4.Тетраэдр - простая форма, сложенная четырьмя треугольными непараллельными гранями.

При этом форма треугольной грани может быть разносторонней (ромбический тетраэдр), равнобедренной (тетрагональный тетраэдр) и равносторонней (кубический или, в узком смысле слова, - тетраэдр) (табл. 2, 25-27).

Для простых форм кубической характерно полное замыкание пространства (закрытые формы). Из них чаще всего встречаются

1.Куб - форма, состоящая из шести квадратных граней - символ (100) (табл. 2, 34).

2. Октаэдр - форма, состоящая. из восьми равносторонних треугольных граней - символ (111) (табл. 2, 35).

3.Ромбододекаэдр - форма, состоящая из двенадцати ромбических граней- символ (110) (табл. 2, 39).

4.Тетраэдр - форма, состоящая из четырех равносторонне треугольных граней - символ (111) или (111) (табл. 2, Щ..

5.Пентагондодекаэдр - форма, состоящая из двенадцати пятиугольных граней. Символ (210) или вообще (hko) (табл.2,40).

В зависимости от условий кристаллизации каждое кристаллизующееся вещество может принять вид или простой формы или комбинации, если, кроме граней одной простой фигуры, появляются одновременно грани другой или нескольких других простых форм.

При учете того, из каких простых форм состоит данная комбинация, следует иметь в виду, что, входя в состав комбинации, грани каждой простой формы уже не имеют того типа, какой они имеют, образуя только эту простую форму. При определении названия каждой простой формы, входящей в коли и нацию, следует мысленно продолжить все грани этой формы до взаимного пересечения. Только тогда можно себе представить, какова эта определенная простая форма.

На рис. 12 изображены: а - комбинация куба и октаэдра, б - комбинация октаэдра и куба, причем октаэдр является основной формой и, наконец, в - комбинация октаэдра, куба и ромбододекаэдра.

Огранение кристалла является следствием определенной симметрии его внутреннего строения. Отсюда следует, что на кристалле могут появляться лишь такие грани, которые отвечают данному классу или виду симметрии.

Из сказанного видно, какую огромную роль играет знание кристаллографической формы минерала для его диагностики.

Кроме того, весьма существенным является тот факт, что на преимущественное развитие граней той или иной простой формы влияют и внешние условия образования кристалла: температура, концентрация в растворе или расплаве других компонентов, кислая или щелочная реакция кристаллизующейся среды, быстрота охлаждения и т. п. Отсюда следует, что вид или облик того или иного минерала (его габитус) может служить иногда хорошим критерием условий образования определенного месторождения. , позволяющие делать такие заключения, называются типоморфными.

Так, например, (СаСО 3), кристаллизующийся в классе L 3 3L 2 3РС тригональной , может иметь совершенно различный облик в зависимости от условий образования: он может давать и сильно сплющенные ромбоэдры (табл. 2, 31) и ромбоэдры более вытянутые по оси L» и, наконец, сильно вытянутые скаленоэдры (табл. 2, 33).

Изучение влияния среды на облик кристаллов является одной из интереснейших и важнейших задач генетической минералогии, позволяющей вскрывать особенности того или иного месторождения, нередко имеющего большое практическое значение.

Вторым примером могут быть кристаллы флюорита (СаF 2). При высоких температурах они образуются в виде октаэдров (табл. 2,), а при кристаллизации в низкотемпературных условиях в виде кубов (табл. 2, ).

Рис. 13. Кристаллы гипса.

В природных условиях постоянно наблюдается срастание кристаллов. Так, очень часто встречаются друзы («щетки») горного хрусталя или аметиста - группы кристаллов на общем основании (рис. 28). В друзах кристаллы срастаются в случайном положении в зависимости от условий образования. Но, кроме случайных срастаний, наблюдаются закономерные срастания кристаллов, которые получили название двойников.

Причиной, заставляющей кристаллическое тело с самого момента своего зарождения принять форму двойников, могут бы или условия кристаллизации, или изменения давления и температуры.

Различают два основных типа двойников: двойники срастания, примером которых могут служить весьма часто встречающиеся двойники гипса (рис. 13).

Рис. 14. Двойник прорастания плавикового шпата (флюорита)

Нередко наблюдаются двойники другого типа, так называемые двойники прорастания. Примером может служить двойник прорастания плавикового шпата (рис. 14), в котором два куба как бы проросли друг друга в двойниковом положении, причем двойниковой плоскостью (плоскостью срастания) служит плоскость октаэдра.

Наружная симметрия двойниковых сростков всегда отличается от симметрии отдельных индивидуумов, слагающих тот или иной сросток, так как двойниковое срастание вызывает появление таких элементов симметрии, какими отдельные индивидуумы не обладали.

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ

Как упомянуто выше, в кристаллических (анизотропных) веществах, в отличие от аморфных (изотропных), физические, а следовательно, и оптические свойства неодинаковы по разным направлениям.

К числу оптических свойств кристаллов, вытекающих из их анизотропности, относится и двойное преломление, ко торое впервые обнаружил на кристаллах прозрачного кальцита (исландского шпата) датский ученый Эразм Бартолин еще в 1670 г.

Явление это заключается в следующем. Если взять прозрачный ромбоэдр исландского шпата и положить его на бумагу с какой-либо надписью, сквозь кристалл будут видны две надписи одна над другой (рис. 15), причем буквы одной надписи видны слабее, чем другой. Явление это тем эффектнее, чем толще кристалл.

Рис. 15. Двойное лучепреломление в кристалле исландского шпата

Это замечательное свойство, столь отчетливо выраженное на исландском шпате, в действительности характерно для большинства прозрачных кристаллов (кроме кристаллов кубической ), но выражено обычно гораздо слабее. Если положить кристалл исландского шпата на бумагу, на которой находится черная точка, сделанная карандашом или чернилами, сквозь кристалл будут видны две точки. Если теперь вращать кристалл на бумаге вокругупомянутой точки, более отчетливая точка останется неподвижной, а другая, по мере вращения кристалла, будет описывать окружность вокруг первой. Каждый луч света, проходящий в этом опыте через кристалл исландского шпата в наш глаз, разделяется на два луча, которые называют: лучом обыкновенным (неподвижная точка в нашем опыте) и лучом необыкновенным (точка, которая движется вместе с кристаллом приего вращении).

Итак, всякий луч, вошедший в оптически анизотропный кристалл, распадается на два луча, идущих с разными скоростями и поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Эти явления объясняются тем, что световые колебания, совершающиеся в оптически анизотропной среде в двух взаимно перпендикулярных направлениях, встречают в кристалле различное сопротивление своему продвижению. Следствием этого оба луча пройдут через кристалл с различной скоростью, а следовательно, будут иметь и различные показатели преломления, которые, как

Рис. 16. Поляризационный микроскоп МП-2 завода „Русские самоцветы»

известно, обратно пропорциональны скоростям прохождения света через какую-либо среду. Это явление и получило название двойного светопреломления и свойственно в разной степени всем кристаллам, кроме принадлежащих к кубической сингонии и ведущих себя оптически, как тела изотропные.

Явлением двупреломления, а также и другими оптическими свойствами кристаллов широко пользуются в петрографии и минералогии для исследования минералогического состава пород и агрегатов.

Наиболее распространенным для этого исследования прибором является поляризационный микроскоп, представляющий одно из наиболее мощных орудий при исследовании пород и минералов (рис. 16). Исследование ведется или изучением мелких кри сталлических зерен или изучением тонкой (0,03 мм) пластинки породы, наклеенной на (шлиф). Непрозрачные и руды также изучаются при помощи специального микроскопа, позволяющего делать наблюдения, используя свет, отраженный от полированной поверхности образца (пришлифовки).

ОБРАЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ

Возникновение кристаллов связано с упорядочением расположения частиц в пространстве и образования ими кристаллической решетки.

Раз возникнув, кристалл не остается неизменным. Если он окружен средою, которая способна содержать то же вещество, то он будет увеличиваться в размерах — расти или, наоборот, растворятся. То или другое направление процесса будет зависеть от того, какой из этих противоположных процессов пойдет быстрее. Если частицы будут отрываться от кристалла в большем количестве, чем присоединяться к нему, кристалл будет растворяться. Если же частицы будут присоединяться к нему в большем количестве, чем отрываться от него - то кристалл будет расти. Некоторые кристаллы в природе достигают гигантских размеров. Так, на Волыни в 1945 г. был найден кристалл кварца весом 9 т. Его длина была около 2,7 м, а ширина около 1,5 м. Чаще всего кристаллы образуются из растворов холодных и горячих. Очень много кристаллов образуется при охлаждении расплавленных масс при высоких температурах. Реже кристаллы возникают из газов (иней, выделения нашатыря в вулканах). Широко распространено также образование кристаллов в твердых средах - «прекристаллизация».

Основные свойства кристаллов

Кристаллы вырастают многогранными, поскольку скорости их роста по различным направлениям различны. Если бы они были одинаковыми, то получилась бы единственная форма – шар.

Не только скорость роста, но и практически все их свойства различны по разным направлениям, т.е. кристаллам присуща анизотропия («ан» - не, «низос» - одинаковый, «тропос» - свойство), неравносвойственность по направлениям.

Например, кальцит при нагревании в продольном направлении растягивается (a=24,9·10 -6 о С -1), а в поперечном - сжимается (a=-5,6·10 -6 о С -1). В нем же есть направление, в котором тепловое расширение и сжатие компенсируют друг друга (направление нулевого расширения). Если вырезать пластинку, перпендикулярную этому направлению, то при нагревании толщина ее не будет изменяться, и она может быть использована для изготовления деталей в точном машиностроении.

У графита расширение вдоль вертикальной оси в 14 раз больше, чем в направлениях, поперечных к этой оси.

Особенно наглядна анизотропия механических свойств кристаллов. Кристаллы со слоистой структурой – слюда, графит, тальк, гипс – в направлении слоев совсем легко расщепляются на тонкие листочки, расколоть их в других направлениях несравненно труднее. Соль разбивается на мелкие кубики, испанский шпат - на ромбоэдры (явление спайности).

В кристаллах имеет место также анизотропия оптических свойств, теплопроводности, электропроводности, упругости и др.

В поликристалле , состоящем из ориентированных случайно многих монокристальных зерен, анизотропия свойств отсутствует.

Еще раз необходимо подчеркнуть, что аморфные вещества также изотропны .

В некоторых кристаллических веществах может проявляться и изотропность. Например, распространение света в кристаллах кубической сингонии происходит с одинаковой скоростью в разных направлениях. Можно сказать, что такие кристаллы оптически изотропны, хотя в этих кристаллах может наблюдаться анизотропия механических свойств.

Однородность – свойство физического тела быть одинаковыми во всем объеме. Однородность кристаллического вещества выражается в том, что любые участки кристалла одинаковой формы и одинаково ориентированные, характеризуются одними и теми же свойствами.

Способность самоограняться – способность кристалла в благоприятных условиях принимать многогранную форму. Описывается законом постоянства углов Стенона.

Плоскогранность и прямобедренность . Поверхность кристалла ограничена плоскостями или гранями, которые, пересекаясь, образуют прямые линии – ребра. Точки пересечения ребер образуют вершины.

Грани, ребра, вершины, а также двухгранные углы (прямые, тупые, острые) являются элементами внешнего ограничения кристаллов. Двухгранные углы (это две пересекающиеся плоскости), как указывалось выше, для данного типа вещества являются константой.

Формула Эйлера устанавливает взаимосвязь между элементами ограничения (только простые закрытые формы):

Г + В = Р + 2,

Г – количество граней,

В – количество вершин,

Р – количество ребер.

Например, для куба 6+8=12+2

Ребра кристаллов соответствуют рядам решетки, грани – плоским сеткам.

Симметрия кристаллов .

«Кристаллы блещут своей симметрией», - писал великий русский кристаллограф Е.С. Федоров.

Симметрия – закономерная повторяемость равных фигур или равных частей одной и той же фигуры. «Симметрия» - с греч. «соразмерность» соответственных точек в пространстве.

Если геометрический объект в трехмерном пространстве повернут, смещен или отражен и, при этом, он в точности совместился сам с собой (преобразовался в себя), т.е. остался инвариантен к приложенному к нему преобразованию, то объект является симметричным, а преобразование симметрическим.

При этом могут быть случаи совмещения:

1. Совмещение равных треугольников (или других фигур) происходит путем поворота их по часовой стрелке на 180 о и наложении одного на другой. Такие фигуры называются совместимо-равные. Пример – одинаковые перчатки (левые или правые).

Рассматривая различные кристаллы мы видим, что все они разные по форме, но любой из них представляет симметричное тело. И действительно, симметричность - это одно из основных свойств кристаллов. Симметричными мы называем тела, которые состоят из равных одинаковых частей.

Все кристаллы симметричны. Это значит, что в каждом кристаллическом многограннике можно найти плоскости симметрии, оси симметрии, центры симметрии и другие элементы симметрии так, чтобы совместились друг с другом одинаковые части многогранника. Введем еще одно понятие относящиеся к симметрии - полярность.

Каждый кристаллический многогранник обладает определенным набором элементов симметрии. Полный набор всех элементов симметрии, присущих данному кристаллу называется классом симметрии. Их количество ограничено. Математическим путем было доказано, что в кристаллах существует 32 вида симметрии.

Рассмотрим более подробно виды симметрии в кристалле. Прежде всего, в кристаллах могут быть оси симметрии только 1, 2, 3, 4 и 6 порядков. Очевидно, оси симметрии 5, 7-го и выше порядков не возможны, потому что при такой структуре атомные ряды и сетки не заполнят пространство непрерывно, возникнут пустоты, промежутки между положениями равновесия атомов. Атомы окажутся не в самых устойчивых положениях и кристаллическая структура разрушится.

В кристаллическом многограннике можно найти разные сочетания элементов симметрии - у одних мало, у других много. По симметрии, прежде всего по осям симметрии, кристаллы делятся на три категории.

К высшей категории относятся самые симметричные кристаллы, у них может быть несколько осей симметрии порядков 2, 3 и 4, нет осей 6-го порядка, могут быть плоскости и центры симметрии. К таким формам относятся куб, октаэдр, тетраэдр и др. Им всем присуща общая черта: они примерно одинаковы во все стороны.

У кристаллов средней категории могут быть оси 3, 4 и 6 порядков, но только по одной. Осей 2 порядка может быть несколько, возможны плоскости симметрии и центры симметрии. Формы этих кристаллов: призмы, пирамиды и др. Общая черта: резкое различие вдоль и поперек главной оси симметрии.

Из кристаллов к высшей категории относятся: алмаз, кварцы, гранаты германий, кремний, медь, алюминий, золото, серебро, серое олово вольфрам, железо; к средней категории - графит, рубин, кварц, цинк, магний, белое олово, турмалин, берилл; к низшей - гипс, слюда, медный купорос, сегнетовая соль и др. Конечно в этом списке не были перечислены все существующие кристаллы, а только наиболее известные из них.

Категории в свою очередь разделяются на семь сингоний. В переводе с греческого «сингония» означает «сходноугольство». В сингонию объединяются кристаллы с одинаковыми осями симметрии, а значит, со сходными углами поворотов в структуре.

Сначала стоит упомянуть два основных свойства кристаллов. Одним из них является анизотропия. Под этим термином подразумевается изменение свойств в зависимости от направления. Вместе с тем кристаллы являются телами однородными. Однородность кристаллического вещества состоит в том, что два его участка одинаковой формы и одинаковой ориентировки одинаковы по свойствам.

Поговорим сначала об электрических свойствах. В принципе электрические свойства кристаллов можно рассматривать на примере металлов, так как металлы, в одном из состояний, могут представлять собой кристаллические агрегаты. Электроны, свободно передвигаясь в металле, не могут выйти наружу, для этого нужно затратить энергию. Если при этом затрачивается лучистая энергия, то эффект отрыва электрона вызывает так называемый фотоэлектрический эффект. Аналогичный эффект наблюдается и в монокристаллах. Вырванный из молекулярной орбиты электрон, оставаясь внутри кристалла, обуславливает у последнего металлическую проводимость (внутренний фотоэлектрический эффект). В нормальных же условиях (без облучения) такие соединения не являются проводниками электрического тока.

Поведением световых волн в кристаллах занимался Э. Бертолин, который первый заметил, что волны ведут себя нестандартно при прохождении через кристалл. Однажды Берталин зарисовывал двугранные углы исландского шпата, затем он положил кристалл на чертежи, тогда ученый в первый раз увидел, что каждая линия раздваивается. Он несколько раз убедился, что все кристаллы шпата раздваивают свет, лишь тогда Берталин написал трактат «Опыты с двупреломляющим исландским кристаллом, которые привели к открытию чудесного и необыкновенного преломления» (1669г.). Ученый разослал результаты своих опытов в несколько стран отдельным ученым и академиям. Работы были приняты с полным недоверием. Английская Академия наук выделила группу ученых на проверку данного закона (Ньютон, Бойль, Гук и др.). Эта авторитетная комиссия признала явление случайным, а закон несуществующим. О результатах опытов Берталина было забыто.

Лишь через 20 лет Христиан Гюйгенс подтвердил правильность открытие Берталина и сам открыл двупреломление в кварце. Многие ученые, в последствии занимавшиеся этим свойством подтвердили, что не только исландский шпат, но и многие другие кристаллы раздваивают свет.

Не раздваивают свет кристаллы высшей категории такие как алмаз, каменная соль, квасцы, гранаты, флюорит. У них вообще анизотропия многих свойств проявляется слабее, чем в остальных кристаллах а некоторые свойства изотропны. Во всех кристаллах низшей и средней категорий, если они прозрачны, наблюдается двойное преломление света.

Преломление возникает из-за различия скорости света в разных средах. Так в стекле скорость света в 1,5 раза меньше, чем в воздухе, следовательно, коэффициент преломления равен 1,5.

Причиной двупреломления является анизотропия скорости света в кристаллах. В изотропной среде волны расходятся во все стороны одинаково, как бы по радиусам шара. В кристаллах же световые и звуковые волны расходятся не кругами, и скорость этих волн, а значит и показатели преломления, в разных направлениях различны.

Представим, что в кристалле луч света раздваивается, один ведет себя как «обыкновенный», т.е. идет во все стороны по радиусам шара, другой - «необыкновенный» - идет по радиусам эллипсоида. В таком кристалле существует одно-единственное направление, в котором двупреломления нет. Обыкновенный и необыкновенный лучи идут вместе, луч света не раздваивается. Оно называется оптической осью. Так ведут себя по отношению к свету кристаллы средней категории, поэтому их называют оптически одноосными. В кристаллах низшей категории свет тоже испытывает двойное преломление, но уже оба луча ведут себя как необыкновенные, у обоих показатели преломления во всех направлениях разные и оба распространяются по радиусам эллипсоида. Кристаллы низшей категории называются оптически двуосными. Кристаллы высшей категории, где свет расходится по радиусам шара во все стороны одинаково, называются оптически изотропны.

Проходя через двупреломляющий кристалл, волна света не только раздваивается, но каждый из образованных лучей еще и поляризуется, раскладываются на две плоскости перпендикулярных друг другу. Волна ведет себя подобным образом, т.к. она должна пройти сквозь атомную решетку, ряды которой лежат перед ней. Поэтому она распадается в кристалле на две волны, у которых плоскости колебаний взаимно перпендикулярные.

Такие свойства твёрдых тел как упругость, прочность, поверхностное натяжения определяются силами взаимодействия между атомами и строением кристаллов. Изучая силы межатомного взаимодействия, можно, например, определить величину модуля упругости, предела прочности материала, энергии связи кристалла и коэффициента поверхностного натяжение.

Таким образом, оцениваются характеристики любых твёрдых тел, но проще всего это сделать для идеальных ионных кристаллов. В решетке таких кристаллов периодически чередуются положительные и отрицательные ионы. Для оценки, прежде всего, необходимо выяснить величину силу единичной межатомной связи, которая в ионных кристаллах определяется силой взаимодействия между двумя ионами.

Зависимость сил межатомного взаимодействия от расстояния между центрами атомов в твёрдых телах заключается в следующем:

1) Между атомами одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания. Результирующая сила межатомного взаимодействия - сумма этих двух сил.

2) При уменьшении расстояния между атомами силы отталкивания нарастают значительно быстрее, чем силы притяжения, поэтому существует некоторое расстояние, при котором силы притяжения и силы отталкивания уравновешиваются и результирующая сила становится равной нулю. В кристалле, предоставленном самому себе, ионы располагаются именно на расстоянии r0 друг от друга. Если расстояние между атомами меньше равновесного (r меньше r0), то преобладают силы отталкивания, если (r больше r0), то преобладают силы притяжения.

Эти свойства межатомных сил позволяют условно рассматривать частицы, образующие кристалл как твердые упругие шары, взаимодействующие друг с другом. Деформация растяжения кристалла приводит к увеличению расстояния между центрами соседних шаров и преобладанию сил притяжения, а деформация сжатия - к уменьшению этого расстояния и преобладанию сил отталкивания.

Пределом прочности обычно называют наибольшее напряжение, которое может выдержать материал, не разрушаясь. При растяжении образца предел прочности определяется максимальной величиной результирующей силы межатомного притяжения, приходящейся на единицу площади сечения, перпендикулярного направлению растяжения.

Результирующая сила межатомного взаимодействия достигает максимального значения, когда центры атомов находятся на расстоянии r1 друг от друга. Когда растяжение ещё более увеличивается, силы взаимодействия становятся настолько малыми, что связи между атомами разрываются.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

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.

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

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 (Al 2 O), отличающийся резко различной твердостью по неодинаковым направлениям. Вдоль удлинения кристаллы дистена легко царапаются лезвием ножа, в направлении перпендикулярном удлинению, нож не оставляет никаких следов.

Рис. 1 Кристалл дистена

Минерал кордиерит (Mg 2 Al 3 ). 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

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.

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?

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.

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.

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.

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).

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) 4 O 10 (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} {Al 2 Si 2 или AlSi 3 } О 8))

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 (Са 5 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(SiO 2)

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).

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.

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).

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.

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.

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.

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)

Подобные документы

Кристаллическое и аморфное состояния твердых тел, причины точечных и линейных дефектов. Зарождение и рост кристаллов. Искусственное получение драгоценных камней, твердые растворы и жидкие кристаллы. Оптические свойства холестерических жидких кристаллов.

реферат , добавлен 26.04.2010


Жидкие кристаллы как фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях, их основные физические свойства и факторы, на них влияющие. История исследования, типы, использование жидких кристаллов в производстве мониторов.

контрольная работа , добавлен 06.12.2013


Особенности и свойства жидкокристаллического состояния вещества. Структура смектических жидких кристаллов, свойства их модификаций. Сегнетоэлектрические характеристики. Исследование геликоидальной структуры смектика C* методом молекулярной динамики.

реферат , добавлен 18.12.2013


История развития представления о жидких кристаллах. Жидкие кристаллы, их виды и основные свойства. Оптическая активность жидких кристаллов и их структурные свойства. Эффект Фредерикса. Физический принцип действия устройств на ЖК. Оптический микрофон.

учебное пособие , добавлен 14.12.2010


Рассмотрение истории открытия и направлений применения жидких кристаллов; их классификация на смектические, нематические и холестерические. Изучение оптических, диамагнитных, диэлектрических и акустооптических свойств жидкокристаллических веществ.

курсовая работа , добавлен 18.06.2012


Определение жидких кристаллов, их сущность, история открытия, свойства, особенности, классификация и направления использования. Характеристика классов термотропных жидких кристаллов. Трансляционные степени свободы колончатых фаз или "жидких нитей".

реферат , добавлен 28.12.2009


Кристаллы - реальные твердые тела. Термодинамика точечных дефектов в кристаллах, их миграция, источники и стоки. Исследование дислокации, линейного дефекта кристаллической структуры твёрдых тел. Двумерные и трехмерные дефекты. Аморфные твердые тела.

доклад , добавлен 07.01.2015


презентация , добавлен 29.09.2013


Понятие и основные черты конденсированного состояния вещества, характерные процессы. Кристаллические и аморфные тела. Сущность и особенности анизотропии кристаллов. Отличительные черты поликристаллов и полимеров. Тепловые свойства и структура кристаллов.

курс лекций , добавлен 21.02.2009


Оценка вязкостно-температурных свойств (масел). Зависимость температуры вспышки от давления. Дисперсия, оптическая активность. Лабораторные методы перегонки нефти и нефтепродуктов. Теплота плавления и сублимации. Удельная и молекулярная рефракция.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства