Повна версія

Головна arrow Природознавство arrow ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

КРИСТАЛІЧНИЙ СТАН РЕЧОВИНИ

Істинно твердим, незалежно від ступеня твердості, вважається кристалічний стан. Для кожної речовини кристалічний стан характеризується зовнішньою формою утворюваних нею кристалів і закономірним розташуванням атомів всередині кристала. Таким чином, зовнішня форма є відображенням внутрішньої будови.

Розділ науки, що вивчає форму кристалів, називається кристаллографией.Кристалографія тісно пов'язана з хімією, мінералогією, фізикою та математикою. Внутрішня будова кристалів в хімічному аспекті вивчається кристаллохимия, але це також прикордонний розділ науки, в якому особливо важливу роль відіграє математика. Вище було зазначено, що початок вивченню структури твердого стану речовини методом дифракції рентгенівських променів було покладено М. Лауе в 1912 р По розташуванню темних штрихів і крапок дифрактограми, відображеної на фотоплівці, в результаті складної математичної обробки, що займала на початковому етапі застосування методу місяці, стали визначати координати атомів в кристалах. Спочатку число речовин, вивчених рентгеноструктурньїм методом, росло досить повільно. Але після широкого впровадження комп'ютерів і створення необхідних програм визначення кристалічних структур надзвичайно прискорилося. Тепер структурному вивченню піддають майже всі нові речовини.

Кожна речовина утворює кристали цілком певної форми. Так, хлорид натрію кристалізується у вигляді кубів, галун KA1 (S0 4 ) 2 12H 2 0 - у вигляді октаедрів, селітра KN0 3 - у вигляді призм (рис. 8.1). Форма кристалів є одним їх характерних властивостей речовини.

Форма кристалів солей

Мал. 8.1. Форма кристалів солей:

а - кухонна сіль, б - галун, в - селітра

Найбільш дивно різноманітність кристалів в природі. Мінерали, тобто природні неорганічні речовини, часто зустрічаються у вигляді великих, добре освічених кристалів різних забарвлень. Це ті «камені самоцвіти», які з давніх часів звертали на себе увагу людини, дивували, змушували робити пошуки, заглиблюватися в підземні копальні. Цікаві кристали можна знайти майже повсюдно в пустотах розколовся каменів.

Великі, добре освічені кристали виростають у відповідних умовах з розплавів і розчинів. Однією з умов є мала швидкість росту. Завдяки великій тривалості геологічних процесів кристали утворюються в природі. Розроблено технологічні процеси отримання монокристалів, тобто великих кристалів з мінімальним числом внутрішніх дефектів. Монокристали можуть виходити, наприклад, при зонної плавці речовини. Для більшості технічних цілей важливо досконалість внутрішньої структури. Тому не має значення, що при зонної плавці виходить монокристал циліндричної форми. Як відомо, в разі необхідності кристали піддаються огранювання механічними способами.

У найпростіших лабораторних умовах вдається виростити великі кристали лише деяких солей. Наприклад, в відфільтрованому насиченому розчині квасцов підвішують на нитці невеликий, близько 1-2 мм в діаметрі, кристалик речовини. Розчин захищають від попадання пилу фільтрувальної папером. У міру випаровування води кристал росте протягом декількох днів або навіть тижнів.

Зростання кристала відбувається в результаті зіткнення частинок речовини з розплаву або розчину з твердою поверхнею. Якщо частка займає на поверхні деяку позицію з мінімальною потенційною енергією, то вона як би закріплюється і стає складовою частиною кристала. У будь-якому іншому випадку зв'язок частинки з поверхнею виявляється не міцною, і вона повертається в рідку фазу. Его можна порівняти зі збиранням піраміди з кубиків. Погано покладений кубик скочується і не входить до складу споруди. При швидкому нарощуванні поверхні, наприклад в разі швидкого падіння температури в концентрованому розчині, частинки виявляються в випадкових позиціях, на них осідають нові шари, застряють частинки домішок і виходять кристали з безліччю внутрішніх і зовнішніх дефектів.

Форма кристалів може бути дуже різноманітною, так як вони утворюються як у вигляді простих багатогранників, так і у вигляді всіляких комбінацій пірамід і призм з різним числом граней. Своєрідність кристалів полягає в їх симетрії.

Симетрія - це властивість геометричного об'єкта збігатися з самим собою при поворотах і відображеннях.

Елементами симетрії кристалів є поворотні осі різних порядків - другого, третього, четвертого і шостого, площині відображення, центр інверсії і їх комбінації. Наявність центру інверсії означає, що об'єкт збігається з самим собою при перенесенні кожної його точки через центр по прямій лінії на рівну відстань. Найвищої симетрією мають куб і октаедр. Розглянемо куб (рис. 8.2). Через середини протилежних граней у нього проходять три осі четвертого порядку; через протилежні вершини проходять чотири осі третього порядку і через середини протилежних ребер шість осей другого порядку. Крім того, по діагоналях протилежних граней і через середини паралельних ребер проходять 12 площин симетрії. Куб має також центр інверсії.

Речовини іноді кристалізуються у вигляді тетраедрів, тобто правильних тригранних пірамід. У тетраедра є чотири осі третього порядку, що проходять через вершини і середини протилежних граней, три осі другого порядку, що проходять через середини протилежних ребер, і шість площин симетрії, що проходять через ребро і медіану протилежній грані. Крім того, в тетраедра є три інверсійні осі четвертого порядку, що проходять через середини протилежних ребер. Дія цих осей можна розділити на поворот на 90 ° і подальшу інверсію.

Елементи симетрії куба

Мал. 8.2. Елементи симетрії куба:

показано але одній осі другого, третього і четвертого порядків і по одній площині; площину абвг проходить через середини ребер, площину abed - через протилежні ребра

Класифікація кристалічних форм заснована на сполученнях елементів симетрії. Зазвичай розглядають сім кристалічних систем, або сингоний. У порядку зниження симетрії вони мають такі назви: кубічна, гексагональна, трігональная, тетрагональна, ромбічна, Моноклінна, тріклінная. Ми вже розглянули набір елементів симетрії куба, що відноситься до найвищої за симетрії сингонії - кубічної. У триклинной, тобто нижчої сингонії, може бути тільки один елемент симетрії - центр інверсії. Приклади найпростіших багатогранників для різних сингоний показані на рис. 8.3.

Природні кристали, а також кристали, одержувані штучним шляхом, рідко в точності відповідають правильним геометричним формам. Зазвичай при затвердінні розплавленого речовини відбувається зрощення дрібних кристалів, що перешкоджає реалізації їх правильної форми. Таку структуру майже завжди мають метали. Характерний приклад олова. При згинанні відлитих з олова паличок чути хрускіт, пояснюються взаємним переміщенням дрібних кристалів. При виділенні кристалів з розчину зазвичай спостерігається лише часткове освіту правильних кристалічних граней, так як виникають корки з тісно розташованих кристалів. Саме такого типу кристали виявляються в пустотах каменів. Однак як би нерівномірно не відбувалося розвиток кристала, як би не була спотворена його форма, кути, під якими сходяться межі кристала даної речовини, завжди залишаються одними

S3. Кристалічні системи (сингонії)

Мал. S3. Кристалічні системи (сингонії)

і тими ж. Це один з основних законів кристалографії - закон постійності гранних кутів. За величиною гранних кутів можна встановити, якою речовиною утворений даний кристал. Взагалі форма кристалів служить одним з ознак, за якими ідентифікується речовина. Наприклад, при змішуванні розчинів хлориду кальцію і сульфату натрію відбувається повільне утворення кристалів гіпсу:

При розгляданні в мікроскоп кристали виявляються дрібними безбарвними голочками. Безбарвні кристалічні опади утворюють багато речовин, але поява саме таких голочок означає, що у вихідних розчинах були сіль кальцію і сульфат якогось металу.

В фізичні властивості монокристалів проявляється важлива особливість, яка полягає в тому, що деякі властивості залежать від обраного напрямку в кристалі. Явище залежності властивостей від напрямку називають анізотропією.

Якщо вирізати з кубічного кристала хлориду натрію два бруска однакового розміру, один в напрямку, перпендикулярному грані куба, а інший по діагоналі куба (рис. 8.4), то ці бруски виявлять різну міцність на розрив. Якщо перший брусок зруйнується під дією сили в 1000 Н, то для другого бруска такий же результат буде отримано йод дією сили в 2,5 рази більшою. Очевидно, що в кристалах цієї солі зчеплення між частинками в напрямку, перпендикулярному гранях куба, менше, ніж в напрямку діагоналі куба.

Бруски, вирізані з кристалів природного NaCl

Рис . 8.4. Бруски, вирізані з кристалів природного NaCl

(Кам'яної солі):

а - в напрямку, перпендикулярному гранях куба;

6 - в напрямку діагоналі однієї з граней

У багатьох кристалах відмінність між величиною зчеплення за різними напрямками настільки велике, що кристал легко розколюється або навіть розшаровується за певними площинах. Це властивість кристалів називається спайностью. Приклад спайности - розшарування слюди KAl2 (OH) 2 Si3AlO 10 на найтонші платівки.

У кристалах з низькою симетрією світло поширюється в різних напрямках з різною швидкістю, в результаті чого виникають два або три різних показника заломлення. Анізотропія властивостей спостерігається також і в відношенні теплопровідності. Якщо покрити платівку слюди шаром воску і доторкнутися до неї кінцем нагрітого шила, то віск плавиться навколо цього місця, утворюючи еліпс (рис. 8.5). З досвіду випливає, що кристал слюди проводить теплоту в двох взаємно перпендикулярних напрямках з різною швидкістю, що призводить до еліптичної форми ділянки розплавленого воску.

Зона плавлення шару воску на поверхні слюди

Мал. 8.5. Зона плавлення шару воску на поверхні слюди

 
<<   ЗМІСТ   >>