КРИСТАЛЛЫ

Все окружающие нас тела делятся на плазму, жидкие, газы и твердые, которые подразделяются на амфотерные и твердые тела в кристаллическом состоянии. Они разделяются два типа: монокристаллы (одиночные кристаллы, имеющие макроскопическую упорядоченную кристаллическую решетку) и поликристаллы (совокупности сросшихся маленьких кристаллов). В курсе физики кристаллами называют твердые тела с природной правильной, симметричной, многогранной формой, частицы которых занимают обусловленные, упорядоченные положения в пространстве, и изучает их кристаллография. Выбранная тема очень актуальна в наше время. Изучив определение кристалла, его структуру, основные свойства, можно так же выяснить как растут в природе некоторые кристаллы, применяемые в строительстве, и каким образом их получают искусственно. Цель исследования – установить, как растут некоторые кристаллы, используемые в строительстве.

Ученые Р. Гук и Х. Гюйгенс построили правильный многогранник из плотно уложенных сферических частиц. Наружный вид кристаллов - это результат плотной упаковки частиц. К этому же выводу независимо от них пришел М. Ломоносов. Второй слой частиц смещается сравнительно основного в пространстве, потому что укладывать его следует в промежутках между частицами главного слоя. Третий слой располагаем либо в промежутки, расположенные над частицами основного слоя, либо в промежутки, не расположенные именно над шарами главного слоя. По теории плотной упаковки, на самом деле должны наблюдаться кристаллы только в виде шестигранных призм и кубов, но это не так. Понять устройство кристаллов трудно, представляя лишь объемную модель их структуры, из-за этого строение кристаллов изображают с помощью пространственной кристаллической решетки, которая является одним из основных элементов кристалла. В состав кристалла также входит и элементарная ячейка – часть кристаллической решетки, с помощью которой последовательным переносом можно создать целый кристалл. Частицы вещества совершают колебания относительно положения равновесия, которые называются узлами кристаллической решетки. Чтобы представить кристалл, хватает знаний о строении элементарной ячейки. Для любого вещества характерен свой узор, свой порядок расположения частиц.

Кристаллограф А. Гадолин систематизировал кристаллы, объяснил их свойства на основе симметрии и обнаружил, что существует в целом 32 идеальной формы симметрии кристаллов. Один из законов кристаллографии - любое кристаллическое вещество должно принадлежать к какому-либо виду симметрии.

Ни форма, ни размер граней, ни цвет не являются существенными признаками предоставленного вещества, т.к. зависят от примесей. Углы между близлежащими гранями постоянны. Кристаллы галита (каменной соли) имеют разную, иногда сложную форму, но все время грани перпендикулярны друг другу. Грани кварца пересекаются под углом 120°. Закон постоянства углов, открытый Н. Стено, - один из важнейших законов науки о кристаллах — кристаллографии. Знание углов между гранями кристаллов дает большое прикладное значение, ведь по итогам измерений можно точно определить состав минерала, найдя его по особому химическому каталогу.

От структуры кристаллической решетки зависит форма, а также свойства кристаллов. У одного вещества может существовать несколько различных форм элементарных ячеек. Это явление полиморфизма. Например, из атомов одного и того же химического элемента – углерода, состоят вещества: алмаз и графит, но у них разное строение элементарной ячейки, что приводит к различным физическим свойствам: графит мягкий, а алмаз твердый. Плотность вещества зависит от типа структуры, от коэффициента упаковки, от атомной массы, валентностей и (атомных) радиусов частиц. С увеличением коэффициента упаковки возрастает и плотность вещества. Плотность частиц в кристаллической решетке неодинакова. Это одна из причин проявления анизотропии – зависимость свойств от направления в монокристалле. Поликристаллы – изотропны, их свойства не зависят от направления. Прозрачные кристаллы каменной соли выглядят как стекло, однако раскалываются они совсем по-другому: при ударе по кристаллу, он разбивается на кубики с ровными, гладкими, плоскими гранями. Это проявляется спайность. Температуры фазовых переходов являются характерными физико-химическими константами вещества. Кристаллические вещества плавятся при определённой температуре плавления в отличие от аморфных веществ, которые при нагревании постепенно размягчаются и не имеют определенной температуры плавления.

В природе кристаллы часто небольшие, неоднородны, имеют примеси, а также есть такие кристаллы, которые в технике, строительстве и других сферах очень востребованы, а в природе встречаются очень редко. Возникает необходимость выращивания кристаллов. Кристаллы многих солей образуются из их насыщенных растворов путем медленного охлаждения. Кристаллы многих веществ могут формироваться при химических реакциях. Все процессы выплавки и литья металлов – это кристаллизация из расплавов. Как было выше сказано, по теории плотной упаковки сначала в кристалле завершается построение одного слоя, затем начинает расти следующий слой и т.д. В итоге грани, перемещаются как при кладке кирпичной стены. Но ведь бывает, когда что-то мешает расти грани дальше, но кристалл растет уже не во всех частях грани, а после и вовсе рост кристалла затрудняется.

Изображая структуру кристаллов, мы пользовались их идеальными моделями. В реальных кристаллах есть несколько нарушений в расположении атомов, называемых дефектами. Самые элементарные дефекты появляются в следствии замещения своего атома посторонним, нахождение атома в междоузлие или отсутствия атома. Существует масса способов появления новых слоев и разная скорость роста граней. Разница быстроты роста граней кристаллов истолковывается зависимостью от направления сил связи частиц. Чем больше сила, тем больше вероятность того, что частица прилипнет в направлении этой силы, и наоборот. Поскольку вершины кристаллов чаще соприкасаются с пересыщенным раствором и опережают в росте боковые грани, они внедряются в глубь раствора, что оказать содействие их дальнейшему быстрому росту. В земных условиях не удается вырастить сверхпрочные нитевидные кристаллы из-за силы тяжести они изгибаются, появляются дефекты, ухудшаются их свойства. Кристаллы, выращенные в невесомости, имеют в сотни раз меньше дефектов. Сейчас производятся опыты по выращиванию кристаллов в космосе. Основная задача космической лаборатории – выращивание больших ультрачистых кристаллов. Такие тела востребованы на Земле, и иногда стоимость их доходит до сотен тысяч долларов.

Проблема происхождения минералов тесно связана с происхождением нашей планеты. На основе современной теории происхождения Земли, можно сделать краткий вывод, что она сформировалась после объединения частиц пыли. Выделившаяся энергия при их столкновении разогрела Землю до 2000° С. При этой температуре поверхность и нижние слои, не сжатые давлением предыдущих слоев, расплавились. Здесь некоторые более легкие и менее плотные породы, как гранит, всплыли на поверхность, а под ними остался слой плотных базальтов и ниже — мантия. Планета остыла, слои магмы затвердели и образовали земную кору, газы, высвободившиеся при расплавлении, образовали атмосферу, а пары воды конденсировались в Мировой океан.

Магма, охлаждаясь, начинала кристаллизоваться, но сначала сформировались кристаллы вещества, температура кристаллизации которого самая высокая, затем с более низкой температурой и так, пока не образовалась земная кора. Так появились выше упомянутые граниты. В его структуре нам показались странными неотесанные зерна в его составе. Зерна минерала крупнее и имеют правильную форму, образовались быстрее. Другие мельче, для их роста остались лишь промежутки между зернами ранее выросших кристаллов. Граниты свободно используются для облицовки зданий, отделки полов общественных зданий и монументов. Также чем медленнее понижалась температура магмы, т.е. чем дольше росли кристаллы, тем более крупнозернистый получался минерал. Мелкозернистые же минералы образовались при очень быстром охлаждении магмы, при ее выбросах на поверхность во время извержения вулканов, она затвердела раньше, чем начали расти кристаллы. Так образовались из вулканического пепла, омнолитились в результате спекания массы вулканические туфы, их месторождение, возникшее в результате деятельности ныне потухшего вулкана Арарат, имеются в Армении.

В морской воде растворено много различных солей, организмы, их раковины из углекислого кальция и кремнезема. Выпадая в осадок, раковины и скелеты умерших организмов образуют мощные пласты осадочных пород. Известняки издавна использовали для возведения зданий и их облицовки, из них делались фундаменты. Самый распространенный щебень для бетонов и дорожных покрытий – известняковый, и, наконец, известняк – сырье для получения извести и цемента. При тектонических движениях плит часть известняка попадает на глубину, где под действием высокого давления и температуры без плавления превратилась в мрамор. Мрамор - метаморфизованные известняки, состоящие из плотно сросшихся между собой кристаллов кальцита, иногда с примесью доломита.

Список литературы:

1. Егоров-Тисменко Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия. – М.: Издательство «КДУ», 2005. – С. 589
2. Попов К.Н., Каддо М.Б. Строительные материалы и изделия: Учеб. для студентов средних проф. учеб. заведений. – М.: Высш. шк., 2006.- С. 367
3. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. Пособие для студ. учреждений высш. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – С. 560