Страница полузащищенная
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Микроскопически монокристалл имеет атомы в почти идеальном периодическом расположении; поликристаллический состоит из множества микроскопических кристаллов (называемых « кристаллитами » или «зерно»); а аморфное твердое тело (такое как стекло ) не имеет периодической структуры даже на микроскопическом уровне.

Кристалл или кристаллическое твердое вещество представляет собой твердое вещество , чьи компоненты (такие , как атомы , молекулы или ионы ) расположены в высоко упорядоченной микроскопической структуры, образуя кристаллическую решетку , которая проходит во всех направлениях. [1] [2] Кроме того, макроскопические монокристаллы обычно идентифицируются по их геометрической форме, состоящей из плоских граней с определенной характерной ориентацией. Научное изучение кристаллов и образования кристаллов известно как кристаллография . Процесс образования кристаллов с помощью механизмоврост кристаллов называется кристаллизацией или затвердеванием .

Слово кристалл происходит от древнегреческого слова κρύσταλλος ( krustallos ), означающего одновременно « лед » и « горный хрусталь » [3] от κρύος ( kruos ), «ледяной холод, мороз». [4] [5]

Примеры крупных кристаллов включают снежинки , бриллианты и поваренную соль . Большинство неорганических твердых веществ представляют собой не кристаллы, а поликристаллы , то есть множество микроскопических кристаллов, сплавленных вместе в одно твердое тело. Примеры поликристаллов включают большинство металлов , горных пород, керамики и льда . Третья категория твердых тел - это аморфные твердые тела , в которых атомы вообще не имеют периодической структуры. Примеры аморфных твердых веществ включают стекло , воск и многие пластмассы .

Несмотря на название, свинцовый хрусталь, хрустальное стекло и сопутствующие товары являются не кристаллами, а типами стекла, то есть аморфными твердыми телами.

Кристаллы часто используются в псевдонаучных практиках, таких как терапия кристаллами , и, наряду с драгоценными камнями , иногда связаны с заклинаниями в викканских верованиях и связанных с ними религиозных движениях. [6] [7] [8]

Кристаллическая структура (микроскопическая)

Галит (поваренная соль, NaCl): микроскопические и макроскопические.
Макроскопический (~ 16см) кристалл галита. Прямые углы между гранями кристаллов обусловлены кубической симметрией расположения атомов.

Научное определение «кристалла» основано на микроскопическом расположении атомов внутри него, называемом кристаллической структурой . Кристалл - это твердое тело, в котором атомы образуют периодическое расположение. ( Квазикристаллы являются исключением, см. Ниже ).

Не все твердые тела являются кристаллами. Например, когда жидкая вода начинает замерзать, фазовый переход начинается с маленьких кристаллов льда, которые растут, пока не сливаются, образуя поликристаллическую структуру. В последней глыбе льда каждый из маленьких кристаллов (называемых « кристаллитами » или «зернами») представляет собой настоящий кристалл с периодическим расположением атомов, но весь поликристалл не имеет периодического расположения атомов, потому что периодический узор нарушается по границам зерен . Большинство макроскопических неорганических твердых веществ являются поликристаллическими, включая почти все металлы , керамику , лед , горные породы.и т. д. Твердые тела, которые не являются ни кристаллическими, ни поликристаллическими, например стекло , называются аморфными твердыми телами , также называемыми стеклообразными , стекловидными или некристаллическими. У них нет периодического порядка, даже микроскопического. Существуют явные различия между кристаллическими твердыми телами и аморфными твердыми телами: в первую очередь, процесс формирования стекла не выделяет скрытую теплоту плавления , а образование кристалла выделяет.

Кристаллическая структура (расположение атомов в кристалле) характеризуется своей элементарной ячейкой , небольшой воображаемой коробкой, содержащей один или несколько атомов в определенном пространственном расположении. Элементарные ячейки уложены в трехмерном пространстве, образуя кристалл.

Симметрии кристалла ограничена требованием , что единичные элементы прекрасно укладывают без зазоров. Существует 219 возможных симметрий кристаллов, называемых кристаллографическими пространственными группами . Они сгруппированы в 7 кристаллических систем , таких как кубическая кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать кубы или прямоугольные коробки, такие как галит, показанный справа) или гексагональная кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать шестиугольники, такие как обычный водяной лед ).

Хрустальные грани и формы

По мере роста кристалла галита новые атомы могут очень легко прикрепляться к частям поверхности с грубой структурой атомного масштаба и множеством оборванных связей . Поэтому эти части кристалла очень быстро растут (желтые стрелки). В конце концов, вся поверхность состоит из гладких, устойчивых граней, к которым новые атомы не могут так легко прикрепиться.

Кристаллы обычно узнаваемы по форме, состоящей из плоских граней с острыми углами. Эти характеристики формы не являются обязательными для кристалла - кристалл с научной точки зрения определяется его микроскопическим атомным расположением, а не его макроскопической формой, - но характерная макроскопическая форма часто присутствует и ее легко увидеть.

Евэдральные кристаллы - это кристаллы с четко выраженными плоскими гранями. Неэдральные кристаллы этого не делают, обычно потому, что кристалл представляет собой одно зерно в поликристаллическом твердом теле.

Плоские грани (также называемые гранями ) идиоморфного кристалла ориентированы определенным образом относительно основного расположения атомов кристалла : они представляют собой плоскости с относительно низким индексом Миллера . [9] Это происходит потому, что некоторые ориентации поверхности более стабильны, чем другие (более низкая поверхностная энергия ). По мере роста кристалла новые атомы легко прикрепляются к более грубым и менее стабильным частям поверхности, но труднее прикрепляются к плоским стабильным поверхностям. Следовательно, плоские поверхности имеют тенденцию становиться больше и гладче, пока вся поверхность кристалла не будет состоять из этих плоских поверхностей. (См. Диаграмму справа.)

Один из старейших методов кристаллографии состоит в измерении трехмерной ориентации граней кристалла и использовании их для определения симметрии основного кристалла .

А привычка кристалла является его внешняя форма видна. Это определяется кристаллической структурой (которая ограничивает возможные ориентации граней), конкретным химическим составом кристаллов и связью (которые могут отдавать предпочтение одним типам граней по сравнению с другими) и условиями, в которых формировался кристалл.

Встречаемость в природе

Кристаллы льда
Ископаемая раковина с кристаллами кальцита

Горные породы

По объему и весу самые большие скопления кристаллов на Земле являются частью ее твердой коренной породы . Кристаллы, обнаруженные в горных породах, обычно имеют размер от долей миллиметра до нескольких сантиметров в поперечнике, хотя иногда встречаются исключительно крупные кристаллы. По состоянию на 1999 год самым большим известным в мире кристаллом природного происхождения является кристалл берилла из Малакиалины, Мадагаскар , длиной 18 м (59 футов), диаметром 3,5 м (11 футов) и весом 380 000 кг (840 000 фунтов). [10]

Некоторые кристаллы образовались в результате магматических и метаморфических процессов, в результате чего возникли большие массы кристаллической породы . Подавляющее большинство магматических пород образовано из расплавленной магмы, и степень кристаллизации зависит в первую очередь от условий, при которых они затвердевали. Такие породы, как гранит , которые охлаждались очень медленно и под большим давлением, полностью кристаллизовались; но многие виды лавы вылились на поверхность и очень быстро остыли, и в этой последней группе обычно встречается небольшое количество аморфного или стеклообразного вещества. Другие кристаллические породы, метаморфические породы, такие как мрамор , слюдяные сланцы.и кварциты перекристаллизованы. Это означает, что сначала они были обломочными породами, такими как известняк , сланец и песчаник, и никогда не были ни в расплавленном состоянии, ни полностью в растворе, но условия высокой температуры и давления метаморфизма повлияли на них, стирая их первоначальные структуры и вызывая перекристаллизацию в твердое состояние. [11]

Другие горные кристаллы образовались в результате выпадения осадков из флюидов, обычно воды, с образованием друзов или кварцевых жил. Эвапориты, такие как галит (минерал) , гипс и некоторые известняки, откладываются из водного раствора, в основном из-за испарения в засушливом климате.

Лед

Лед на водной основе в виде снега , морского льда и ледников - это обычные кристаллические / поликристаллические структуры на Земле и других планетах. [12] Один снежинки представляет собой монокристалл или совокупность кристаллов, [13] в то время как кубик льда является поликристаллический . [14]

Органические кристаллы

Многие живые организмы способны производить кристаллы, например кальцит и арагонит в случае большинства моллюсков или гидроксилапатит в случае позвоночных .

Полиморфизм и аллотропия

Одна и та же группа атомов часто может затвердевать разными способами. Полиморфизм - это способность твердого тела существовать в более чем одной кристаллической форме. Например, водяной лед обычно находится в гексагональной форме Ice I h , но также может существовать в виде кубического льда I c , ромбоэдрического льда II и многих других форм. Различные полиморфы обычно называют разными фазами .

Кроме того, одни и те же атомы могут образовывать некристаллические фазы . Например, вода также может образовывать аморфный лед , а SiO 2 может образовывать плавленый кварц (аморфное стекло) и кварц (кристалл). Точно так же, если вещество может образовывать кристаллы, оно также может образовывать поликристаллы.

Для чистых химических элементов полиморфизм известен как аллотропия . Например, алмаз и графит - это две кристаллические формы углерода , а аморфный углерод - некристаллическая форма. Полиморфы, несмотря на наличие одинаковых атомов, могут иметь совершенно разные свойства. Например, алмаз является одним из самых твердых известных веществ, а графит настолько мягкий, что его используют в качестве смазки.

Полиаморфизм - это аналогичное явление, когда одни и те же атомы могут существовать в более чем одной аморфной твердой форме.

Кристаллизация

Вертикальный охлаждающий кристаллизатор на сахарном заводе.

Кристаллизация - это процесс образования кристаллической структуры из жидкости или материалов, растворенных в жидкости. (Реже кристаллы могут осаждаться непосредственно из газа; см. Осаждение тонких пленок и эпитаксия .)

Кристаллизация - сложная и широко изученная область, потому что в зависимости от условий отдельная жидкость может затвердеть во множество различных возможных форм. Он может образовывать единый кристалл , возможно , с различными возможными фазами , стехиометрии , примеси, дефекты и привычки . Или он может образовывать поликристалл с различными возможными размерами, расположением, ориентацией и фазой зерен. Окончательная форма твердого вещества определяется условиями, при которых жидкость затвердевает, такими как химический состав жидкости, окружающее давление , температура., и скорость, с которой меняются все эти параметры.

Конкретные промышленные методы производства крупных монокристаллов (так называемых булей ) включают процесс Чохральского и метод Бриджмена . В зависимости от физических свойств вещества могут использоваться другие, менее экзотические методы кристаллизации, включая гидротермальный синтез , сублимацию или просто кристаллизацию на основе растворителя .

Большие монокристаллы могут быть созданы геологическими процессами. Например, кристаллы селенита размером более 10 метров находятся в Пещере кристаллов в Найке, Мексика. [15] Подробнее о геологическом кристаллообразовании см. Выше .

Кристаллы также могут образовываться в результате биологических процессов, см. Выше . И наоборот, у некоторых организмов есть специальные методы предотвращения кристаллизации, например, антифризы .

Дефекты, примеси и двойникование

Два типа кристаллографических дефектов. Вверху справа: краевой вывих . Внизу справа: винтовой вывих .

В идеальном кристалле каждый атом находится в идеальном, точно повторяющемся узоре. [16] Однако на самом деле большинство кристаллических материалов имеют множество кристаллографических дефектов , то есть места, где структура кристалла прерывается. Типы и структура этих дефектов могут сильно влиять на свойства материалов.

Несколько примеров кристаллографических дефектов включают вакансионные дефекты (пустое пространство, в которое должен поместиться атом), межузельные дефекты (дополнительный атом, зажатый там, где он не помещается) и дислокации (см. Рисунок справа). Дислокации особенно важны в материаловедении , потому что они помогают определять механическую прочность материалов .

Другой распространенный тип кристаллографического дефекта - примесь , означающая, что в кристалле присутствует атом «неправильного» типа. Например, идеальный кристалл алмаза может содержать только атомы углерода , но настоящий кристалл, возможно, также может содержать несколько атомов бора . Эти примеси бора изменяют цвет алмаза на слегка голубой. Точно так же единственное различие между рубином и сапфиром - это тип примесей, присутствующих в кристалле корунда .

Двойниковая группа кристаллов пирита .

В полупроводниках особый тип примеси, называемый легирующей примесью , резко изменяет электрические свойства кристалла. Полупроводниковые устройства , такие как транзисторы , стали возможными в основном благодаря размещению различных полупроводниковых легирующих примесей в разных местах по определенным схемам.

Двойникование - это явление где-то между кристаллографическим дефектом и границей зерен . Подобно границе зерен, двойниковая граница имеет разную ориентацию кристаллов с двух сторон. Но в отличие от границ зерен ориентации не случайны, а связаны определенным, зеркальным образом.

Мозаичность - это разброс ориентаций кристаллических плоскостей. Мозаики кристалл состоит из более мелких кристаллических единиц, которые несколько Разрегулированных по отношению друг к другу.

Химические связи

В общем, твердые тела могут удерживаться вместе с помощью различных типов химических связей , таких как металлические связи , ионные связи , ковалентные связи , ван-дер-ваальсовые связи и другие. Ни один из них не обязательно является кристаллическим или некристаллическим. Однако можно выделить следующие общие тенденции.

Металлы почти всегда поликристаллические, хотя есть исключения, такие как аморфный металл и монокристаллические металлы. Последние выращиваются синтетическим путем. (Микроскопически маленький кусок металла может естественным образом превратиться в монокристалл, но более крупные обычно этого не делают.) Ионные составные материалы обычно являются кристаллическими или поликристаллическими. На практике крупные кристаллы соли могут быть созданы путем затвердевания расплавленной жидкости или кристаллизации из раствора. Ковалентно связанные твердые вещества (иногда называемые твердыми телами с ковалентной сеткой ) также очень распространены, яркими примерами которых являются алмаз и кварц . СлабыйСилы Ван-дер-Ваальса также помогают удерживать вместе определенные кристаллы, такие как кристаллические твердые частицы , а также межслойные связи в графите . Полимерные материалы обычно образуют кристаллические области, но длина молекул обычно препятствует полной кристаллизации, а иногда полимеры полностью аморфны.

Квазикристаллы

Материал гольмий – магний – цинк (Ho – Mg – Zn) образует квазикристаллы , которые могут принимать макроскопическую форму пятиугольного додекаэдра . Только квазикристаллы могут иметь эту 5-кратную симметрию. Края имеют длину 2 мм.

Квазикристаллический состоит из массивов атомов, упорядоченные но не строго периодические. У них много общих атрибутов с обычными кристаллами, таких как отображение дискретного рисунка при дифракции рентгеновских лучей и способность формировать формы с гладкими плоскими гранями.

Квазикристаллы наиболее известны своей способностью проявлять пятикратную симметрию, которая невозможна для обычного периодического кристалла (см. Кристаллографическую теорему об ограничениях ).

Международный союз кристаллографии пересмотрел термин «кристалл» , чтобы включать в себя как обычные периодические кристаллы и квазикристаллов ( «любое твердое вещество , имеющее , по существу , дискретной дифракционной диаграммы» [17] ).

Квазикристаллы, впервые открытые в 1982 г., на практике встречаются довольно редко. Известно, что только около 100 твердых тел образуют квазикристаллы по сравнению с примерно 400 000 периодических кристаллов, известных в 2004 году. [18] Нобелевская премия по химии 2011 года была присуждена Дэну Шехтману за открытие квазикристаллов. [19]

Особые свойства от анизотропии

Кристаллы могут обладать некоторыми особыми электрическими, оптическими и механическими свойствами, которыми обычно не обладают стекло и поликристаллы . Эти свойства связаны с анизотропией кристалла, то есть с отсутствием вращательной симметрии в его атомном расположении. Одним из таких свойств является пьезоэлектрический эффект , когда напряжение на кристалле может сжимать или растягивать его. Другой - двулучепреломление , когда при просмотре кристалла появляется двойное изображение. Кроме того, различные свойства кристалла, включая электропроводность , электрическую проницаемость и модуль Юнга, могут быть разными в разных направлениях в кристалле. Например, кристаллы графита состоят из стопки листов, и хотя каждый отдельный лист механически очень прочен, листы довольно слабо связаны друг с другом. Поэтому механическая прочность материала сильно различается в зависимости от направления нагрузки.

Не все кристаллы обладают всеми этими свойствами. И наоборот, эти свойства не являются исключительными для кристаллов. Они могут появляться в стеклах или поликристаллах, которые стали анизотропными в результате работы или напряжения, например, двулучепреломления, вызванного напряжением .

Кристаллография

Кристаллография - это наука об измерении кристаллической структуры (другими словами, расположения атомов) кристалла. Одним из широко используемых методов кристаллографии является дифракция рентгеновских лучей . Большое количество известных кристаллических структур хранится в кристаллографических базах данных .

Галерея

  • Кристаллы инсулина, выращенные на околоземной орбите .

  • Иней : разновидность кристалла льда (снимок сделан с расстояния около 5 см).

  • Галлий - металл, который легко образует крупные кристаллы.

  • Кристалл апатита находится спереди и в центре на вишнево-красных ромбах родохроита, фиолетовых кубиках флюорита, кварце и присыпке медно-желтых кубиков пирита.

  • Були из кремния , как эта, являются важным типом промышленно-производимого монокристалла .

  • Образец, состоящий из кристалла халькопирита, покрытого борнитом, расположенного в слое прозрачных кристаллов кварца и блестящих кристаллов пирита. Кристалл, покрытый борнитом, имеет диаметр до 1,5 см.

  • Игольчатые кристаллы миллерита, частично заключенные в кристалл кальцита и окисленные на своей поверхности до заратита ; из девонской формации Милуоки в Висконсине

Смотрите также

  • Фактор атомной упаковки
  • Антикристалл
  • Сокристалл
  • Коллоидный кристалл
  • Рост кристаллов
  • Кварцевый генератор
  • Жидкокристаллический
  • Кристалл времени

Рекомендации

  1. ^ Стивен Лоуэр. «Онлайн-учебник Chem1 - Состояния материи» . Проверено 19 сентября 2016 .
  2. ^ Эшкрофт и Мермин (1976). Физика твердого тела .CS1 maint: uses authors parameter (link)
  3. ^ κρύσταλλος , Генри Джордж Лидделл , Роберт Скотт , Греко-английский лексикон , в цифровой библиотеке Персея
  4. ^ κρύος , Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, Греко-английский лексикон , в цифровой библиотеке Персея
  5. ^ "Американский словарь наследия английского языка" . Креус. 2000 г. Cite journal requires |journal= (help)CS1 maint: others (link)
  6. Regal, Брайан. (2009). Псевдонаука: Критическая энциклопедия . Гринвуд. п. 51. ISBN 978-0-313-35507-3 
  7. ^ Патти Wigington (31 августа 2016). «Использование кристаллов и драгоценных камней в магии» . About.com . Проверено 14 ноября +2016 .
  8. ^ «Магия кристаллов и драгоценных камней» . WitchesLore. 14 декабря 2011 . Проверено 14 ноября +2016 .
  9. ^ Наука о поверхности оксидов металлов , Виктор Э. Генрих, П. А. Кокс, стр. 28, ссылка на книги Google
  10. ^ Г. Кресси и И. Ф. Мерсер, (1999) Кристаллы , Лондон, Музей естественной истории, стр. 58
  11. ^  Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из публикации, которая сейчас находится в общественном достоянии :  Флетт, Джон Смит (1911). « Петрология ». В Чисхолме, Хью (ред.). Encyclopdia Britannica . 21 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета.
  12. Ёсинори Фурукава, «Лед»; Матти Леппяранта, «Морской лед»; Д. П. Добхал, «Ледник»; и другие статьи в Vijay P. Singh, Pratap Singh и Umesh K. Haritashya, eds., Encyclopedia of Snow, Ice and Glaciers (Dordrecht, NE: Springer Science & Business Media, 2011). ISBN 904812641X , 9789048126415 
  13. ^ Либбрехт, Кеннет; Крыло, Рэйчел (2015-09-01). Снежинка: Зимний ледяной артистизм . Voyageur Press. ISBN 9781627887335.
  14. ^ Хьорт-Хансен, Э. (2017-10-19). Snow Engineering 2000: Последние достижения и разработки . Рутледж. ISBN 9781351416238.
  15. ^ "Пещера хрустальных гигантов - журнал National Geographic" . nationalgeographic.com .
  16. ^ Великобритания), Совет по научным исследованиям (Великий (1972). Отчет Совета . Канцелярские принадлежности HM.
  17. ^ Международный союз кристаллографии (1992). «Отчет исполкома за 1991 год» . Acta Crystallogr. . 48 (6): 922–946. DOI : 10.1107 / S0108767392008328 . PMC 1826680 . 
  18. ^ Steurer W. (2004). «Двадцать лет структурных исследований квазикристаллов. Часть I. Пентагональные, восьмиугольные, декагональные и додекагональные квазикристаллы» . Z. Kristallogr . 219 (7–2004): 391–446. Bibcode : 2004ZK .... 219..391S . DOI : 10.1524 / zkri.219.7.391.35643 .
  19. ^ "Нобелевская премия по химии 2011" . Nobelprize.org . Проверено 29 декабря 2011 .

дальнейшее чтение

  • Ховард, Дж. Майкл; Дарси Ховард (иллюстратор) (1998). «Введение в кристаллографию и минеральные кристаллические системы» . Рок-магазин Боба. Архивировано из оригинала на 2006-08-26 . Проверено 20 апреля 2008 .
  • Крассманн, Томас (2005–2008). «Гигантский хрустальный проект» . Крассманн. Архивировано из оригинала на 2008-04-26 . Проверено 20 апреля 2008 .
  • Разные авторы (2007). «Учебные брошюры» . Комиссия по кристаллографическому обучению. Архивировано из оригинала на 2008-04-17 . Проверено 20 апреля 2008 .
  • Разные авторы (2004). "Структуры кристаллической решетки: индекс по пространственной группе" . Проверено 3 декабря 2016 .
  • Разные авторы (2010). «Кристаллография» . Испанский национальный исследовательский совет , отдел кристаллографии . Проверено 8 января 2010 .