Quand on regarde des cristaux et des pierres précieuses, on veut comprendre comment cette beauté mystérieuse a pu apparaître, comment de telles œuvres étonnantes de la nature sont créées. Il y a un désir d'en savoir plus sur leurs propriétés. Après tout, la structure spéciale et répétitive des cristaux, nulle part dans la nature, leur permet d'être utilisés partout: des bijoux aux dernières inventions scientifiques et techniques.
Étude des minéraux cristallins
La structure et les propriétés des cristaux sont si multiformes qu'une science distincte, la minéralogie, est engagée dans l'étude et l'étude de ces phénomènes. Le célèbre académicien russe Alexander Evgenievich Fersman a été tellement absorbé et surpris par la diversité et l'infinité du monde des cristaux qu'il a essayé de captiver le plus d'esprits possible avec ce sujet. Dans son livre Entertaining Mineralogy, il invite avec enthousiasme et chaleur à se familiariser avec les secrets des minéraux et à plonger dans le monde des gemmes:
Je te veux vraimentcaptiver. Je veux que vous commenciez à vous intéresser aux montagnes et aux carrières, aux mines et aux mines, afin que vous commenciez à collecter des collections de minéraux, afin que vous souhaitiez nous accompagner de la ville plus éloignée, jusqu'au cours de la rivière, où il y a sont de hauts bancs rocheux, au sommet des montagnes ou au bord de la mer rocheux, où la pierre est brisée, le sable est extrait ou le minerai explose. Là, partout vous et moi trouverons quelque chose à faire: et dans les rochers morts, les sables et les pierres, nous apprendrons à lire quelques grandes lois de la nature qui régissent le monde entier et selon lesquelles le monde entier est construit.
La physique étudie les cristaux, arguant que tout corps vraiment solide est un cristal. La chimie étudie la structure moléculaire des cristaux et arrive à la conclusion que tout métal a une structure cristalline.
L'étude des propriétés étonnantes des cristaux est d'une grande importance pour le développement de la science moderne, de la technologie, de l'industrie de la construction et de nombreuses autres industries.
Lois fondamentales des cristaux
La première chose que les gens remarquent en regardant un cristal est sa forme idéale à multiples facettes, mais ce n'est pas la principale caractéristique d'un minéral ou d'un métal.
Quand un cristal est brisé en petits fragments, il ne restera rien de la forme idéale, mais tout fragment, comme avant, restera un cristal. Un trait distinctif d'un cristal n'est pas son apparence, mais les traits caractéristiques de sa structure interne.
Symétrique
La première chose à retenir et à noter lors de l'étude des cristaux est le phénomènesymétrie. Il est répandu dans la vie quotidienne. Les ailes de papillon sont symétriques, une empreinte d'une tache sur un morceau de papier plié en deux. Cristaux de neige symétriques. Le flocon de neige hexagonal a six plans de symétrie. En pliant l'image le long de n'importe quelle ligne représentant le plan de symétrie du flocon de neige, vous pouvez combiner ses deux moitiés l'une avec l'autre.
L'axe de symétrie a une propriété telle qu'en faisant tourner une figure d'un angle connu autour d'elle, il est possible de combiner des parties appropriées de la figure les unes avec les autres. En fonction de la taille d'un angle approprié par lequel la figure doit être tournée, les axes des 2e, 3e, 4e et 6e ordres sont déterminés dans les cristaux. Ainsi, dans les flocons de neige, il existe un seul axe de symétrie du sixième ordre, qui est perpendiculaire au plan de dessin.
Le centre de symétrie est un tel point dans le plan de la figure, à la même distance duquel, dans la direction opposée, se trouvent les mêmes éléments structurels de la figure.
Qu'y a-t-il dedans ?
La structure interne des cristaux est une sorte de combinaison de molécules et d'atomes dans un ordre propre aux seuls cristaux. Comment connaissent-ils la structure interne des particules si elles ne sont pas visibles même au microscope ?
Les rayons X sont utilisés pour cela. En les utilisant pour translucider les cristaux, le physicien allemand M. Laue, les physiciens anglais père et fils Bragg, et le professeur russe Yu. Wolf ont établi les lois selon lesquelles la structure et la structure des cristaux sont étudiées.
Tout était surprenant et inattendu. Samole concept de la structure de la molécule s'est avéré inapplicable à l'état cristallin de la matière.
Par exemple, une substance aussi connue que le sel de table a la composition chimique de la molécule de NaCl. Mais dans un cristal, les atomes individuels de chlore et de sodium ne s'additionnent pas pour séparer les molécules, mais forment une certaine configuration appelée réseau spatial ou cristallin. Les plus petites particules de chlore et de sodium sont liées électriquement. Le réseau cristallin du sel est formé comme suit. L'un des électrons de valence de l'enveloppe externe de l'atome de sodium est introduit dans l'enveloppe externe de l'atome de chlore, qui n'est pas complètement remplie en raison de l'absence du huitième électron dans la troisième enveloppe de chlore. Ainsi, dans un cristal, chaque ion du sodium et du chlore n'appartient pas à une molécule, mais à l'ensemble du cristal. Du fait que l'atome de chlore est monovalent, il ne peut se fixer qu'un seul électron. Mais les caractéristiques structurelles des cristaux conduisent au fait que l'atome de chlore est entouré de six atomes de sodium, et il est impossible de déterminer lequel d'entre eux partagera un électron avec le chlore.
Il s'avère que la molécule chimique du sel de table et son cristal ne sont pas du tout la même chose. L'ensemble du monocristal est comme une molécule géante.
Grille - modèle uniquement
L'erreur doit être évitée lorsque le réseau spatial est pris comme modèle réel de la structure cristalline. Lattice - une sorte d'image conditionnelle d'un exemple de la connexion de particules élémentaires dans la structure des cristaux. Points de connexion au réseau sous forme de boulesvous permettent de représenter visuellement les atomes, et les lignes qui les relient sont une image approximative des forces de liaison entre eux.
En réalité, les écarts entre les atomes à l'intérieur d'un cristal sont beaucoup plus petits. C'est un emballage dense de ses particules constitutives. Une boule est une désignation conventionnelle d'un atome, dont l'utilisation permet de refléter avec succès les propriétés d'un emballage serré. En réalité, il n'y a pas un simple contact des atomes, mais leur imbrication mutuelle partielle les uns avec les autres. En d'autres termes, l'image d'une boule dans la structure du réseau cristallin est, pour plus de clarté, la sphère représentée d'un tel rayon qui contient la majeure partie des électrons de l'atome.
Engagement de force
Il existe une force électrique d'attraction entre deux ions de charge opposée. C'est un liant dans la structure des cristaux ioniques comme le sel de table. Mais si vous rapprochez les ions très près, leurs orbites d'électrons se chevaucheront et des forces répulsives de particules de même charge apparaîtront. A l'intérieur du cristal, la distribution des ions est telle que les forces répulsives et attractives sont en équilibre, fournissant la force cristalline. Cette structure est typique des cristaux ioniques.
Et dans les réseaux cristallins de diamant et de graphite, il existe une connexion d'atomes à l'aide d'électrons communs (collectifs). Les atomes étroitement espacés ont des électrons communs qui tournent autour du noyau d'un atome et des atomes voisins.
Une étude détaillée de la théorie des forces avec de telles liaisons est assez difficile et relève du domaine de la mécanique quantique.
Différences de métaux
La structure des cristaux métalliques est plus complexe. Du fait que les atomes métalliques donnent facilement les électrons externes disponibles, ils peuvent se déplacer librement dans tout le volume du cristal, formant ce que l'on appelle le gaz d'électrons à l'intérieur. Grâce à ces électrons "errants", des forces sont créées qui assurent la résistance du lingot de métal. L'étude de la structure de vrais cristaux métalliques montre que, selon la méthode de refroidissement d'un lingot métallique, celui-ci peut contenir des imperfections: superficielles, ponctuelles et linéaires. La taille de ces défauts ne dépasse pas le diamètre de plusieurs atomes, mais ils déforment le réseau cristallin et affectent les processus de diffusion dans les métaux.
Crystal Growth
Pour une compréhension plus pratique, la croissance d'une substance cristalline peut être représentée comme l'érection d'une structure en brique. Si une brique d'une maçonnerie inachevée est présentée comme faisant partie intégrante d'un cristal, il est alors possible de déterminer où le cristal se développera. Les propriétés énergétiques du cristal sont telles que la brique placée sur la première brique subira une attraction d'un côté - d'en bas. Lors de la pose sur le deuxième - de deux côtés et sur le troisième - de trois. Au cours du processus de cristallisation - la transition d'un état liquide à un état solide - de l'énergie (chaleur de fusion) est libérée. Pour la plus grande force du système, son énergie possible devrait tendre vers un minimum. Par conséquent, la croissance des cristaux se produit couche par couche. D'abord, une rangée de l'avion sera complétée, puis l'avion entier, et alors seulement le suivant commencera à être construit.
Sciences decristaux
La loi fondamentale de la cristallographie - la science des cristaux - dit que tous les angles entre les différents plans des faces cristallines sont toujours constants et identiques. Peu importe à quel point un cristal en croissance est déformé, les angles entre ses faces conservent la même valeur inhérente à ce type. Indépendamment de la taille, de la forme et du nombre, les faces d'un même plan cristallin se croisent toujours au même angle prédéterminé. La loi de constance des angles a été découverte par M. V. Lomonossov en 1669 et a joué un rôle majeur dans l'étude de la structure des cristaux.
Anisotropie
La particularité du processus de formation des cristaux est due au phénomène d'anisotropie - différentes caractéristiques physiques en fonction de la direction de croissance. Les monocristaux conduisent l'électricité, la chaleur et la lumière différemment dans différentes directions et ont une force inégale.
Ainsi, le même élément chimique avec les mêmes atomes peut former des réseaux cristallins différents. Par exemple, le carbone peut cristalliser en diamant et en graphite. Dans le même temps, le diamant est un exemple de la résistance maximale parmi les minéraux, et le graphite laisse facilement ses écailles lors de l'écriture au crayon sur papier.
Mesurer les angles entre les faces des minéraux est d'une grande importance pratique pour déterminer leur nature.
Caractéristiques de base
Après avoir appris les caractéristiques structurelles des cristaux, nous pouvons décrire brièvement leurs principales propriétés:
- Anisotropie - propriétés inégales dans différentes directions.
- Uniformité - élémentaireles constituants des cristaux, équidistants, ont les mêmes propriétés.
- La capacité d'auto-coupe - tout fragment d'un cristal dans un milieu adapté à sa croissance prendra une forme à multiples facettes et sera recouvert de faces correspondant à ce type de cristaux. C'est cette propriété qui permet au cristal de conserver sa symétrie.
- L'invariance du point de fusion. La destruction du réseau spatial d'un minéral, c'est-à-dire le passage d'une substance cristalline d'un état solide à un état liquide, se produit toujours à la même température.
Les cristaux sont des solides qui ont pris la forme naturelle d'un polyèdre symétrique. La structure des cristaux, caractérisée par la formation d'un réseau spatial, a servi de base au développement en physique de la théorie de la structure électronique d'un solide. L'étude des propriétés et de la structure des minéraux est d'une grande importance pratique.
