Кристалл или кристаллическое твердое вещество — это твердый материал , составляющие которого (такие как атомы , молекулы или ионы ) расположены в высокоупорядоченной микроскопической структуре, образуя кристаллическую решетку , простирающуюся во всех направлениях. [1] [2] Кроме того, макроскопические монокристаллы обычно можно идентифицировать по их геометрической форме , состоящей из плоских граней с определенной характерной ориентацией. Научное исследование кристаллов и их образования известно как кристаллография . Процесс образования кристаллов по механизмам роста кристаллов называется кристаллизацией или затвердеванием .
Слово «хрусталь» 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 тел представляют собой не кристаллы, а поликристаллы , то есть множество микроскопических кристаллов, сросшихся в одно твердое вещество. Поликристаллы включают большинство металлов , горных пород, керамики и льда . Третья категория твердых тел — аморфные твердые тела , атомы которых вообще не имеют периодической структуры. Примеры аморфных твердых веществ включают стекло , воск и многие пластмассы .
Несмотря на название, свинцовый хрусталь, хрустальное стекло и сопутствующие изделия не являются кристаллами, а являются разновидностью стекла, то есть аморфными твердыми веществами.
Кристаллы или кристаллические твердые вещества часто используются в псевдонаучных практиках, таких как кристаллотерапия , и, наряду с драгоценными камнями , иногда связаны с работой заклинаний в викканских верованиях и связанных с ними религиозных движениях. [6] [7] [8]
Научное определение «кристалла» основано на микроскопическом расположении атомов внутри него, называемом кристаллической структурой . Кристалл – это твердое тело, атомы которого 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, поскольку периодическая структура разрывается по границам зерен . Большинство макроскопических неорганических твердых тел являются поликристаллическими, включая почти все металлы , керамику , лед , камни и т. д. Твердые тела, которые не являются ни кристаллическими, ни поликристаллическими, например стекло , называются аморфными твердыми телами , также называемыми стеклообразными , стеклообразными или некристаллическими. Они не имеют периодического порядка, даже микроскопически. Существуют явные различия между кристаллическими и аморфными твердыми телами: в первую очередь, процесс формирования стекла не высвобождает скрытую теплоту плавления , а образование кристалла.
Кристаллическая структура (расположение атомов в кристалле) характеризуется своей элементарной ячейкой — небольшим воображаемым ящиком, содержащим один или несколько атомов в определенном пространственном расположении. Элементарные ячейки складываются в трехмерном пространстве, образуя кристалл.
Симметрия кристалла ограничена требованием, чтобы элементарные ячейки укладывались идеально, без зазоров. Существует 219 возможных кристаллических симметрий (обычно упоминается 230, но при этом киральные эквиваленты рассматриваются как отдельные объекты), называемые кристаллографическими пространственными группами . [9] Они сгруппированы в 7 кристаллических систем , таких как кубическая кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать кубы или прямоугольные коробки, например, галит, показанный справа) или гексагональная кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать шестиугольники, например, обычная вода) . лед ).
Кристаллы обычно распознаются макроскопически по их форме, состоящей из плоских граней с острыми углами. Эти характеристики формы не являются необходимыми для кристалла — кристалл с научной точки зрения определяется его микроскопическим расположением атомов, а не его макроскопической формой — но характерная макроскопическая форма часто присутствует и ее легко увидеть.
Идиоморфные кристаллы — это кристаллы, которые имеют четкие, хорошо сформированные плоские грани. Кангедральные кристаллы этого не делают, обычно потому, что кристалл представляет собой одно зерно поликристаллического твердого тела.
Плоские грани (также называемые гранями ) идиоморфного кристалла ориентированы определенным образом относительно основного расположения атомов кристалла : они представляют собой плоскости с относительно низким индексом Миллера . [10] 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 шероховатым и менее стабильным частям поверхности, но с меньшей легкостью — к плоским и стабильным поверхностям. Поэтому плоские поверхности имеют тенденцию становиться больше и более гладкими, пока вся поверхность кристалла не будет состоять из этих плоских поверхностей. (См. схему справа.)
Один из старейших методов в науке кристаллографии состоит в измерении трехмерной ориентации граней кристалла и использовании ее для вывода о лежащей в ее основе симметрии кристалла .
Кристаллографические формы кристалла — это набор возможных граней кристалла, связанных одной из симметрий кристалла. Например, кристаллы галенита часто принимают форму кубов, причем шесть граней куба принадлежат кристаллографической форме, отображающей одну из симметрий изометрической кристаллической системы . Галенит также иногда кристаллизуется в виде октаэдров, причем восемь граней октаэдра принадлежат другой кристаллографической форме, отражающей иную симметрию изометрической системы. Кристаллографическая форма описывается помещением индексов Миллера одной из ее граней в скобки. Например, октаэдрическая форма записывается как {111}, а остальные грани формы подразумеваются симметрией кристалла.
Формы могут быть закрытыми, то есть форма может полностью охватывать объем пространства, или открытыми, то есть не могут. Кубическая и октаэдрическая формы являются примерами закрытых форм. Все формы изометрической системы закрыты, а все формы моноклинной и триклинной кристаллических систем открыты. Все грани кристалла могут принадлежать одной и той же закрытой форме или представлять собой комбинацию нескольких открытых или закрытых форм. [11]
Привычка кристалла – это его видимая внешняя форма. Это определяется кристаллической структурой (которая ограничивает возможные ориентации граней), специфической кристаллохимией и связями (которые могут отдавать предпочтение одним типам граней над другими), а также условиями, при которых образовался кристалл.
По объёму и весу самые большие концентрации кристаллов на Земле находятся в её твёрдой основе . Кристаллы, обнаруженные в горных породах, обычно имеют размер от долей миллиметра до нескольких сантиметров в поперечнике, хотя иногда встречаются и исключительно крупные кристаллы. По состоянию на 1999 год [обновлять]самым крупным известным природным кристаллом в мире 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). [12]
Некоторые кристаллы образовались в результате магматических и метаморфических процессов, в результате чего образовались большие массы кристаллических пород . Подавляющее большинство магматических пород образуется из расплавленной магмы, и степень кристаллизации зависит прежде всего от условий, при которых они затвердевали. Такие породы, как гранит , которые охлаждались очень медленно и под большим давлением, полностью кристаллизовались; но многие виды лавы излились на поверхность и очень быстро остыли, и в этой последней группе обычно встречается небольшое количество аморфного или стекловидного вещества. Другие кристаллические породы, метаморфические породы, такие как мрамор , слюдяные сланцы и кварциты , перекристаллизовываются. Это означает, что сначала они представляли собой обломочные породы, такие как известняк , сланец и песчаник , и никогда не находились ни в расплавленном состоянии, ни полностью в растворе, но условия высокой температуры и давления метаморфизма действовали на них, стирая их первоначальные структуры и вызывая рекристаллизацию в твердое состояние. [13]
Другие горные кристаллы образовались из осадков жидкостей, обычно воды, с образованием друз или кварцевых жил. Эвапориты , такие как галит , гипс и некоторые известняки, отлагались из водных растворов, главным образом вследствие испарения в засушливом климате.
Лед на водной основе в виде снега , морского льда и ледников — распространенные кристаллические/поликристаллические структуры на Земле и других планетах. [14] Отдельная снежинка — это один кристалл или совокупность кристаллов, [15] а кубик льда — это поликристалл . [16] Кристаллы льда могут образовываться при охлаждении жидкой воды ниже точки замерзания, например, в кубиках льда или в замерзшем озере. Иней , снежинки или мелкие кристаллики льда, взвешенные в воздухе ( ледяной туман ), чаще растут из пересыщенного газообразного раствора паров воды и воздуха, когда температура воздуха падает ниже точки росы , не переходя в жидкое состояние. Еще одно необычное свойство воды заключается в том, что при кристаллизации она расширяется, а не сжимается. [17]
Многие живые организмы способны производить кристаллы, выращенные из водного раствора , например кальцит и арагонит в случае большинства моллюсков или гидроксилапатит в случае костей и зубов у позвоночных .
Одна и та же группа атомов часто может затвердевать разными способами. Полиморфизм – это способность твердого тела существовать более чем в одной кристаллической форме. Например, водяной лед обычно имеет шестиугольную форму Ice I h , но может также существовать в виде кубического льда I c , ромбоэдрического льда II и многих других форм. Различные полиморфы обычно называют разными фазами .
Кроме того, те же атомы могут образовывать некристаллические фазы . Например, вода также может образовывать аморфный лед , а SiO 2 может образовывать как плавленый кварц (аморфное стекло), так и кварц (кристалл). Аналогично, если вещество может образовывать кристаллы, оно также может образовывать поликристаллы.
Для чистых химических элементов полиморфизм известен как аллотропия . Например, алмаз и графит представляют собой две кристаллические формы углерода , а аморфный углерод — некристаллическую форму. Полиморфы, несмотря на наличие одинаковых атомов, могут иметь совершенно разные свойства. Например, алмаз — самое твердое из известных веществ, а графит настолько мягок, что его используют в качестве смазки. Шоколад может образовывать шесть различных типов кристаллов, но только один имеет подходящую твердость и температуру плавления для шоколадных батончиков и кондитерских изделий. Полиморфизм стали отвечает за ее способность подвергаться термической обработке , что придает ей широкий спектр свойств.
Полиаморфизм — аналогичное явление, когда одни и те же атомы могут существовать более чем в одной аморфной твердой форме.
Кристаллизация – это процесс образования кристаллической структуры из жидкости или материалов, растворенных в жидкости. (Реже кристаллы могут осаждаться непосредственно из газа; см.: Эпитаксия и мороз .)
Кристаллизация — сложная и тщательно изученная область, поскольку в зависимости от условий одна жидкость может затвердевать во многих различных возможных формах. Он может образовывать монокристалл , возможно, с различными возможными фазами , стехиометрией , примесями, дефектами и привычками . Или он может образовывать поликристалл с различными возможностями размера, расположения, ориентации и фазы зерен. Окончательная форма твердого тела определяется условиями, при которых жидкость затвердевает, такими как химический состав жидкости, давление окружающей среды , температура и скорость, с которой изменяются 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 и другие менее экзотические методы кристаллизации, включая гидротермальный синтез , сублимацию или просто кристаллизацию на основе растворителя .
Большие монокристаллы могут быть созданы в результате геологических процессов. Например, кристаллы селенита размером более 10 м обнаружены в Пещере кристаллов в Наике, Мексика. [18] Более подробную информацию о геологическом образовании кристаллов см. выше.
Кристаллы также могут образовываться в результате биологических процессов, см. выше. И наоборот, у некоторых организмов есть специальные методы предотвращения кристаллизации, например белки-антифризы .
В идеальном кристалле каждый атом имеет идеальный, точно повторяющийся узор. [19] Однако на самом деле большинство кристаллических материалов имеют различные кристаллографические дефекты , места, где рисунок кристалла прерывается. Типы и структуры этих дефектов могут оказывать глубокое влияние на свойства материалов.
Несколько примеров кристаллографических дефектов включают вакансионные дефекты (пустое пространство, куда должен поместиться атом), межузельные дефекты (лишний атом, втиснутый туда, где он не помещается) и дислокации (см. рисунок справа). Дислокации особенно важны в материаловедении , поскольку они помогают определять механическую прочность материалов .
Другой распространенный тип кристаллографического дефекта — это примесь , означающая, что в кристалле присутствует «неправильный» тип атома. Например, идеальный кристалл алмаза будет содержать только атомы углерода , но настоящий кристалл, возможно, может содержать также несколько атомов бора . Эти примеси бора меняют цвет бриллианта на слегка синий. Аналогично, единственная разница между рубином и сапфиром — это тип примесей, присутствующих в кристалле корунда .
В полупроводниках особый тип примеси, называемый легирующей примесью , радикально меняет электрические свойства кристалла. Полупроводниковые устройства , такие как транзисторы , стали возможными во многом благодаря помещению различных полупроводниковых примесей в разные места и по определенным схемам.
Двойникование — это явление, находящееся где-то между кристаллографическим дефектом и границей зерна . Как и граница зерна, граница двойника имеет разную ориентацию кристаллов с двух сторон. Но в отличие от границы зерна, ориентации не случайны, а связаны определенным зеркальным образом.
Мозаичность – это распространение ориентаций кристаллических плоскостей. Мозаичный кристалл состоит из более мелких кристаллических единиц, несколько смещенных друг относительно друга.
В общем, твердые тела могут удерживаться вместе различными типами химических связей , такими как металлические связи , ионные связи , ковалентные связи , связи Ван-дер-Ваальса и другие. Ни один из них не обязательно является кристаллическим или некристаллическим. Однако существуют некоторые общие тенденции:
Металлы быстро кристаллизуются и почти всегда являются поликристаллическими, хотя есть исключения, такие как аморфные металлы и монокристаллические металлы. Последние выращиваются синтетически, например, турбины истребителей обычно изготавливаются путем выращивания монокристалла титанового сплава, что увеличивает его прочность и температуру плавления по сравнению с поликристаллическим титаном. Небольшой кусок металла естественным образом может сформироваться в монокристалл, например теллурическое железо 2-го типа , но более крупные куски обычно не образуются, если только не происходит чрезвычайно медленное охлаждение. Например, железные метеориты часто состоят из монокристаллов или множества крупных кристаллов, размер которых может достигать нескольких метров из-за очень медленного охлаждения в космическом вакууме. Медленное охлаждение может привести к осаждению отдельной фазы внутри кристаллической решетки, которая образуется под определенными углами, определяемыми решеткой, называемыми узорами Видманштетта . [20]
Ионные соединения обычно образуются, когда металл реагирует с неметаллом, например натрием с хлором. Они часто образуют вещества, называемые солями, такие как хлорид натрия (поваренная соль) или нитрат калия ( селитра ), с кристаллами, которые часто являются хрупкими и относительно легко расщепляются. Ионные материалы обычно являются кристаллическими или поликристаллическими. На практике крупные кристаллы соли могут быть созданы путем затвердевания расплавленной жидкости или кристаллизации из раствора. Некоторые ионные соединения могут быть очень твердыми, например, оксиды алюминия , содержащиеся во многих драгоценных камнях, таких как рубин и синтетический сапфир .
Твердые тела с ковалентной связью (иногда называемые твердыми телами с ковалентной сетью ) обычно образуются из одного или нескольких неметаллов, таких как углерод или кремний и кислород, и часто являются очень твердыми, жесткими и хрупкими. Они также очень распространены, яркими примерами являются алмаз и кварц соответственно. [21]
Слабые силы Ван-дер-Ваальса также помогают удерживать вместе определенные кристаллы, такие как кристаллические молекулярные твердые тела , а также межслоевые связи в графите . Такие вещества, как жиры , липиды и воск, образуют молекулярные связи, поскольку большие молекулы не упаковываются так плотно, как атомные связи. Это приводит к тому, что кристаллы становятся намного мягче и их легче разрывать или ломать. Типичные примеры включают шоколад, свечи или вирусы. Водяной лед и сухой лед являются примерами других материалов с молекулярными связями. [22] Полимерные материалы обычно образуют кристаллические области, но длина молекул обычно препятствует полной кристаллизации, а иногда полимеры полностью аморфны.
Квазикристалл состоит из массивов атомов, которые упорядочены, но не строго периодически . У них есть много общих свойств с обычными кристаллами, например, отображение дискретного рисунка при дифракции рентгеновских лучей и способность образовывать формы с гладкими плоскими гранями.
Квазикристаллы наиболее известны своей способностью проявлять пятикратную симметрию, что невозможно для обычного периодического кристалла (см. кристаллографическую ограничительную теорему ).
Международный союз кристаллографии дал новое определение термину «кристалл», включив в него как обычные периодические кристаллы, так и квазикристаллы («любое твердое тело, имеющее по существу дискретную дифракционную диаграмму» [23] ).
Квазикристаллы, впервые обнаруженные в 1982 году, на практике встречаются довольно редко. Известно, что только около 100 твердых тел образуют квазикристаллы, по сравнению с примерно 400 000 периодическими кристаллами, известными в 2004 году. [24] Нобелевская премия по химии 2011 года была присуждена Дэну Шехтману за открытие квазикристаллов. [25]
Кристаллы могут обладать особыми электрическими, оптическими и механическими свойствами, которых обычно не имеют стекло и поликристаллы . Эти свойства связаны с анизотропией кристалла, т. е. с отсутствием вращательной симметрии в расположении его атомов. Одним из таких свойств является пьезоэлектрический эффект , при котором напряжение на кристалле может сжимать или растягивать его. Другой вариант — двойное лучепреломление , при котором при взгляде через кристалл появляется двойное изображение. Более 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 весьма различна в зависимости от направления напряжения.
Не все кристаллы обладают всеми этими свойствами. И наоборот, эти свойства не являются исключительными только для кристаллов. Они могут появиться в стеклах или поликристаллах , которые стали анизотропными в результате обработки или напряжения — например, двойного лучепреломления, вызванного напряжением .
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 .
Определения из Викисловаря
СМИ из Commons
Новости из Викиновостей
Цитаты из Wikiquote
Тексты из Wikisource
Учебники из Wikibooks
Ресурсы из Викиверситета
