Основные свойства кристаллического вещества Теория

Основные свойства кристаллического вещества
Теория решётчатого строения кристаллов была создана в середине 19
века французским кристаллографом О. Бравэ, а затем русский кристаллограф
академик Е. С. Фёдоров и немецкий учёный А. Шенфлис завершили
математическую разработку этой теории. При создании и разработке теории
решетчатого строения кристаллов Бравэ, Фёдоров и др. кристаллографы
основывались
исключительно
на
некоторых
важных
свойствах
кристаллического вещества.
Основными свойствами кристаллов являются их однородность,
анизотропность, способность самоограняться и симметричность.
Однородным обычно называют тело, которое обнаруживает
одинаковые свойства во всех своих частях. Кристаллическое тело однородно,
т. к. различные участки его имеют одинаковое строение, т. е. одинаковую
ориентировку слагающих частиц, принадлежащих одной и той же
пространственной решётке. Однородность кристалла следует отличать от
однородности жидкости или газа, которая имеет статистический характер.
Анизотропным называется такое однородное тело, которое обладает
неодинаковыми
свойствами
по
непараллельным
направлениям.
Кристаллическое тело анизотропно, т. к. строение пространственной
решётки, а значит и самого кристалла, в общем случае неодинаково по
непараллельным направлениям. По параллельным же направлениям частицы
слагающие кристалл, как и узлы его пространственной решётки,
расположены строго одинаковым образом, поэтому и свойства кристалла по
таким направлениям должны быть одними и теми же.
Характерный пример резко выраженной анизотропности представляет
слюда, кристаллы которой легко расщепляются лишь по одному
определённому направлению. В качестве другого яркого примера
анизотропности можно привести минерал дистен (AlOAl[SiO4]), у кристаллов
которого боковые грани имеют сильно различающиеся значения твердости в
продольном и поперечном направлениях. Если из кристалла каменной соли,
имеющего форму куба, вырезать стерженьки по разным направлениям, то для
разрыва этих стерженьков потребуются разные усилия. Стерженёк,
перпендикулярный граням куба, разорвётся при усилии около 570 Г/мм2; для
стерженька, параллельного гранным диагоналям, разрывающее усилие
составит 1150 Г/мм2, а разрыв стерженька, параллельного телесной
диагонали куба, произойдет при усилии 2150 Г/мм2.
Приведенные примеры, конечно, исключительны по своей
характерности. Однако точными исследованиями установлено, что
абсолютно все кристаллы в том или ином отношении обладают
анизотропностью.
Однородностью и в некоторой степени анизотропностью могут
обладать также и аморфные тела. Но ни при каких условиях аморфные
вещества не могут сами по себе принимать форму многогранников.
Образовываться в виде плоскостных многогранников могут лишь
кристаллические тела. В способности самоограняться, т. е. принимать
многогранную форму, проявляется наиболее характерный внешний признак
кристаллического вещества.
Правильная геометрическая форма кристаллов с давних пор привлекала
внимание человека, и её загадочность вызывала в прошлом у людей
различные суеверия. Кристаллы таких веществ, как алмаз, изумруд, рубин,
сапфир, аметист, топаз, бирюза, гранат и др., ещё в 18 в. считались
носителями сверхъестественных сил и использовались не только как
драгоценные украшения, но и как талисманы или средство от многих
болезней и укусов ядовитых змей.
На самом же деле способность самоограняться, как и первые два
свойства, является следствием правильного внутреннего строения
кристаллического вещества. Внешние границы кристаллов как бы отражают
эту правильность их внутреннего строения, ибо каждый кристалл можно
рассматривать как часть его пространственной решётки, ограниченной
плоскостями (гранями).
Необходимо вместе с тем отметить, что способность кристаллического
вещества самоограняться проявляется не всегда, а только при особоблагоприятных условиях, когда внешняя окружающая среда не мешает
образованию и свободному росту кристаллов. При отсутствии таких условий
получаются или совершенно неправильные или частично деформированные
кристаллы. Несмотря на это они сохраняют все свои внутренние свойства, в
том числе и причины, заставляющие кристаллы принимать форму
многогранника. Поэтому, если кристаллическое зерно неправильной формы
поместить в определённые условия, в которых кристалл сможет свободно
расти, то оно примет через некоторое время форму плоскостного
многогранника, присущую данному веществу.
Симметрия кристаллов также является отражением их закономерного
внутреннего строения. Все кристаллы в той или иной степени симметричны,
т. е. состоят из закономерно повторяющихся равных частей, так как их
строение выражается пространственной решёткой, которая по своей природе
всегда симметрична.
Открытие мюнхенским физиком М. Лауэ в 1912 г. явления дифракции
рентгеновских лучей при их прохождении через кристалл явилось первым
экспериментальным подтверждением правильности теории решетчатого
строения кристаллического вещества. С этого момента стало возможным, с
одной стороны, посредством кристаллов исследовать рентгеновские лучи, а с
другой - с помощью рентгеновских лучей исследовать внутреннее строение
кристаллов. Таким путём было доказано, что абсолютно все кристаллы
состоят из частиц, расположенных друг относительно друга закономерно,
наподобие узлов пространственной решётки.
После опытов Лауэ теория решетчатого строения кристаллов перестала
быть только лишь умозрительным построением и приобрела форму закона.
Распространённость кристаллических веществ
Неосведомлённому человеку может показаться, что кристаллические
тела встречаются в природе очень редко. Действительно, природные
монокристаллические
образования,
имеющие
вид
плоскостных
многогранников, представляют большую редкость. Это, в первую очередь,
относится к кристаллам большой величины, размеры которых в отдельных
случаях могут достигать человеческого роста. Таковы гигантские кристаллы
кварца и гипса, хранящиеся в Московском минералогическом музее АН
России и в Горном музее Санкт-Петербургского горного института. В 1958 г.
в Средней Азии был найден уникальный кристалл кварца весом около 30 т.,
длиной 7,5 м. и шириной 1,6 м.
Разумеется, описанные случаи относятся к числу выдающихся. Обычно
же приходится иметь дело с гораздо более мелкими и нередко
микроскопическими кристалликами.
В наиболее общем случае кристаллизация происходит из многих
центров одновременно, поэтому отдельные кристаллы в процессе своего
роста приходят в соприкосновение друг с другом и не могут приобрести
геометрически
правильную
огранку.
В
результате
образуются
поликристаллические тела, состоящие из множества кристаллических зёрен с
криволинейными очертаниями, которые часто называют “кристаллитами”.
Тем не менее, как было установленно рентгеноскопическими
исследованиями, кристаллиты обладают таким же закономерным внутренним
строением, что и кристаллические многогранники.
Из подобных кристаллических зёрен различной крупности, от видимых
простым глазом до не различимых даже под микроскопом, состоят,
например, металлы и сплавы, кирпич и бетон, твёрдые шлаки и минеральные
удобрения, самые разнообразные продукты химической и пищевой
промышленности. То же самое можно сказать и о подавляющем большинстве
горных пород, слагающих земную кору, которые образовались из
застывающей магмы (граниты, базальты, диориты, перидотиты и др.),
кристаллическими являются также руды железа и цветных металлов и
осадочные породы органогенного и химического происхождения известняки, доломиты, гипс, каменная соль и т. п. Из мельчайших обломков
кристаллов состоят и такие распространенные механические осадки, как
песок, глина и алеврит. Кристаллические вещества принимают участие даже
в строении органического мира. Например, роговица глаза, зубы, некоторые
кости скелета, пчелиный воск - представляют собой агрегаты мельчайших
кристалликов, не обнаруживаемых с помощью обычных микроскопов.
Благодаря применению рентгеновских лучей и электронных
микроскопов круг известных нам кристаллических веществ всё более
расширяется. Имеющиеся данные достаточно убедительно свидетельствуют
о чрезвычайной распространённости кристаллов в природе. Образно
выражаясь, мы живем в мире кристаллов, ибо кристаллы окружают нас
всюду.