Kur shikon kristalet dhe gurët e çmuar, dikush dëshiron të kuptojë se si mund të ishte shfaqur kjo bukuri misterioze, si krijohen vepra të tilla mahnitëse të natyrës. Ekziston një dëshirë për të mësuar më shumë për pronat e tyre. Në fund të fundit, struktura e veçantë, që nuk përsëritet askund në natyrë e kristaleve, i lejon ato të përdoren kudo: nga bizhuteritë deri te shpikjet më të fundit shkencore dhe teknike.
Studimi i mineraleve kristalore
Struktura dhe vetitë e kristaleve janë aq të shumëanshme sa që një shkencë e veçantë, mineralogjia, merret me studimin dhe studimin e këtyre fenomeneve. Akademiku i famshëm rus Alexander Evgenievich Fersman ishte aq i zhytur dhe i befasuar nga shumëllojshmëria dhe pafundësia e botës së kristaleve, saqë u përpoq të magjepste sa më shumë mendje me këtë temë. Në librin e tij Entertaining Mineralogy, ai me entuziazëm dhe ngrohtësi kërkoi të njihej me sekretet e mineraleve dhe të zhytej në botën e gurëve të çmuar:
Të dua shumëmagjeps. Unë dua që ju të filloni të interesoheni për malet dhe guroret, miniera dhe miniera, në mënyrë që të filloni të grumbulloni koleksione mineralesh, në mënyrë që të dëshironi të shkoni me ne nga qyteti më larg, në rrjedhën e lumit, ku atje janë brigje të larta shkëmbore, në majat e maleve ose në breg të detit shkëmbor, ku guri thyhet, rëra është minuar ose minerali shpërthen. Atje, kudo ti dhe unë do të gjejmë diçka për të bërë: dhe në shkëmbinj, rërë dhe gurë të vdekur, do të mësojmë të lexojmë disa ligje të mëdha të natyrës që qeverisin gjithë botën dhe sipas të cilave është ndërtuar e gjithë bota.
Fizika studion kristalet, duke argumentuar se çdo trup vërtet i fortë është një kristal. Kimia heton strukturën molekulare të kristaleve, duke arritur në përfundimin se çdo metal ka një strukturë kristalore.
Studimi i vetive mahnitëse të kristaleve ka një rëndësi të madhe për zhvillimin e shkencës moderne, teknologjisë, industrisë së ndërtimit dhe shumë industrive të tjera.
Ligjet bazë të kristaleve
Gjëja e parë që njerëzit vënë re kur shikojnë një kristal është forma e tij ideale e shumëanshme, por nuk është tipari kryesor i një minerali apo metali.
Kur një kristal thyhet në fragmente të vogla, asgjë nuk do të mbetet në formën ideale, por çdo fragment, si më parë, do të mbetet një kristal. Një tipar dallues i një kristali nuk është pamja e tij, por tiparet karakteristike të strukturës së tij të brendshme.
Simetrike
Gjëja e parë që duhet të mbani mend dhe të vini re kur studioni kristalet është fenomenisimetri. Është i përhapur në jetën e përditshme. Krahët e fluturës janë simetrike, një gjurmë e një njolle në një copë letre të palosur në gjysmë. Kristalet simetrike të borës. Floku gjashtëkëndor i borës ka gjashtë plane simetrie. Duke e përkulur figurën përgjatë çdo linje që përshkruan rrafshin e simetrisë së flokeve të borës, mund të kombinoni dy gjysmat e saj me njëra-tjetrën.
Aksi i simetrisë ka një veti të tillë që, duke rrotulluar një figurë me një kënd të njohur rreth saj, është e mundur të kombinohen pjesë të përshtatshme të figurës me njëra-tjetrën. Në varësi të madhësisë së një këndi të përshtatshëm me të cilin figura duhet të rrotullohet, akset e rendit të 2-të, 3-të, 4-të dhe 6-të përcaktohen në kristale. Kështu, te fjokat e borës, ekziston një bosht i vetëm simetrie i rendit të gjashtë, i cili është pingul me rrafshin e vizatimit.
Qendra e simetrisë është një pikë e tillë në rrafshin e figurës, në të njëjtën distancë nga e cila në drejtim të kundërt janë të njëjtat elementë strukturorë të figurës.
Çfarë ka brenda?
Struktura e brendshme e kristaleve është një lloj kombinimi i molekulave dhe atomeve në një rend të veçantë vetëm për kristalet. Si e dinë ata strukturën e brendshme të grimcave nëse ato nuk janë të dukshme as me mikroskop?
Rrezet X përdoren për këtë. Duke i përdorur ato për kristalet e tejdukshme, fizikani gjerman M. Laue, fizikanët anglezë baba e bir Bragg dhe profesori rus Yu. Wolf vendosën ligjet sipas të cilave studiohet struktura dhe struktura e kristaleve.
Gjithçka ishte befasuese dhe e papritur. Samokoncepti i strukturës së molekulës doli të ishte i pazbatueshëm për gjendjen kristalore të materies.
Për shembull, një substancë e tillë e njohur si kripa e tryezës ka përbërjen kimike të molekulës NaCl. Por në një kristal, atomet individuale të klorit dhe natriumit nuk mblidhen në molekula të veçanta, por formojnë një konfigurim të caktuar të quajtur një rrjetë hapësinore ose kristalore. Grimcat më të vogla të klorit dhe natriumit janë të lidhura elektrike. Rrjeta kristalore e kripës formohet si më poshtë. Një nga elektronet e valencës së shtresës së jashtme të atomit të natriumit futet në shtresën e jashtme të atomit të klorit, e cila nuk është e mbushur plotësisht për shkak të mungesës së elektronit të tetë në shtresën e tretë të klorit. Kështu, në një kristal, çdo jon i natriumit dhe i klorit nuk i përket një molekule, por të gjithë kristalit. Për shkak të faktit se atomi i klorit është njëvalent, ai mund të bashkojë vetëm një elektron me vete. Por tiparet strukturore të kristaleve çojnë në faktin se atomi i klorit është i rrethuar nga gjashtë atome natriumi dhe është e pamundur të përcaktohet se cili prej tyre do të ndajë një elektron me klorin.
Rezulton se molekula kimike e kripës së tryezës dhe kristali i saj nuk janë aspak e njëjta gjë. I gjithë kristali i vetëm është si një molekulë gjigante.
Grile - vetëm model
Gabimi duhet të shmanget kur rrjeta hapësinore merret si model real i strukturës kristalore. Grilë - një lloj imazhi i kushtëzuar i një shembulli të lidhjes së grimcave elementare në strukturën e kristaleve. Pikat e lidhjes së rrjetit në formën e topavevizualisht ju lejojnë të përshkruani atomet dhe linjat që i lidhin ato janë një imazh i përafërt i forcave lidhëse midis tyre.
Në realitet, boshllëqet midis atomeve brenda një kristali janë shumë më të vogla. Është një paketim i dendur i grimcave përbërëse të tij. Një top është një përcaktim konvencional i një atomi, përdorimi i të cilit bën të mundur pasqyrimin me sukses të vetive të paketimit të ngushtë. Në realitet, nuk ka një kontakt të thjeshtë të atomeve, por mbivendosje të pjesshme të tyre reciproke me njëri-tjetrin. Me fjalë të tjera, imazhi i një topi në strukturën e rrjetës kristalore është, për qartësi, sfera e paraqitur e një rrezeje të tillë që përmban pjesën kryesore të elektroneve të atomit.
Premtimi i forcës
Ekziston një forcë elektrike tërheqëse midis dy joneve të ngarkuar në mënyrë të kundërt. Është një lidhës në strukturën e kristaleve jonike siç është kripa e tryezës. Por nëse i afroni jonet shumë afër, atëherë orbitat e tyre të elektroneve do të mbivendosen me njëra-tjetrën dhe do të shfaqen forca refuzuese të grimcave me ngarkesë të ngjashme. Brenda kristalit, shpërndarja e joneve është e tillë që forcat refuzuese dhe tërheqëse janë në ekuilibër, duke siguruar forcë kristalore. Kjo strukturë është tipike për kristalet jonike.
Dhe në rrjetat kristalore të diamantit dhe grafitit ekziston një lidhje e atomeve me ndihmën e elektroneve të përbashkëta (kolektive). Atomet e vendosura ngushtë kanë elektrone të përbashkëta që rrotullohen rreth bërthamës së atomeve të njërit dhe fqinjëve.
Një studim i detajuar i teorisë së forcave me lidhje të tilla është mjaft i vështirë dhe qëndron në fushën e mekanikës kuantike.
Dallimet Metal
Struktura e kristaleve metalike është më komplekse. Për shkak të faktit se atomet metalike dhurojnë lehtësisht elektronet e jashtme të disponueshme, ato mund të lëvizin lirshëm në të gjithë vëllimin e kristalit, duke formuar të ashtuquajturin gaz elektronik brenda tij. Falë elektroneve të tilla "endacake", krijohen forca që sigurojnë forcën e shufrës metalike. Studimi i strukturës së kristaleve metalike reale tregon se, në varësi të metodës së ftohjes së një shufre metalike, mund të përmbajë papërsosmëri: sipërfaqe, pikë dhe lineare. Madhësia e defekteve të tilla nuk e kalon diametrin e disa atomeve, por ato shtrembërojnë rrjetën kristalore dhe ndikojnë në proceset e difuzionit në metale.
Rritja Kristal
Për një kuptim më të përshtatshëm, rritja e një substance kristalore mund të përfaqësohet si ngritja e një strukture me tulla. Nëse një tullë e një murature të papërfunduar paraqitet si pjesë përbërëse e një kristali, atëherë është e mundur të përcaktohet se ku do të rritet kristali. Vetitë energjetike të kristalit janë të tilla që tulla e vendosur në tullën e parë do të përjetojë tërheqje nga njëra anë - nga poshtë. Kur shtriheni në të dytën - nga dy anët, dhe në të tretën - nga tre. Në procesin e kristalizimit - kalimi nga një gjendje e lëngshme në një gjendje të ngurtë - lirohet energjia (nxehtësia e shkrirjes). Për fuqinë më të madhe të sistemit, energjia e tij e mundshme duhet të priret në minimum. Prandaj, rritja e kristaleve ndodh shtresë pas shtrese. Së pari, do të përfundojë një rresht i avionit, pastaj i gjithë avioni dhe vetëm atëherë do të fillojë të ndërtohet tjetri.
Shkenca ekristale
Ligji bazë i kristalografisë - shkenca e kristaleve - thotë se të gjitha këndet ndërmjet planeve të ndryshme të faqeve të kristalit janë gjithmonë konstante dhe të njëjta. Pavarësisht se sa i shtrembëruar është një kristal në rritje, këndet midis faqeve të tij ruajnë të njëjtën vlerë të natyrshme në këtë lloj. Pavarësisht nga madhësia, forma dhe numri, faqet e të njëjtit plan kristali kryqëzohen gjithmonë në të njëjtin kënd të paracaktuar. Ligji i qëndrueshmërisë së këndeve u zbulua nga M. V. Lomonosov në 1669 dhe luajti një rol të madh në studimin e strukturës së kristaleve.
Anizotropi
E veçanta e procesit të formimit të kristalit është për shkak të fenomenit të anizotropisë - karakteristika të ndryshme fizike në varësi të drejtimit të rritjes. Kristalet e vetme përcjellin elektricitetin, nxehtësinë dhe dritën ndryshe në drejtime të ndryshme dhe kanë forcë të pabarabartë.
Kështu, i njëjti element kimik me të njëjtat atome mund të formojë rrjeta të ndryshme kristalore. Për shembull, karboni mund të kristalizohet në diamant dhe në grafit. Në të njëjtën kohë, diamanti është një shembull i forcës maksimale midis mineraleve dhe grafiti lë lehtësisht shkallët e tij kur shkruan me laps në letër.
Matja e këndeve ndërmjet faqeve të mineraleve ka një rëndësi të madhe praktike për përcaktimin e natyrës së tyre.
Veçoritë themelore
Pasi mësuam tiparet strukturore të kristaleve, mund të përshkruajmë shkurtimisht vetitë e tyre kryesore:
- Anizotropia - vetitë e pabarabarta në drejtime të ndryshme.
- Uniformitet - elementarepërbërësit e kristaleve, të ndarë në një distancë të barabartë, kanë të njëjtat veti.
- Aftësia për të prerë vetë - çdo fragment i një kristali në një mjedis të përshtatshëm për rritjen e tij do të marrë një formë të shumëanshme dhe do të mbulohet me fytyra që korrespondojnë me këtë lloj kristalesh. Është kjo veti që lejon kristalin të ruajë simetrinë e tij.
- Pandryshueshmëria e pikës së shkrirjes. Shkatërrimi i rrjetës hapësinore të një minerali, domethënë kalimi i një lënde kristalore nga një gjendje e ngurtë në një gjendje të lëngshme, ndodh gjithmonë në të njëjtën temperaturë.
Kristalet janë lëndë të ngurta që kanë marrë formën natyrale të një poliedri simetrik. Struktura e kristaleve, e karakterizuar nga formimi i një grilë hapësinore, shërbeu si bazë për zhvillimin në fizikë të teorisë së strukturës elektronike të një trupi të ngurtë. Studimi i vetive dhe strukturës së mineraleve ka një rëndësi të madhe praktike.
