1.1: Будова кристалів
- Page ID
- 26118
У контексті цієї глави вам також буде запропоновано відвідати ці розділи...
Всі ми чули про природні мінерали і кристали. Ми знаходимо їх щодня, не входячи до музею. Скеля і гора складаються з мінералів, таких кристалічних, як грудка цукру, трохи порцеляни або золотого кільця. Однак лише зрідка розмір кристала досить великий, щоб привернути нашу увагу, як це стосується цих прекрасних мінеральних прикладів: алмаз (чистий вуглець) - кварц (діоксид кремнію) - скаполіт (силікат алюмінію) - пірит (сульфід заліза)
Деякі з цих зображень є власністю Amethyst Galleries, Inc.
Інші чудові зображення мінералів можна знайти за цим посиланням.
Хоча ви можете продовжувати читати ці сторінки без особливих труднощів, напевно, ви хотіли б знати деякі аспекти історичного розвитку нашого розуміння кристалів. Для цих читачів ми пропонуємо деякі подальші замітки, які можна знайти за цим посиланням.
Стародавні греки ототожнювали кварц зі словом кристал (ρσααλλγγγγ-crystallos, або фонетично kroos'-tal-los = холодний + крапля), тобто дуже холодні бурульки надзвичайної твердості. Але утворення кристалів не є унікальною властивістю мінералів; вони також містяться (але не обов'язково природним чином) в так званих органічних сполуках, і навіть в нуклеїнових кислотах, в білках і в вірусах...
Кристал - це матеріал, складові якого, такі як атоми, молекули або іони, розташовані у високо впорядкованій мікроскопічній структурі. Ці складові утримуються разом міжатомними силами (хімічними зв'язками), такими як металеві зв'язки, іонні зв'язки, ковалентні зв'язки, зв'язки ван дер Ваальса та ін.
Кристалічний стан речовини - це стан з вищим порядком, тобто з дуже високими внутрішніми кореляціями і в найбільшому діапазоні відстані. Це відбивається на їх властивостях: анізотропних і переривчастих. Кристали зазвичай виглядають як незмінні, однорідні та з чітко визначеними геометричними формами (звичками), коли вони добре сформовані. Однак, як ми говоримо іспанською мовою, «звичка не робить ченця» (одяг не робить чоловіка), і їх зовнішня морфологія недостатньо для оцінки кристалічності матеріалу.
У фільмі нижче показаний процес зростання кристалів лізоциму (дуже стійкого ферменту) з водного середовища. Тривалість реального процесу, який займає кілька секунд на екрані, відповідає приблизно 30 хвилин.
Оригінальний фільм був знайдений на старому сайті, запропонованому Джорджем Шелдріком.
На малюнку зліва показано зображення граней даного кристала. Якщо ваш браузер дозволяє Java Runtime, натискання на зображення відкриє нове вікно і ви зможете перетворити цей об'єкт. Якщо у вас немає цього додатка, ви все одно можете спостерігати обертання моделі в безперервному режимі за цим посиланням.
Інші спливаючі вікна Java облич і форм (звичок) для ідеальних кристалів можна отримати за цим посиланням.
Отже, ми запитуємо себе, чим унікальні кристали, що відрізняє їх від інших видів матеріалів? Так звана мікроскопічна кристалічна структура характеризується групами іонів, атомів або молекул, розташованих в плані якоїсь моделі періодичного повторення , і це поняття (періодичність) легко зрозуміти, якщо подивитися на малюнки в килимі, в мозаїці, або військовому параді...
Повторювані мотиви в килимі
Повторювані мотиви в мозаїці
Повторні мотиви у військовому параді
Якщо ми уважно подивимося на ці малюнки, ми виявимо, що завжди є частка їх, яка повторюється. У кристалах атоми, іони або молекули упаковані таким чином, що вони породжують «мотиви» (заданий набір або одиниця), які повторюються кожні 5 Ангстрем, аж до сотень Ангстрема (1 Ангстрем = 10 -8 см), і це повторення в трьох вимірах відоме як кристалічна решітка. Мотив або одиниця, яка повторюється, впорядкованими зміщеннями в трьох вимірах, виробляє мережу (весь кристал), і ми називаємо її елементарною клітиною або одиничною клітиною. Вміст одиниці, що повторюється (атоми, молекули, іони) також можна намалювати як точку (сітчасту точку), яка представляє кожну складову мотиву. Наприклад, кожен солдат на малюнку вище міг бути ретикулярною точкою.
Але бувають випадки, коли повторення порушено, або воно не є точним, і саме ця особливість відрізняє кристал від скла, або взагалі, від матеріалів, званих аморфними (невпорядкованими або погано впорядкованими)...
Планарна атомна модель впорядкованого матеріалу (кристала)
Планарна атомна модель скла (аморфний матеріал)
Однак матерія не повністю впорядкована або невпорядкована (кристалічна або некристалічна), і тому ми можемо знайти безперервну деградацію порядку (ступінь кристалічності) у матеріалах, яка йде від ідеально впорядкованого (кристалічного ) до повністю невпорядкованої (аморфної). Ця поступова втрата порядку, яка присутня в матеріалах, еквівалентна тому, що ми бачимо в дрібних деталах наступної фотографії гімнастичних тренувань, яка дещо впорядкована, але деякі люди носять штани, інші носять спідниці, деякі в різних положеннях або трохи поза лінією...
У кристалічній структурі (впорядкованому) неорганічних матеріалів повторюваними одиницями (або мотивами) є атоми або іони, які пов'язані між собою таким чином, що ми зазвичай не розрізняємо ізольовані одиниці і, отже, їх стабільність і твердість (іонні кристали, головним чином)...
Кристалічна структура неорганічного матеріалу: α -кварц
Там, де ми чітко розрізняємо ізольовані одиниці, це стосується так званих органічних матеріалів, де з'являється поняття ізольованої сутності (молекули). Молекули складаються з атомів, пов'язаних між собою. Однак зв'язки між молекулами всередині кристала дуже слабкі (молекулярні кристали). Таким чином, вони, як правило, більш м'які та нестійкі матеріали, ніж неорганічні.
Кристалічна структура органічного матеріалу: Циннамамід
Кристали білка також містять молекулярні одиниці (молекули), як і в органічних матеріалах, але набагато більші. Тип сил, що зв'язують ці молекули, також схожі, але їх упаковка в кристали залишає безліч отворів, які заповнені молекулами води (не обов'язково впорядковані) і звідси їх крайня нестійкість...
Кристалічна структура білка: Athal3.
Молекулярна упаковка виробляє дуже великі отвори
Різні режими упаковки в кристалах призводять до так званих поліморфних фаз (алотропних фаз елементів), які надають різним властивостям цим кристалам (цим матеріалам). Наприклад, всі ми знаємо різні види та властивості вуглецю хімічного елемента, який присутній у природі у двох різних кристалічних формах, алмазі та графіті:
Праворуч: Графіт (чистий вуглець)
Графіт чорний, м'який і чудовий мастило, що говорить про те, що його атоми повинні бути розподілені (упаковані) таким чином, щоб пояснити ці властивості. Однак алмази прозорі і дуже тверді, так що ми можемо очікувати, що їх атоми дуже міцно пов'язані між собою. Дійсно, їх субмікроскопічні структури (на атомному рівні) показують нам свої відмінності...
Праворуч: Графіт, що показує його шарувату кристалічну структуру
У структурі алмазу кожен атом вуглецю пов'язаний з чотирма іншими у вигляді дуже компактної тривимірної мережі (ковалентні кристали), звідси його надзвичайна твердість і властивість електричного ізолятора. Однак в структурі графіту атоми вуглецю розташовані паралельними шарами набагато більш відокремленими, ніж атоми в одному шарі. Завдяки цим слабким зв'язкам між атомними шарами графіту шари можуть ковзати без особливих зусиль, а отже, придатність графіту як мастила, його використання для ручок та як електричний провідник.
А якщо говорити про провідників... Атоми металів в металевих кристалах структуровані таким чином, що деякі делокалізовані електрони дають згуртованість кристалів і відповідають за їх електричні властивості.
Перш ніж закінчити цю главу, давайте представимо кілька слів про так звані квазікристали...
Квазікристал - це «впорядкована» структура, але не ідеально періодична, як кристали. Повторювані візерунки (набори атомів тощо) квазікристалічних матеріалів можуть заповнювати весь наявний простір безперервно, але вони не відображають точного повторення шляхом перекладу. І, що стосується симетрії, то в той час як кристали (за законами класичної кристалографії) можуть відображати осі обертання тільки порядку 2, 3, 4 і 6, квазікристали показують інші осі симетрії обертання, як наприклад порядку 10
На цьому веб-сайті ми не будемо звертати уваги на випадок квазікристалів. Тому, якщо вам це цікаво, перейдіть за цим посиланням, де Штеффен Вебер порівняно простим способом описує ці типи матеріалів з теоретичної точки зору, і де також можна знайти деякі додаткові джерела інформації. проконсультуйтеся з сайтом, запропонованим Paul J, Steinhardt в Університеті Прінстона.
Нобелівська премія з хімії 2011 була присуджена Даніелю Шехтману відкриттям квазікристалів у 1984 році..
Очевидно, багато питань, які задасть читач, зайшовши так далеко, і одне з найбільш очевидних: як ми знаємо структуру кристалів? На це та інші питання будуть відповіді в наступних розділах, і тому ми закликаємо вас проконсультуватися з ними...