Ao olhar para cristais e gemas, queremos entender como essa beleza misteriosa pode ter surgido, como são criadas obras tão incríveis da natureza. Há um desejo de aprender mais sobre suas propriedades. Afinal, a estrutura especial dos cristais, que não se repete em nenhum lugar da natureza, permite que eles sejam usados em todos os lugares: de joias às mais recentes invenções científicas e técnicas.
Estudo de minerais cristalinos
A estrutura e as propriedades dos cristais são tão multifacetadas que uma ciência separada, a mineralogia, está envolvida no estudo e estudo desses fenômenos. O famoso acadêmico russo Alexander Evgenievich Fersman ficou tão absorto e surpreso com a diversidade e a infinidade do mundo dos cristais que tentou cativar o maior número possível de mentes com esse tema. Em seu livro Entertaining Mineralogy, ele pediu entusiasticamente e calorosamente para se familiarizar com os segredos dos minerais e mergulhar no mundo das gemas:
eu quero muito vocêcativar. Eu quero que você comece a se interessar por montanhas e pedreiras, minas e minas, para que você comece a coletar coleções de minerais, para que você queira ir conosco da cidade mais distante, até o curso do rio, onde há são altos bancos rochosos, aos cumes das montanhas ou à beira-mar rochosa, onde a pedra é quebrada, a areia é extraída ou o minério está explodindo. Lá, em todos os lugares você e eu encontraremos algo para fazer: e em rochas mortas, areias e pedras, aprenderemos a ler algumas grandes leis da natureza que governam o mundo inteiro e segundo as quais o mundo inteiro é construído.
A física estuda os cristais, argumentando que qualquer corpo realmente sólido é um cristal. A química investiga a estrutura molecular dos cristais, chegando à conclusão de que qualquer metal tem uma estrutura cristalina.
O estudo das incríveis propriedades dos cristais é de grande importância para o desenvolvimento da ciência moderna, tecnologia, indústria da construção e muitas outras indústrias.
Leis básicas dos cristais
A primeira coisa que as pessoas notam ao olhar para um cristal é sua forma multifacetada ideal, mas não é a principal característica de um mineral ou metal.
Quando um cristal é quebrado em pequenos fragmentos, nada restará da forma ideal, mas qualquer fragmento, como antes, permanecerá um cristal. Uma característica distintiva de um cristal não é sua aparência, mas as características de sua estrutura interna.
Simétrico
A primeira coisa a lembrar e observar ao estudar cristais é o fenômenosimetria. É difundido na vida cotidiana. As asas de borboleta são simétricas, uma impressão de uma mancha em um pedaço de papel dobrado ao meio. Cristais de neve simétricos. O floco de neve hexagonal tem seis planos de simetria. Ao dobrar a imagem ao longo de qualquer linha que represente o plano de simetria do floco de neve, você pode combinar suas duas metades uma com a outra.
O eixo de simetria tem tal propriedade que, girando uma figura em um ângulo conhecido em torno dela, é possível combinar partes adequadas da figura entre si. Dependendo do tamanho de um ângulo adequado pelo qual a figura precisa ser girada, os eixos de 2ª, 3ª, 4ª e 6ª ordem são determinados nos cristais. Assim, nos flocos de neve, existe um único eixo de simetria de sexta ordem, que é perpendicular ao plano de desenho.
O centro de simetria é tal ponto no plano da figura, à mesma distância do qual na direção oposta estão os mesmos elementos estruturais da figura.
O que tem dentro?
A estrutura interna dos cristais é um tipo de combinação de moléculas e átomos em uma ordem peculiar apenas aos cristais. Como eles conhecem a estrutura interna das partículas se elas não são visíveis mesmo com um microscópio?
Raios-X são usados para isso. Usando-os em cristais translúcidos, o físico alemão M. Laue, os físicos ingleses pai e filho Bragg e o professor russo Yu. Wolf estabeleceram as leis segundo as quais a estrutura e a estrutura dos cristais são estudadas.
Tudo foi surpreendente e inesperado. Samoo conceito da estrutura da molécula acabou sendo inaplicável ao estado cristalino da matéria.
Por exemplo, uma substância tão conhecida como o sal de cozinha tem a composição química da molécula de NaCl. Mas em um cristal, átomos individuais de cloro e sódio não se somam para separar as moléculas, mas formam uma certa configuração chamada de rede espacial ou cristalina. As menores partículas de cloro e sódio são eletricamente ligadas. A rede cristalina do sal é formada como se segue. Um dos elétrons de valência da camada externa do átomo de sódio é introduzido na camada externa do átomo de cloro, que não está completamente preenchida devido à ausência do oitavo elétron na terceira camada de cloro. Assim, em um cristal, cada íon de sódio e cloro não pertence a uma molécula, mas a todo o cristal. Devido ao fato de que o átomo de cloro é monovalente, ele pode anexar apenas um elétron a si mesmo. Mas as características estruturais dos cristais levam ao fato de que o átomo de cloro é cercado por seis átomos de sódio, e é impossível determinar qual deles compartilhará um elétron com o cloro.
Acontece que a molécula química do sal de cozinha e seu cristal não são a mesma coisa. Todo o cristal único é como uma molécula gigante.
Grille - apenas modelo
O erro deve ser evitado quando a rede espacial é tomada como um modelo real da estrutura cristalina. Malha - uma espécie de imagem condicional de um exemplo da conexão de partículas elementares na estrutura dos cristais. Pontos de ligação à rede em forma de bolaspermitem que você descreva os átomos visualmente, e as linhas que os conectam são uma imagem aproximada das forças de ligação entre eles.
Na realidade, as lacunas entre os átomos dentro de um cristal são muito menores. É um denso empacotamento de suas partículas constituintes. Uma bola é uma designação convencional de um átomo, cujo uso permite refletir com sucesso as propriedades do empacotamento fechado. Na realidade, não há um simples contato de átomos, mas sua sobreposição parcial mútua entre si. Em outras palavras, a imagem de uma bola na estrutura da rede cristalina é, para maior clareza, a esfera representada de tal raio que contém a parte principal dos elétrons do átomo.
Promessa de força
Existe uma força elétrica de atração entre dois íons de cargas opostas. É um aglutinante na estrutura de cristais iônicos, como o sal de mesa. Mas se você aproximar os íons, suas órbitas eletrônicas se sobreporão, e forças repulsivas de partículas com carga semelhante aparecerão. Dentro do cristal, a distribuição de íons é tal que as forças repulsivas e atrativas estão em equilíbrio, proporcionando força cristalina. Esta estrutura é típica para cristais iônicos.
E nas redes cristalinas de diamante e grafite há uma conexão de átomos com a ajuda de elétrons comuns (coletivos). Átomos muito próximos têm elétrons comuns que giram em torno do núcleo de um átomo e dos átomos vizinhos.
Um estudo detalhado da teoria das forças com tais ligações é bastante difícil e está no campo da mecânica quântica.
Diferenças de metal
A estrutura dos cristais metálicos é mais complexa. Devido ao fato de os átomos de metal doarem facilmente os elétrons externos disponíveis, eles podem se mover livremente por todo o volume do cristal, formando o chamado gás de elétrons em seu interior. Graças a esses elétrons "errantes", são criadas forças que garantem a resistência do lingote de metal. O estudo da estrutura de cristais metálicos reais mostra que, dependendo do método de resfriamento de um lingote metálico, este pode conter imperfeições: superficiais, pontuais e lineares. O tamanho de tais defeitos não excede o diâmetro de vários átomos, mas distorce a rede cristalina e afeta os processos de difusão em metais.
Crescimento Cristal
Para uma compreensão mais conveniente, o crescimento de uma substância cristalina pode ser representado como a ereção de uma estrutura de tijolos. Se um tijolo de uma alvenaria inacabada for apresentado como parte integrante de um cristal, é possível determinar onde o cristal crescerá. As propriedades de energia do cristal são tais que o tijolo colocado no primeiro tijolo experimentará atração de um lado - de baixo. Ao colocar no segundo - de dois lados e no terceiro - de três. No processo de cristalização - a transição do estado líquido para o sólido - é liberada energia (calor de fusão). Para a maior resistência do sistema, sua energia possível deve tender ao mínimo. Portanto, o crescimento dos cristais ocorre camada por camada. Primeiro, uma fileira do avião será completada, depois o avião inteiro, e só então o próximo começará a ser construído.
Ciência dacristais
A lei básica da cristalografia - a ciência dos cristais - diz que todos os ângulos entre os diferentes planos das faces do cristal são sempre constantes e iguais. Não importa quão distorcido seja um cristal em crescimento, os ângulos entre suas faces mantêm o mesmo valor inerente a esse tipo. Independentemente do tamanho, forma e número, as faces do mesmo plano cristalino sempre se cruzam no mesmo ângulo predeterminado. A lei da constância dos ângulos foi descoberta por M. V. Lomonosov em 1669 e desempenhou um papel importante no estudo da estrutura dos cristais.
Anisotropia
A peculiaridade do processo de formação de cristais deve-se ao fenômeno da anisotropia - características físicas diferentes dependendo da direção de crescimento. Os cristais únicos conduzem eletricidade, calor e luz de maneira diferente em diferentes direções e têm força desigual.
Assim, o mesmo elemento químico com os mesmos átomos pode formar diferentes redes cristalinas. Por exemplo, o carbono pode cristalizar em diamante e em grafite. Ao mesmo tempo, o diamante é um exemplo da força máxima entre os minerais, e o grafite deixa facilmente suas escamas ao escrever com um lápis no papel.
Medir os ângulos entre as faces dos minerais é de grande importância prática para determinar sua natureza.
Funções Básicas
Tendo aprendido as características estruturais dos cristais, podemos descrever brevemente suas principais propriedades:
- Anisotropia - propriedades irregulares em diferentes direções.
- Uniformidade - elementaros constituintes dos cristais, igualmente espaçados, têm as mesmas propriedades.
- A capacidade de auto-corte - qualquer fragmento de um cristal em um meio adequado ao seu crescimento terá uma forma multifacetada e será coberto com faces correspondentes a esse tipo de cristal. É esta propriedade que permite ao cristal manter sua simetria.
- A invariância do ponto de fusão. A destruição da rede espacial de um mineral, ou seja, a transição de uma substância cristalina do estado sólido para o líquido, ocorre sempre à mesma temperatura.
Cristais são sólidos que tomaram a forma natural de um poliedro simétrico. A estrutura dos cristais, caracterizada pela formação de uma rede espacial, serviu de base para o desenvolvimento em física da teoria da estrutura eletrônica de um sólido. O estudo das propriedades e estrutura dos minerais é de grande importância prática.
