Mestna izobraževalna ustanova "Srednja šola Ivanovskaya"

Delo končano:

Meschanova Kristina, študentka

Mestna izobraževalna ustanova "Srednja šola Ivanovskaya"

7 let študija.

Znanstveni svetnik:

Sohoreva Natalija Aleksandrovna

Ivanovka, 2010

Uvod…………………………………………………………………………………………………………………………………… ………… …………3

Kristali. Vrste kristalov………………………………………………………………………………………………………….4

Struktura kristalov…………………………………………………………………………………………………………………………… ………7

Uporaba kristalov v praksi……………………………………………………………………………………14

Gojenje kristalov…………………………………………………………………………………………………………….16

Zaključek………………………………………………………………………………………………………………………………… ……20

Uvod.

Kdo med nami še ni občudoval oblike in barve dragih kamnov, idealne in edinstvene oblike snežink? Kaj je razlog za to lepoto in neverjetno natančno obliko?

Že dolgo je bilo ugotovljeno, da se nekatera trdna telesa v naravi pojavljajo v obliki kristalov - teles, katerih ploskve so pravilni poligoni. Vendar pa so fino kristalinične snovi precej pogoste. Na primer, skoraj vse kamnine: granit, peščenjak in apnenec so kristalne. Trenutno naslednje vede preučujejo raznolikost kristalov:

Kristalografija - razkriva znake enotnosti v tej raznolikosti, preučuje lastnosti in strukturo tako posameznih kristalov kot kristalnih agregatov.

kristalna optika preučuje optične lastnosti kristalov.

kristalna kemija preučuje vzorce nastajanja kristalov iz različnih snovi in ​​v različnih okoljih.

Kristalografija ni nova veda. M. V. Lomonosov stoji pri njegovem izvoru. Toda gojenje umetnih kristalov je kasnejša stvar. Leta 1947 je izšla priljubljena knjiga Shubnikova "Nastajanje kristalov". Ta znanstvena praksa je zrasla iz mineralogije, znanosti o kristalih in amorfnih trdnih snoveh. Gojenje kristalov je postalo mogoče zaradi preučevanja mineraloških podatkov o nastajanju kristalov v naravnih razmerah. S preučevanjem narave kristalov so ugotovili sestavo, iz katere so zrasli, in pogoje za njihovo rast. In zdaj se ti procesi posnemajo in pridobivajo kristale z določenimi lastnostmi. Pri izdelavi kristalov sodelujejo kemiki in fiziki. Če prvi razvijajo tehnologijo rasti, drugi določajo njihove lastnosti.

Zahvaljujoč kristalografiji je znanih veliko metod umetnega gojenja kristalov. Nekatere kristale lahko gojimo celo doma. Mnogi kristali so produkti vitalne dejavnosti organizmov. Nekatere vrste mehkužcev imajo sposobnost rasti sedefa na tujkih, ujetih v lupini. V 5-10 letih se oblikuje biserni dragi kamen. V naravi najdemo kristale, kot so kameni kristal, fluorit, islandski špat in kamena sol. Žal jih brez posebne opreme ni mogoče gojiti, a na srečo obstaja veliko drugih čudovitih kristalov, ki jih lahko vzgojite doma ali z njimi celo okrasite svoj dom.

Namen dela: preučiti strukturo kristalov, metode za proizvodnjo umetnih kristalov in uporabo kristalov v praksi.

^ Kristali. Vrste kristalov.

Kristali (iz grščine κρύσταλλος, sprva - led, kasneje - kamniti kristal, kristal) so trdna telesa, v katerih so atomi pravilno razporejeni in tvorijo tridimenzionalno periodično prostorsko razporeditev - kristalno mrežo.

Kristali so trdne snovi, ki imajo naravno zunanjo obliko pravilnih simetričnih poliedrov, ki temelji na njihovi notranji strukturi, to je na eni od več specifičnih pravilnih razporeditev delcev, ki sestavljajo snov (atomi, molekule, ioni).

Sestavni delci te trdne snovi tvorijo kristalno mrežo. Če so kristalne mreže prostorsko enake ali podobne (imajo enako simetrijo), potem je geometrična razlika med njimi predvsem v različnih razdaljah med delci, ki zasedajo mrežna mesta. Same razdalje med delci se imenujejo parametri mreže. Parametri mreže, kot tudi koti geometrijskih poliedrov, so določeni s fizikalnimi metodami strukturne analize. Trdne snovi pogosto tvorijo (odvisno od pogojev) več kot eno obliko kristalne mreže; takšne oblike imenujemo polimorfne modifikacije.

Vrste kristalov

Treba je ločiti idealni in pravi kristal. Idealni kristal je v resnici matematični objekt, ki ima popolno inherentno simetrijo, idealizirane gladke gladke robove itd. Pravi kristal vedno vsebuje različne napake v notranji strukturi rešetke, popačenja in nepravilnosti na ploskvah ter ima zmanjšano simetrijo poliedra zaradi specifičnih pogojev rasti, heterogenosti hranilnega medija, poškodb in deformacij. Ni nujno, da ima pravi kristal kristalografske ploskve in pravilno obliko, ohranja pa svojo glavno lastnost – pravilen položaj atomov v kristalni mreži.

Velik monokristal, ki ima bolj ali manj pravilno obliko, imenujemo monokristal. Značilnost monokristala je anizotropija, to je odvisnost njegovih fizikalnih lastnosti od smeri v kristalu. Anizotropnost mehanskih lastnosti monokristala se kaže predvsem v tem, da je njegova trdnost različne smeri drugačen. Pod določenimi pogoji lahko dobimo monokristale iz kovinskih talin. Če preprosto ohladite staljeno železo, nastala trdna snov ne bo imela anizotropije. Razlog za to pomaga razumeti preučevanje strukture kovine, pod mikroskopom lahko vidite, da je sestavljena iz posameznih zrn mikroskopskih velikosti. Vsako tako zrno je kristal, ki je dobil nepravilno obliko, ker so sosednji kristali preprečili njegovo rast. Nastala zrnata struktura se imenuje polikristalna (poli - veliko). Ker so vsa ta zrna naključno usmerjena, se njihova anizotropija ne more pojaviti. Zaradi tega je polikristal izotropen, to pomeni, da so njegove lastnosti v povprečju enake v vseh smereh.

^ Kristali v naravi.

Kristali zmrznjene vode, tj. led in sneg sta znana vsem. Ti kristali skoraj šest mesecev pokrivajo ogromna prostranstva Zemlje (v polarnih območjih pa vse leto), ležijo na vrhovih gora in z njih drsijo v ledenikih ter lebdijo kot ledene gore v oceanih.

Ledeni pokrov reke, ledeniškega masiva ali ledene gore seveda ni en velik kristal. Gosta masa ledu je običajno polikristalna, tj. sestoji iz številnih posameznih kristalov. Ne moreš jih vedno ločiti, ker so majhni in vsi zraščeni skupaj. Včasih je te kristale mogoče zaznati v talečem se ledu, na primer v ledenih ploščah spomladanskega ledu na reki. Potem lahko vidite

Da je led tako rekoč sestavljen iz "svinčnikov", zlitih skupaj, kot v prepognjenem paketu svinčnikov: šesterokotni stebri so vzporedni drug z drugim in stojijo pokonci proti gladini vode; Ti "svinčniki" so ledeni kristali.

Fotografije in risbe snežink najdete v številnih učbenikih fizike v poglavjih, ki govorijo o simetriji. Toda do nedavnega je bila to meja zanimanja znanstvenikov za snežne kristale. Resno preučevanje izvora, rasti in strukture snežnih kristalov se je začelo ne tako dolgo nazaj.
Zanimanje za snežne kristale je bilo povezano predvsem s preučevanjem nastajanja dežja in pojavov v oblakih. Izkazalo se je, da večina dežnih kapljic začne svoje življenje kot snežni kristali, ki se stopijo, preden padejo na tla. Vendar pa so iz ledenih kristalov sestavljeni samo hladni oblaki na visoki nadmorski višini. V bistvu so oblaki zbirka majhnih vodnih kapljic, ki visijo v zraku na enak način kot delci dima. Dolga leta je ostala skrivnost, kako so te kapljice zrasle tako velike, da so padle na tla. Ostala je tudi skrivnost, da pogosto te kapljice "nočejo" zmrzniti, čeprav je bila temperatura oblaka veliko nižja od običajne temperature zmrzovanja vode, to je pod 0 ° C.

Zdaj vemo, da prehlajen oblak ostane stabilen, dokler ne vsebuje vsaj majhnega števila majhnih ledenih kristalov, ki nastanejo na delcih zemeljskega prahu. Molekule vode, ki padejo na ledeni kristal, tvorijo z njim močno vez, ki jo je precej težko prekiniti. Molekule vode, ki se kondenzirajo na kapljico, je razmeroma enostavno odtrgati - toplota izhlapevanja je manjša od energije, ki je potrebna za ločitev molekule vode od ledenega kristala. Torej, če je oblak sestavljen iz kapljic vode in ledenih kristalov, potem ledeni kristali rastejo veliko hitreje kot kapljice. Poleg tega se zaradi rasti ledenih kristalov zmanjša vlažnost okoliškega zraka. To povzroči, da vodne kapljice postopoma izhlapevajo in izginjajo. Hkrati ledeni kristali zrastejo do velikosti, ki je dovolj velika, da padejo na tla. Pri padanju se lahko več kristalov združi v snežinko.

Čeprav je snežnih kristalov veliko vrst, jih lahko razvrstimo v tri glavne oblike; šesterokotni prizmatični stebri, tanke šesterokotne plošče in razvejane zvezde. Heksagonalne oblike kristalov in snežink ni težko razložiti. Preučevanje ledenih kristalov z rentgenskimi žarki je pokazalo, da so molekule vode v ledenem kristalu razporejene tako, da je vsaka molekula obdana s šestimi sosedami. Središča teh molekul tvorijo pravilen šesterokotnik. Kar zadeva razloge za razlike v oblikah kristalov, do nedavnega znanstveniki niso mogli priti do soglasja. Po nekaterih hipotezah naj bi obliko kristalov določala predvsem stopnja prenasičenosti okoliškega zraka z vodno paro in ne temperatura oblaka. Toda raziskave so pokazale, da kristali različnih oblik rastejo pri različnih temperaturah.

Visoki cirusi, katerih temperatura je pod – 30°C, so sestavljeni predvsem iz snežnih kristalov v obliki približno pol milimetra dolgih prizmatičnih stebrov. Oblaki na srednjih višinah, katerih temperatura se giblje od -15? do - 30 ° C, sestavljeni iz kristalov v obliki prizem in plošč. V nizkih oblakih, katerih temperatura se giblje od -5 ° C do 0 ° C, lahko najdemo kristale v obliki šesterokotnih plošč, kratkih prizm in osupljivo lepih zvezd s premerom približno nekaj milimetrov. Te zvezde so osnova snežink. Pri temperaturah nekaj stopinj pod ničlo se kristali zlepijo in tvorijo snežinke.

Vse to nakazuje, da obliko kristalov določa predvsem temperatura, pri kateri rastejo. To so potrdili poskusi gojenja ledenih kristalov v laboratoriju. Ledene kristale so gojili v posebni komori, v kateri sta bili strogo nadzorovani temperatura in količina vodne pare. Kot seme je bila uporabljena tanka nit. Temperatura v komori je bila na različnih območjih vzdolž niti različna.

Poskusi so pokazali, da je temperatura tista, ki določa obliko kristala.
Količina vodne pare vpliva na hitrost rasti. Vendar natančna narava rasti snežnih kristalov še vedno ostaja nejasna.

Zelo zanimivo je preučevati rast snežnih kristalov na zemlji. Pogosto pozimi, ko se nenadno segreje, se veje dreves in stene hiše prekrijejo z zmrzaljo. Oblaki, v katerih nastajajo snežinke, so težko dosegljivi. Iv je lahko dostopna in jo lahko opazujemo med nastajanjem. Zmrzal se običajno pojavi na predmetih, ki imajo visoko toplotno kapaciteto in nizko toplotno prevodnost.
Ob nenadnem segrevanju se temperatura teh predmetov izkaže za nižjo od temperature okoliškega zraka in na njih kondenzira vodna para v zraku. Če je v zraku malo pare, potem dobimo lepe puhaste kosmiče. Pri visoki zračni vlagi se hladni predmeti prekrijejo z ledeno skorjo. Voda preprosto kondenzira na hladnih predmetih in nato zmrzne.

Posebej zanimivi so vzorci, s katerimi so pozimi prekrita okna stanovanj, avtobusov in tramvajev. Ko se nenadno ohladi, postane temperatura oken nižja od temperature zraka v prostoru. Molekule hlapov v vlažnem zraku v prostoru se usedajo nanje in tvorijo lepi vzorci. Ob tem pa je zelo pomembno tudi, da zrak v prostoru ni zelo vlažen. V nasprotnem primeru bo para najprej kondenzirala na steklu in nato zmrznila ter oblikovala plast ledu. Vzorci se na oknu ne prikažejo, če je okno odprto. V tem primeru se temperatura zraka v prostoru blizu stekla zmanjša in postane enaka temperaturi samega stekla. V vzorcih ledu lahko vidite večino oblik, ki jih lahko zavzamejo snežni kristali.

Znano je, kako nevarne so za rastline spomladanske ali jesenske pozebe. Temperatura tal in zraka pade pod ničlo, podtalna voda in rastlinski sokovi zmrznejo in tvorijo iglice ledenih kristalov. Te ostre iglice raztrgajo nežna rastlinska tkiva, listi se nagubajo, počrnijo, stebla in korenine so uničene. Po mrzlih nočeh zjutraj v gozdu in na polju lahko pogosto opazujete, kako na tleh raste "ledena trava". Vsako steblo takšne trave je prozoren šesterokoten ledeni kristal. Ledene iglice dosežejo dolžino 1-2 cm, včasih dosežejo 10-12 cm. Zgodi se, da so tla pokrita s ploščami ledu, ki stojijo pokonci. Ti ledeni kristali, ki rastejo iz zemlje, na svoje glave dvigajo pesek, kamenčke in kamne, ki tehtajo do 50-100 g. Ledene plošče celo izrinejo iz tal in odnesejo majhne rastline navzgor. Včasih ledena skorja ovije rastlino in skozi led se pojavi korenina. Zgodi se tudi, da ščetka ledenih iglic skupaj dvigne težak kamen, ki ga en kristal ne more premakniti. Kristalna "ledena trava" se iskri in žari z mavričnim sijajem, a takoj ko se sončni žarki segrejejo, se kristali upognejo proti soncu, padejo in se hitro stopijo.

V mrzlem spomladanskem ali jesenskem jutru, ko sonce še ni imelo časa, da bi uničilo sledi nočnih zmrzali, so drevesa in grmovje pokriti z zmrzaljo. Na vejah so visele ledene kapljice. Poglejte bližje: znotraj ledenih kapljic lahko vidite šopke tankih šesterokotnih iglic - ledenih kristalov. Zmrznjeni listi so videti kot krtače: na njih kot ščetine stojijo sijoči šesterokotni stebri ledenih kristalov. Gozd je okrašen s pravljičnim bogastvom kristalov in kristalno obleko. Ledeni kristali, katerih zapletene vzorce občudujemo na snežinkah, lahko uničijo letalo v nekaj minutah. Tudi led, strašni sovražnik letal, je posledica rasti kristalov.

^ Kristalizacija v jamah.

Vse naravne vode – v oceanih, morjih, jezerih, potokih in podzemnih izvirih – so naravne raztopine, vse raztapljajo kamnine, na katere naletijo, in v vseh teh raztopinah se pojavljajo kompleksni kristalizacijski pojavi.

Posebej zanimiva je kristalizacija podzemne vode v jamah. Kapljica za kapljico izteka in pada voda iz jamskih obokov. Vsaka kapljica delno izhlapi in snov, ki je bila v njej raztopljena, ostane na stropu jame. Tako se na stropu jame postopoma oblikuje majhen tuberkel, ki nato preraste v žled. Te ledenice so narejene iz kristalov. Kaplje padajo ena za drugo, dan za dnem, leto za letom, stoletja za stoletji. Zvok njihovega padca medlo odzvanja pod oboki. Žledeni se raztezajo in raztezajo, enaki dolgi stebri žledov z dna jame pa začnejo rasti proti njim navzgor. Včasih se ledenice, ki rastejo od zgoraj (kapniki) in od spodaj (stalagmiti), srečajo, zrastejo in tvorijo stebre. Tako se v podzemnih jamah pojavijo vzorčaste, zavite girlande in čudaške kolonade. Podzemne palače so pravljično, nenavadno lepe, okrašene s fantastičnimi kupi stalaktitov in stalagmitov, razdeljenih v loke s kapniškimi mrežami. V naravi najdemo kristale nepravilne oblike veliko pogosteje kot pravilne poliedre. V rečnih strugah se zaradi trenja kristalov o pesek in kamenje vogali kristalov izbrišejo, večplastni kristali se spremenijo v zaobljene kamne - kamenčke; od delovanja vode, vetra, zmrzali, kristali počijo in se drobijo; V kamninah kristalna zrna med seboj motijo ​​rast in pridobivajo nepravilne oblike.

Več kot 95 % vseh kamnin, ki sestavljajo zemeljsko skorjo, je nastalo neposredno med kristalizacijo naravne taline, tj. magma Kristalizacija magme je zelo kompleksen pojav. Magma je mešanica številnih snovi. Vse te snovi imajo različne kristalizacijske temperature, kristalizacijska temperatura posamezne snovi pa se spreminja glede na razmere, v katerih je trenutno magma, in na to, katere druge snovi so v njej prisotne. Zato se pri ohlajanju in strjevanju magma razdeli na dele: prvi se v magmi pojavijo in začnejo rasti kristali snovi z najvišjo temperaturo kristalizacije. Običajno se izkaže, da ta snov še ni imela časa, da bi se popolnoma ločila, vendar se je magma že ohladila na temperaturo kristalizacije drugega minerala in se tudi začne ločevati v obliki kristalov. Druge snovi, ki vplivajo druga na drugo, začnejo kristalizirati, medtem ko predhodno oblikovani kristali prav tako še naprej rastejo. Tako nastanejo kamnine.

^ Kristalna struktura.

Pravilna večplastna oblika kristala najprej pritegne oko opazovalca in seveda ni glavna značilnost kristalnega telesa, vendar vseeno predlagam, da bodite pozorni na ta pojav - idealno obliko kristala.

Oblika, ki jo dobi posamezen kristal, ko so med njegovo rastjo izločeni vsi naključni dejavniki, se imenuje idealna. Idealna oblika kristala je polieder. Tak kristal je omejen z ravnimi ploskvami, ravnimi robovi in ​​ima simetrijo. Kot vsak polieder ima tudi kristal določeno število ploskev P, robov R, oglišč E, ta števila pa so med seboj povezana z relacijo P+E=R+2. na primer, kocka ima 6 ploskev, 8 oglišč in 12 robov (6+8=12+2). Za oktaeder (slika 1), dodekaeder (slika 2) velja tudi to razmerje.

Kocka, oktaeder, dodekaeder so enostavni pravilni poliedri. Relativno majhno število kristalov kristalizira v obliki pravilnih poliedrov. Kuhinjska sol in cinkov sulfid kristalizirata v obliki kocke, diamant v obliki oktaedrov, granat pa v obliki rombičnega dodekaedra. Najpogosteje snovi kristalizirajo v obliki kompleksnih poliedrov, tj. omejeni so na več različic enakih obrazov. Na primer, kristal ima običajno 6 osmerokotnih ploskev, 8 šesterokotnih ploskev in 12 štirikotnih ploskev.

Kristali iste snovi imajo lahko zelo različne oblike. Oblika kristala je odvisna od pogojev kristalizacije. Barva tudi ni značilna lastnost kristalov te snovi, saj je zelo odvisna od nečistoč. Znano je na primer, da so kristali fluorita lahko brezbarvni, rožnati, črni, škrlatni, temno češnjevi in ​​zlati. Zdi se, da ugotoviti, ali dva kristala (ki se med seboj razlikujeta po obliki in barvi) pripadata eni snovi, ni mogoče drugače kot z določitvijo njune kemične sestave. Vendar pa so kristalografi ugotovili na prvi pogled zelo osupljivo dejstvo: v kristalih iste snovi so koti med ustreznimi ploskvami vedno enaki (zakon konstantnosti kotov).

Kaj pomenijo ustrezni robovi? V geometriji velja, da so ploskve (ploski poligoni) enake, če, ko so postavljene, sovpadajo z vsemi svojimi točkami. Enakost ploskev v kristalografiji pomeni nekaj povsem drugega. Obrazi se lahko razlikujejo po obliki in še vedno veljajo za enake, če imajo enake fizikalne in kemijske lastnosti. Včasih je mogoče z zunanjim pregledom ugotoviti enakost ploskev v kristalografskem smislu.

Na sliki so enaki (enaki) robovi prikazani z enakim senčenjem. V kremenčev kristal lahko vgradimo tri vrste ploskev (označene so na sl. 2). črke a, b in c). Čeprav imajo ploskve a (b,c) različne velikosti in oblike v različnih kristalih kremena, veljajo za enake. Zakon o konstantnosti kotov pravi, da bo diedrski kot, ki ga tvorita ploskvi a in b (slika 2) v različnih kristalih dane snovi, enak. V skladu s tem bodo v vseh kristalih dane snovi diedrski koti, ki jih tvorijo obrazi a in c, b in c, enaki.

Torej ni oblika kristalov, ne velikost ploskev, temveč kot med njimi določena vrednost za vsak kristal.

riž. 3 sl. 4

Za merjenje kotov med ploskvami se uporablja posebna naprava - goniometer. Uporabljeni goniometer (slika 3) se lahko uporablja za preučevanje velikih monokristalov. Natančnejše meritve izvajamo z odbojnim goniometrom, katerega diagram je podan na sliki 4. Svetlobni žarek, ki prihaja iz vira A, zadene rob kristala in po odboju vstopi v teleskop T. Ko kristal zavrtimo na pod določenim kotom svetlobni žarek spet vstopi v teleskop. S skalo III goniometra se izmeri kot med ploskvama. Z merjenjem kotov med ploskvami neznanega kristala lahko s posebnim katalogom določite kemično sestavo kristala.

V življenju okoli nas se pogosto srečujemo s pojavom simetrije. Metulj je simetričen (slika 1). Oblika, vzorec in barva levega krila ponavlja obliko, vzorec in barvo desnega.

Slika 1 Slika 2

Če je mogoče telo v mislih sekati z ravnino tako, da bo vsaka točka a telesa na eni strani ravnine ustrezala točki b, ki leži na drugi strani ravnine, in poleg tega tako, da ravna črta ab, ki povezuje ti dve točki, je pravokoten na ravnino in ga ta ravnina deli na pol, potem ima to telo zrcalno simetrijo. Sama ravnina se v tem primeru imenuje simetrijska ravnina. Na primer, ravnina, ki je narisana skozi sredino robov kocke vzporedno z obema ploskvama, služi kot simetrična ravnina kocke (slika 2). Kocka ima devet simetrijskih ravnin.

Poleg zrcalne simetrije imajo telesa lahko tudi rotacijsko simetrijo. Telo ima rotacijsko simetrijo, če so pri vrtenju za ustrezen kot vsi deli figure poravnani drug z drugim. Os, okoli katere se telo vrti, se imenuje simetrijska os. Glede na to, kolikokrat se figura med enim popolnim vrtenjem okoli osi poravna s seboj, ima simetrijska os različen vrstni red (prva, druga, tretja itd.).

Cvet perunike ima na primer simetrično os tretjega reda (slika 3), snežinka ima simetrijsko os šestega reda. Rože pogosto kažejo simetrično os petega reda.

Telesa imajo lahko tudi središče simetrije. Središče simetrije je točka na sredini telesa, glede na katero ima katera koli točka telesa drugo ustrezno točko, ki leži na enaki razdalji od središča v nasprotni smeri. Telesa imajo lahko več simetrijskih ravnin, več simetrijskih osi različnih vrst, vendar ne more biti več kot eno simetrično središče.

Če v paralelogramu upognemo vogale v nasprotnih smereh, bo središče kvadrata, ki nastane na sredini te figure, središče simetrije, saj razpolovi vse ravne črte, ki povezujejo enake točke figure v parih. Geometrično središče krogle, kocke, oktaedra je središče simetrije teh teles. Simetrijsko os, simetrijsko ravnino in simetrijsko središče imenujemo elementi simetrije.

Elementi simetrije imajo številne lastnosti. Tukaj je nekaj izmed njih:

Presek dveh simetrijskih ravnin daje simetrijsko os.

Presek treh med seboj pravokotnih simetrijskih ravnin daje simetrično središče.

Idealne oblike kristalov so simetrične.

V kristalih lahko najdete različne elemente simetrije: simetrijsko ravnino, simetrijsko os, simetrično središče.

Razmislimo o simetriji nekaterih najpreprostejših kristalnih oblik. Kristali v obliki kocke (NaCl, KCl itd.) imajo devet simetrijskih ravnin, od katerih so tri vzporedne s ploskvami kocke, šest pa vzdolž diagonal. Poleg tega ima kocka tri simetrične osi 4. reda, štiri osi 3. reda in šest osi 2. reda (slika 1), poleg tega ima simetrijsko središče. Skupaj je v kocki 1+9+3+4+6=23 elementov simetrije.

Kristali diamanta in kalijevega galuna imajo obliko oktaedrov. Oktaedri imajo enake elemente simetrije kot kocke. prikazane so vrtilne osi oktaedra. Kristali bakrovega sulfata imajo samo središče simetrije; nimajo drugih elementov simetrije.

Simetrija, zakon o konstantnosti kotov in številne druge lastnosti! Kako razložiti takšno izbirčnost kristalnih oblik?

Prvi poskus znanstvene razlage oblike kristalov velja za delo Johannesa Keplerja "O šesterokotnih snežinkah" (1611). Kepler je domneval, da je oblika snežink (ledenih kristalov) posledica posebne razporeditve njihovih sestavnih delcev.

Leta 1783 je francoski opat René Juste Haüy, mineralog po poklicu, predlagal, da je vsak kristal sestavljen iz vzporednih, enakih delcev, ki so sosednje vzdolž celih ploskev. Leta 1824 je učenec velikega Gaussa, profesor fizike v Freiburgu, L. A. Seeber, da bi razložil širjenje kristalov pri segrevanju, predlagal zamenjavo Haüyjevih poliedrov z njihovimi težišči. Poleg tega ta težišča tvorijo reden sistem točk, ki so ga kasneje poimenovali prostorska mreža, same točke pa so vozlišča prostorske mreže. Na primer, kristal namizne soli NaCl je sestavljen iz zbirke velikega števila ionov Na+ in Cl-, ki se nahajajo na določen način relativno drug proti drugemu. Če vsakega od ionov prikažete kot točko in jih povežete med seboj, lahko dobite geometrijsko sliko, ki prikazuje notranjo strukturo idealnega kristala kuhinjske soli, njegovo prostorsko mrežo (slika 1).

Prostorske mreže različnih kristalov so različne. Slika 2 prikazuje prostorsko mrežo diamanta, slika 3 pa grafit.

Sl.1 Sl.2 Sl.3

V vsaki prostorski mreži je mogoče identificirati določen ponavljajoči se element njene strukture ali, z drugimi besedami, elementarno celico. Prostorski, tj. Volumetrične, ne ravne, elementarne celice so »opeke«, z nanosom le-teh druga na drugo v prostoru se zgradi kristal. Tako je enota celice prostorske mreže NaCl kocka (slika 4a). Tukaj je zelo pomembno omeniti, da obstaja veliko načinov za konstruiranje prostorskih mrež iz elementarnih celic. "Koliko jih je tam?" - vprašate. To težko težavo je rešil E. S. Fedorov. Dokazal je, da mora obstajati 230 načinov za izdelavo kristala.

Najenostavnejše osnovne celice vključujejo kocko, kocko s središčem telesa, kocko s središčem obraza in šestkotno prizmo (glej sliko 4, a, b, c, d).

Ugibanje o prostorski mreži kristala je dokaz možnosti znanstvenega predvidevanja. Takrat namreč (druga polovica 19. stoletja) ne le da ni bilo dokaza te hipoteze, ampak so mnogi podvomili v sam obstoj molekul in atomov snovi. Koncept prostorske rešetke kristala se je izkazal za zelo plodnega, omogočil je razlago številnih lastnosti kristala. Znano je na primer, da je kristal idealne oblike omejen z ravnimi ploskvami in ravnimi robovi. To dejstvo je mogoče pojasniti z dejstvom, da ravnina in robovi idealnega kristala vedno potekajo skozi vozlišča prostorske mreže.

Postane tudi jasno, zakaj imajo lahko kristali iste snovi različne oblike. Tako kot je mogoče iz določene ploščate mreže izrezati figure različnih ravninskih oblik, tako ima lahko kristal, ki ima določeno prostorsko mrežo, drugačno obliko.

Glede na strukturo delimo kristale na ionske, kovalentne, molekularne in kovinske. Ionski kristali so zgrajeni iz izmenjujočih se kationov in anionov, ki jih v določenem vrstnem redu držijo sile elektrostatičnega privlačenja in odboja.

Elektrostatične sile so neusmerjene: vsak ion lahko okoli sebe zadrži toliko ionov nasprotnega predznaka, kolikor jih paše. Toda hkrati je treba uravnotežiti sile privlačnosti in odboja ter ohraniti celotno električno nevtralnost kristala. Vse to ob upoštevanju velikosti ionov vodi do različnih kristalnih struktur. Tako med interakcijo ionov Na+ in Cl– pride do oktaedrske koordinacije: vsak ion drži blizu sebe šest ionov nasprotnega predznaka, ki se nahajajo na ogliščih oktaedra.Ionski kristali tvorijo večino soli anorganskih in organskih kislin, oksidov , hidroksidi in soli. V ionskih kristalih so vezi med ioni močne, zato imajo takšni kristali visoka tališča (801 ° C za NaCl, 2627 ° C za CaO).

V kovalentnih kristalih (imenujejo jih tudi atomski) so na vozliščih kristalne mreže atomi, enaki ali različni, ki so povezani s kovalentnimi vezmi.

Te povezave so močne in usmerjene pod določenimi koti. Tipičen primer je diamant; v njegovem kristalu je vsak ogljikov atom povezan s štirimi drugimi atomi, ki se nahajajo na ogliščih tetraedra. Kovalentni kristali tvorijo bor, silicij, germanij, arzen, ZnS, SiO2, ReO3, TiO2, CuNCS.

Molekularni kristali so zgrajeni iz izoliranih molekul, med katerimi delujejo relativno šibke privlačne sile. Zaradi tega imajo takšni kristali veliko nižja tališča in vrelišča, njihova trdota pa je nizka. Tako se kristali žlahtnih plinov (zgrajeni so iz izoliranih atomov) talijo pri zelo nizkih temperaturah. Iz anorganskih spojin tvorijo molekularni kristali številne nekovine (žlahtni plini, vodik, dušik, beli fosfor, kisik, žveplo, halogeni), spojine, katerih molekule tvorijo samo kovalentne vezi (H2O, HCl, NH3, CO2 itd.). Ta vrsta kristalov je značilna tudi za skoraj vse organske spojine. Trdnost molekularnih kristalov je odvisna od velikosti in kompleksnosti molekul. Tako se kristali helija (atomski polmer 0,12 nm) talijo pri –271,4 ° C (pri tlaku 30 atm), kristali ksenona (polmer 0,22 nm) pa pri –111,8 ° C; kristali fluora se talijo pri –219,6 ° C, joda pa pri +113,6 ° C; metan CH4 – pri –182,5° C, in triakontan C30H62 – pri +65,8° C.

Kovinski kristali tvorijo čiste kovine in njihove zlitine. Takšne kristale je mogoče videti na zlomljenih kovinah, pa tudi na površini pocinkane pločevine. Kristalno mrežo kovin sestavljajo kationi, ki jih vežejo mobilni elektroni (»elektronski plin«). Ta struktura določa električno prevodnost, kovnost in visoko odbojnost (sijaj) kristalov. Struktura kovinskih kristalov nastane kot posledica različnega pakiranja krogličnih atomov.

Uporaba kristalov.

Uporabe kristalov v znanosti in tehnologiji so tako številne in raznolike, da jih je težko našteti. Zato se bomo omejili na nekaj primerov.

Najtrši in najredkejši naravni mineral je diamant. Danes je diamant predvsem kamen za obdelavo, ne pa okrasni kamen. Zaradi svoje izjemne trdote ima diamant ogromno vlogo v tehnologiji. Diamantne žage se uporabljajo za rezanje kamnov. Diamantna žaga je velik (do 2 metra v premeru) vrtljivi jekleni disk, na robovih katerega so narejeni kosi ali zareze. V te reze se vtre fini diamantni prah, pomešan z nekaj lepila. Takšen disk, ki se vrti z veliko hitrostjo, hitro žaga kateri koli kamen. Diamant je izjemnega pomena pri vrtanju kamnin in pri rudarjenju. Diamantne konice se vstavljajo v orodja za graviranje, delilne stroje, aparate za testiranje trdote in svedre za kamen in kovino.

Diamantni prah se uporablja za brušenje in poliranje trdih kamnov, kaljenega jekla, trdih in supertrdih zlitin. Sam diamant je mogoče samo brusiti, brusiti in gravirati z diamantom. Najbolj kritični deli motorjev v avtomobilski in letalski proizvodnji se obdelujejo z diamantnimi rezalniki in svedri.

Rubin in safir sta med najlepšimi in najdražjimi dragimi kamni. Vsi ti kamni imajo druge lastnosti, bolj skromne, a uporabne. Krvavo-rdeči rubin in modro-modri safir sta brata in sestra, na splošno sta isti mineral - korund, aluminijev oksid A12O3. Razlika v barvi je nastala zaradi zelo majhnih nečistoč v aluminijevem oksidu: neznaten dodatek kroma spremeni brezbarvni korund v krvavo rdeč rubin, titanov oksid v safir. Obstajajo korundi drugih barv. Imajo tudi zelo skromnega, neopaznega brata: rjav, neprozoren, fin korund - smirk, ki se uporablja za čiščenje kovine, iz katere je narejen brusni papir. Korund z vsemi svojimi različicami je eden najtrših kamnov na Zemlji, najtrši za diamantom. Korund se lahko uporablja za vrtanje, brušenje, poliranje, ostrenje kamna in kovine. Iz korunda in smirka so narejeni brusi, brusi in brusni praški.

Celotna urarska industrija temelji na umetnih rubinih. V tovarnah polprevodnikov se najbolj fina vezja rišejo z rubinastimi iglami. V tekstilni in kemični industriji rubinasta vodila vlečejo niti iz umetnih vlaken, najlona in najlona. Novo življenje rubina je laser ali, kot se imenuje v znanosti, optični kvantni generator (OQG), čudovita naprava naših dni. Leta 1960 Ustvarjen je bil prvi rubinasti laser. Izkazalo se je, da rubinasti kristal ojača svetlobo. Laser sveti močneje kot tisoč sonc.

Močan laserski žarek z ogromno močjo. Z lahkoto prežira pločevino, vari kovinske žice, preživa kovinske cevi in ​​vrta najtanjše luknje v trde zlitine in diamant. Te funkcije opravlja trdni laser, ki uporablja rubin, granat in neodit. V očesni kirurgiji se najpogosteje uporabljajo neodinski laserji in rubin laserji. Zemeljski sistemi kratkega dosega pogosto uporabljajo laserje z vbrizgavanjem galijevega arzenida.

Safir je prozoren, zato iz njega izdelujejo plošče za optične instrumente.

Večina safirnih kristalov gre v industrijo polprevodnikov.

Kremen, ametist, jaspis, opal, kalcedon so vse vrste kremena. Majhna zrna kremena tvorijo pesek. In najlepša, najčudovitejša sorta kremena je kameni kristal, t.j. prozorni kristali kremena. Zato so leče, prizme in drugi deli optičnih instrumentov narejeni iz prozornega kremena.

Polikristalni material Polaroid je našel svojo uporabo tudi v tehnologiji. Polaroid je tanek prozoren film, v celoti napolnjen z drobnimi prozornimi igličastimi kristali snovi, ki dvolomi in polarizira svetlobo. Vsi kristali se nahajajo vzporedno drug z drugim, tako da vsi enako polarizirajo svetlobo, ki prehaja skozi film. Polaroidne folije se uporabljajo v polaroidnih očalih. Polaroidi izničijo bleščanje odbite svetlobe in tako omogočijo prehod vse druge svetlobe. Nepogrešljivi so za polarne raziskovalce, ki morajo nenehno gledati v bleščeč odsev sončni žarki z ledenega snežnega polja. Polaroidna očala bodo pomagala preprečiti trčenja z nasproti vozečimi avtomobili, ki se zelo pogosto zgodijo zaradi dejstva, da luči nasproti vozečega avtomobila zaslepijo voznika in tega avtomobila ne vidi. Če so vetrobranska stekla avtomobilov in stekla avtomobilskih svetilk narejeni iz polaroidov in sta oba polaroida zasukana tako, da sta njuni optični osi premaknjeni, potem

Vseslovenska internetna olimpijada za šolarje, študente, podiplomske študente in mlade znanstvenike na področju nanosistemov, nanomaterialov in nanotehnologij "Nanotehnologije - preboj v prihodnost!"

GBOU licej št. 000, Moskva

Ustvarjalno delo

O kristalih

Delo so izvedli študenti GBOU Lyceum 1575, Moskva:

Vodja dela:

Učitelj fizike, predstojnik oddelka za naravoslovje na liceju 1575,

Mentor: Olga Usovich, Moskovska državna univerza

opomba

O kristalih

Cilj dela: preučiti, kaj je naravni kristal, njegove lastnosti, gojiti kristale iz amonijevega monofosfata.

Ustreznost: Kristali že dolgo pritegnejo pozornost ljudi s svojo lepoto, pravilno obliko in skrivnostnostjo. Ta telesa nas obdajajo vse življenje, saj so med njimi led, sneg, snežinke in številni dragi in poldragi kamni ter trdna telesa, v katerih so atomi pravilno razporejeni in tvorijo kristalno mrežo. Tudi tako slavni znanstvenik, kot je Lomonosov, je pokazal zanimanje za kristale: "...Samo radovednost nas motivira, da spoznamo notranjost ruske podzemne narave in jo, ko jo opišemo za splošni napredek znanosti, pokažemo znanstvenemu svetu."

Naloge: 1. Poiščite informacije o tem, kaj sta kristal in mineral

3. Pogovorite se o tem, kaj je pesek

4. Izvedite poskuse gojenja kristalov

Rezultati:

1. Naučili smo se, da si kristali zapomnijo zgodovino rasti

2. Iz amonijevega fosfata smo gojili kristale, zaradi kapilarne rasti pa tudi kristale na kartonu.

3. Naredili mini zbirko peska

1. Uvod. 4

2. Kristali in minerali. 5

2.1 Vrste kristalov. 7

2.2 Idealni kristal. 7

2.3 Pravi kristal. 7

3. Lastnosti kristalov............................................. ....... ................................... ……..8

3.1 Simetrija……………………………………………………………………………...8

3.2 Anizotropija………………………………………………………………………………8

4. Peščeni kristali…………………………………………………………………………....9

5. Teoretični del: “gojenje kristalov.” 12

5.1 Zakaj se gojijo kristali.. 12

6. Samostojno gojenje kristalov. 13

6.1 Kristali amonijevega fosfata. 13

Bibliografija. 15

»Skoraj ves svet je kristalen.

Svetu vladajo kristal in njegove trdne snovi,

jasni zakoni"

Akademik

1. Uvod.

Že od otroštva se spominjamo pravljic, ki so nam jih pripovedovali stari starši in starši. Te zgodbe so bile iz različnih držav, na različne teme, z različnimi liki, a vse so imele eno skupno stvar, vse so imele čarobnost. Včasih se je prenašalo prek nadnaravnih sposobnosti likov, včasih pa prek magičnih predmetov. Kristali so pogosto postali ti predmeti: kristal modrosti, kristal večnosti ... Najdemo lahko več kot eno pravljico, katere naslov omenja kristal: »škatla iz malahita«, »gospodarica bakrene gore«, »kamniti spomini«. ”. In čeprav kristali v resničnem življenju nimajo magičnih lastnosti, je moje zanimanje zanje ostalo že od otroštva.

V našem projektu govorimo o kristalih, njihovih lastnostih in se dotaknemo teme peska, saj je vsako zrno peska zaseben kristal kremena. Tudi v praktičnem delu dela smo gojili kristale iz amonijevega monofosfata.

1.
2. Kristali in minerali.

Trdne snovi glede na njihove fizikalne lastnosti in molekularno strukturo delimo v tri razrede: kristalne, amorfne in kompozitne.

Kristali so trdne snovi, v katerih so atomi razporejeni periodično in tvorijo tridimenzionalno periodično prostorsko razporeditev – kristalno mrežo.

Kristalna struktura, ki je individualna za vsako snov, se nanaša na osnovne fizikalne in kemijske lastnosti.

Kristalizacija je nastajanje kristalov iz hlapov, raztopin, talin, snovi v trdnem (amorfnem ali drugem kristalnem) stanju med elektrolizo in kemijskimi reakcijami. Privede do tvorbe mineralov.

Kristali se razlikujejo po velikosti. Veliko jih je mogoče videti le skozi mikroskop. Toda obstajajo velikanski kristali, ki tehtajo več ton.

Vrsto kristalne celice ledu je prvi določil Linus Poiling leta 1935.

V taki enotski celici vsak atom kisika meji na štiri atome vodika, kot med vezmi pa je 109,5°, medtem ko je pri vodi kot 105°. Ta razlika v kotih popači obliko molekule, zaradi česar vodikovi atomi ne morejo sedeti na sredini med atomi kisika. Enotna celica ledu ima šestkotno strukturo, ki ustreza šeststranski simetriji snežink.

Heksagonalna struktura ledu ostane stabilna pri sobni temperaturi do tališča. Pri drugih temperaturah in tlakih lahko nastanejo snežinke in kosmi ledu različnih struktur.

Različni kristali niso nujno sestavljeni iz različnih elementov. Na primer, diamant in grafit. Razlika v njihovih lastnostih je izključno posledica razlike v njihovi kristalni strukturi.

Mineral je naravno telo z določeno kemično sestavo in kristalno zgradbo, ki nastane kot posledica naravnih fizikalnih in kemičnih procesov in ima določene fizikalne, mehanske in kemične lastnosti.

Izraz "mineral" pomeni trdno naravno anorgansko kristalinično snov.

Po mnenju slavnega mineraloga, profesorja na Sanktpeterburškem rudarskem inštitutu, je "mineral kristal." Jasno je, da so lastnosti mineralov in kamnin tesno povezane s splošnimi lastnostmi kristalnega stanja.

Ruski znanstvenik E. S. Fedorov je ugotovil, da lahko v naravi obstaja le 230 različnih prostorskih skupin, ki zajemajo vse vrste kristalnih struktur.

Enostavne kristalne mreže vključujejo

Preprosta kubična (delci se nahajajo na vrhovih kocke);

Kocka s središčem obraza (delci se nahajajo tako na vrhovih kocke kot v središču vsake ploskve);

Telesno osredotočena kubična (delci se nahajajo tako na vrhovih kocke kot v središču vsake kubične celice);

Šesterokotna.

Najpomembnejši lastnosti mineralov sta njihova kristalno kemijska struktura in sestava. Vse ostale lastnosti mineralov izhajajo iz njih ali so z njimi povezane.

2.1 Vrste kristalov.

Glede na strukturo delimo kristale na ionske, kovalentne, molekularne in kovinske.

Ionski kristali so zgrajeni iz izmenjujočih se kationov (pozitivno nabit ion) in anionov (negativno nabit ion), ki jih v določenem vrstnem redu držijo sile elektrostatične privlačnosti in odboja. Ionski kristali tvorijo večino soli anorganskih in organskih kislin, oksidov, hidroksidov in soli. V kovalentnih kristalih (imenujejo jih tudi atomski) so na vozliščih kristalne mreže atomi, enaki ali različni, ki so povezani s kovalentnimi (tvorjenimi s prekrivajočimi se pari oblakov valenčnih elektronov) vezmi. Te povezave so močne in usmerjene pod določenimi koti. Tipičen primer je diamant; v njegovem kristalu je vsak ogljikov atom povezan s štirimi drugimi atomi, ki se nahajajo na ogliščih tetraedra.

Molekularni kristali so zgrajeni iz izoliranih molekul, med katerimi delujejo relativno šibke privlačne sile. Zaradi tega imajo takšni kristali veliko nižja tališča in vrelišča, njihova trdota pa je nizka. Iz anorganskih spojin tvorijo molekularni kristali številne nekovine (žlahtni plini, vodik, dušik, beli fosfor, kisik, žveplo, halogeni), spojine, katerih molekule tvorijo samo kovalentne vezi. Ta vrsta kristalov je značilna tudi za skoraj vse organske spojine.

Kovinski kristali tvorijo čiste kovine in njihove zlitine. Takšne kristale je mogoče videti na zlomljenih kovinah, pa tudi na površini pocinkane pločevine. Kristalno mrežo kovin sestavljajo kationi, ki jih vežejo mobilni elektroni (»elektronski plin«). Ta struktura določa električno prevodnost, kovnost in visoko odbojnost (sijaj) kristalov.

Treba je ločiti idealni in pravi kristal.

2.2 Idealni kristal.

Pravzaprav je matematični objekt, ki ima popolno inherentno simetrijo, idealizirane gladke gladke robove.

2.3 Pravi kristal.

Vedno vsebuje različne napake v notranji strukturi mreže, popačenja in nepravilnosti na ploskvah ter ima zmanjšano simetrijo poliedra zaradi specifičnih pogojev rasti, heterogenosti hranilnega medija, poškodb in deformacij. Ni nujno, da ima pravi kristal kristalografske ploskve in pravilno obliko, ohranja pa svojo glavno lastnost – pravilen položaj atomov v kristalni mreži.

Za vizualno predstavitev takšnih struktur se uporabljajo kristalne mreže, na vozliščih katerih se nahajajo središča atomov ali molekul (ali ionov) snovi. Element rešetke najmanjše velikosti se imenuje enota celice. Celotno kristalno mrežo lahko zgradimo z vzporednim prenosom enotske celice v določenih smereh.

Kristali, kar je zelo pomembno, si zapomnijo svojo zgodovino, svoj »kraj rojstva«.

Kristali nastanejo:

V trenutku nastanka snovi kot posledica kemične reakcije

Ko se molekuli soli doda molekula vode

Ko se topljenec obori iz raztopine

Ko se plinasta ali tekoča snov spremeni v trdno

Ko kristali rastejo, so atomi razporejeni v določenem vrstnem redu. V tem času se pojavi zunanji vpliv (temperatura, spremembe tlaka). Zaradi tega nastanejo dislokacije, zaradi katerih so atomi razporejeni v drugačnem vrstnem redu. Izkazalo se je, da lahko s pogledom na dislokacijo razumete, od kod prihaja ta kristal, kako je nastal in kaj se dogaja v bližini. na primer snežinke ne morejo biti enake, ker ne morejo biti popolnoma enaki pogoji nastanka, primesi, imajo pa vse heksagonalno obliko, ker imajo podobno osnovno sestavo in tudi pogoji so omejeni (temperatura pod 0 ipd.).

Diamant, grafit in nanodiamant so primer dejstva, da kristali z različnimi lastnostmi niso nujno sestavljeni iz različnih snovi. Te snovi so po sestavi enake in se razlikujejo le po strukturi kristalne mreže. Nanodiamante so v naravi odkrili v kraterjih, ki so nastali ob trku meteorita. Nanodiamanti se uporabljajo pri ustvarjanju nanoelektronskih elementov.

diamant in grafitnanodiamant

nanodiamant

kristalna mreža diamanta in grafita

3. Lastnosti kristalov.

Čeprav pravi kristali, ki jih srečamo v našem življenju, nimajo magične lastnosti, nimajo nič manj zanimivih lastnosti, kot so:

3.1 Simetrija.

Pravilnost atomske strukture (kristal se lahko združi sam s seboj s simetričnimi transformacijami). V naravi obstaja samo 230 različnih vesoljskih skupin, ki zajemajo vse možne kristalne strukture (to je ugotovil ruski znanstvenik E. S. Fedorov)

3.2 Anizotropija.

Anizotropija je razlika v lastnostih kristalov v različnih smereh. Anizotropija je značilna lastnost kristalnih teles. V tem primeru se lastnost anizotropije v najpreprostejši obliki kaže samo v monokristalih. Pri polikristalih se anizotropija telesa kot celote morda ne pojavi zaradi naključne orientacije mikrokristalov ali pa se sploh ne pojavi, razen v primerih posebnih kristalizacijskih pogojev, posebne obdelave itd.

Razlog za anizotropijo kristalov je, da so z urejeno razporeditvijo atomov, molekul ali ionov interakcijske sile med njimi in medatomske razdalje v različnih smereh neenake. Vzrok za anizotropijo molekularnega kristala je lahko tudi asimetrija njegovih molekul. Makroskopsko se ta razlika običajno pojavi le, če kristalna struktura ni preveč simetrična.

4. Peščeni kristali.

Naravna zbirka

Pesek tvori čudovite naravne zbirke.

Ko v puščavi padajo padavine, se voda hitro vpije v pesek. Če je v pesku veliko sadre, se njeni delci izperejo in gredo globlje z vodo. Zaradi močne vročine se voda ponovno dvigne na površje. Ko voda popolnoma izhlapi, nastanejo novi kristali sadre. Ker nastajanje minerala poteka v plasti peska, postane pesek del kristala. In turisti, ki so obiskali Saharo, z veseljem vzamejo te kamne - puščavske vrtnice - v svoje zbirke. Premer cvetnih listov "puščavske vrtnice" se giblje od 2-3 milimetrov do nekaj decimetrov. Barva kristalov je v celoti odvisna od barve peska, v katerem so nastali. Bele "puščavske vrtnice" najdemo v tunizijski Sahari, črne pa v puščavah Argentine.

Fotografija Choporov A. Puščava Sahara. Naravna zbirka. "Desert Rose" - peščenjak

Dandanes zbiranje peska z različnih plaž in vulkanov ni nič nenavadnega. Malo ljudi pa ve, da je zbirka peska tudi zbirka kristalov. Vsako zrno peska je majhen kristal kremena!

Pesek iz kamnoloma je pretežno sestavljen iz rumenih kristalov kremena in vsebuje minimalno količino nečistoč. Pesek iz vulkana Gozo lahko vsebuje obsidian ali vulkansko steklo. V pesku iz Grčije mnoga zrna peska niso kristali kremena, temveč majhni minerali drugih snovi. Beli pesek s tunizijskih plaž praktično ne vsebuje tujih snovi. Vse so beli kristali kremena. Peščenjak je trden kamen, sestavljen iz zrn peska, ki so "zlita" skupaj. Skalni kristal ima veliko skupnega s peskom. Tudi to so kristali kremena, vendar je kamniti kristal večje velikosti.

Slika 1. Navaden pesek iz kamnoloma. Slika 2. Pesek z belih plaž Tunizije

Slika 3. Vulkanski pesek

iz Grčije. Slika 4. Rojstvo obsidiana

Slika 5. Pesek z otoka Gozo.

Fotografije so bile posnete z mikroskopom s povečavo 10.

5. Teoretični del: “gojenje kristalov.”

5.1 Zakaj se gojijo kristali

Zakaj nastajajo umetni kristali, če imajo že skoraj vse trdne snovi okoli nas kristalno strukturo?

Prvič, naravni kristali niso vedno dovolj veliki, pogosto so heterogeni in vsebujejo nezaželene primesi. Z umetno vzgojo je mogoče dobiti večje in čistejše kristale kot v naravi.

Obstajajo tudi kristali, ki so v naravi redki in zelo cenjeni, v tehnologiji pa zelo potrebni. Zato so bile razvite laboratorijske in tovarniške metode za gojenje kristalov diamanta, kremena in korunda. V laboratorijih gojijo velike kristale, potrebne za tehnologijo in znanost, umetne dragulje in kristalne materiale za natančne instrumente; Tam nastajajo tudi kristali, ki jih preučujejo kristalografi, fiziki, kemiki, metalurgi in mineralogi ter v njih odkrivajo nove izjemne pojave in lastnosti. In kar je najpomembneje, z umetnim gojenjem kristalov ustvarjajo snovi, ki jih v naravi sploh ni, veliko novih snovi. Po besedah ​​akademika Nikolaja Vasiljeviča Belova je velik kristal objekt za manifestacijo, preučevanje in uporabo neverjetnih lastnosti kristala, ki nenehno spreminjajo znanost in tehnologijo.

V laboratorijih in tovarnah se vedno bolj izpopolnjujejo metode za ustvarjanje umetnih kristalov z lastnostmi, ki jih zahteva tehnologija, tako rekoč kristalov »po meri« ali »po naročilu«.

Tudi ko gojimo kristale, je kot da ustvarjamo delček pravljice. Kot po čarovniji iz prahu in vode zrastejo kristali. Zanimivo je tudi, da ko spoznamo znanstveno razlago »pravljice«, se nam zdi, da je vse, kar nas obdaja, pravljica. Samo ne čarovniki, ampak kemiki, ne čarobni prah, ampak amonijev monofosfat, ne čarobni kristal s svojimi čarobnimi lastnostmi in lepoto, ampak navaden, a vedno lep.

6.Sami gojite kristale

Kristali nastanejo:

1. V trenutku nastanka snovi kot posledica kemične reakcije

2. Ko je molekula vode dodana molekuli soli

3. Ko se topljenec obori iz raztopine

4. Pri prehodu plinaste ali tekoče snovi v trdno snov

6.1 Kristali amonijevega fosfata.

1. Priprava materialov. Potrebovali bomo: amonijev fosfat, merilno skodelico, vročo vodo, mešalno palico, posodo za kristale (za gojenje druge vrste, tudi kamnov).

2. Dodajte 70 ml vroče vode na 25 g amonijevega fosfata in temeljito mešajte, dokler se amonijev fosfat ne raztopi.

3. A) Dobljeno raztopino vlijemo v posodo in počakamo približno en dan.

B) 1. V posodo za kristale nasujte kamne.

2. Raztopino nalijte v posodo in počakajte približno en teden.

3. In namočite kos zelenega papirja z drugo raztopino.

Kristale lahko gojite tudi na kartonu (karton je porozna struktura). Robove kartona morate podrgniti z brusnim papirjem in ga položiti v raztopino. Diagram prikazuje, kako poteka ta proces. Raztopina po kapilarah pride do robov kartona, pride do izhlapevanja in kristalizacije, iz raztopine pa zrastejo kristali.

Shema procesa rasti kristalov: kapilare - izhlapevanje-kristalizacija

Rezultati: (kristali amonijevega fosfata): (fotografija avtorja)

Ta kristalni sistem vsebuje kristale amonijevega dihidrogenfosfata, ki je obetaven material z nelinearnimi električnimi lastnostmi.

Sklepi:

1. Naučili smo se, da si kristali zapomnijo zgodovino rasti

2. Iz amonijevega fosfata smo gojili kristale, zaradi kapilarne rasti pa tudi kristale na kartonu.

3.Naredili mini zbirko peska

Bibliografija.

1. »Amazing Nanostructures«, Kenneth Deffeys in Stephen Deffeys Uredil prof. , Binom 2011

2. "Kamnine in minerali" Znanstveni pop. izdaja. Moskva, Mir, 1986

3. "Gems", Smith G, Svet, 1980

4. “Praktični vodnik po mineralogiji”, Smolyaninov N. A, geološka literatura, 1948

5. "Geološki slovar", M, 1980

Med vsemi čudesi narave se svet kamnov in mineralov odlikuje po fantastični raznolikosti ter skladnosti barv in oblik. Popolnost je v nasprotju s krhkostjo, geometrija oblik pa lahko očara. Narava je najbolj nadarjena umetnica, njena dela so neprecenljiva, obdarjena s starodavno energijo, močjo in božansko lepoto. Svet kamnov predstavlja na tisoče vrst oblik in barv. In strukturo minerala je pogosto mogoče videti le pod mikroskopom, saj so kristalne tvorbe tako majhne, ​​da jih s prostim očesom ne vidimo.

Raznolikost kristalov je tako velika kot raznolikost človeških obrazov. Tako kot mi tudi kristali nimajo le individualnega videza, temveč tudi notranjo energijo. Vsak kamen ima svoj značaj in moč. Barva mineralov je raznolika in spremenljiva, predvsem zaradi vključitve različnih elementov v kristalno mrežo. Vsak mineral nastane kot rezultat sinteze, ki poteka v skladu s strogimi zakoni fizike in kemije.

Domišljija narave daje kristalom nenavadne oblike, pa naj bo to kup mezolitskih stebel, peščena vrtnica iz mavca, skrivnostni labirint bizmuta ali celotno vesolje znotraj ahatne geode. Ni presenetljivo, da ti zakladi postanejo zaželeni zbirateljski predmeti. V tej zadevi nisem bil izjema. Mojemu naboru mineralov težko rečemo kolekcija, a vsebuje kamne, ki so mi dragi, ki me spremljajo že dolgo, me hranijo z močjo in navdihom.

In danes bi rad govoril o glavnih in najpogostejših vrstah kristalov: druzah, geodah in monokristalih.

Druz(prevedeno iz nemščine druza pomeni "čopič")
- to je veliko zlitih kristalov. Vseh kristalnih zrastkov pa ne štejemo za druze. Druze običajno razumemo kot zlite kristale, naključno nameščene na eni podlagi. Velikost in število kristalov v drusenu se lahko razlikujeta. Imenuje se na primer druza, katere velikost kristalov je nekaj milimetrov krtačo. Imenuje se druza z ravno podlago in kristali, usmerjenimi na straneh od središča cvet. Takšne tvorbe obdajajo stene praznin, rastejo na stenah razpok in jih najdemo v odprtih kamnitih votlinah. Agregati v obliki druz kristalov so značilni za številne minerale - kremen, kalcit, fluorit, pirit, barit, glinence, granate itd.

Druz v bolj globalnem smislu je skupek kristalov, ki sobivajo skupaj v harmoniji in miru. To je poosebitev razvite družbe, kjer je vsak član edinstven in popoln, vendar vsi živijo na skupnih temeljih in rešujejo skupne probleme. Vsak kristal vpliva na svoje sosede tako s svojo energijo kot tisto, ki jo je prejel od svojih bližnjih. Z medsebojnim polnjenjem kristali druzy oddajajo močno energijo v okoliški prostor. Druze so odlične za čiščenje prostora, saj absorbirajo, transformirajo in oddajajo energijo.

Geode(iz grščine geode, kar pomeni »zemeljski«, »zemeljski«)
- To so geološke formacije, praznine v kamninah, katerih stene so običajno obrobljene z druzami kristalov ali sferulitnimi strukturami. Geoda ima lahko poljubno obliko, pogosteje pa je okrogla ali elipsoidna. Njihove velikosti so lahko od nekaj milimetrov do nekaj metrov. Največje geode lahko dosežejo velikost več kot 1 meter in se imenujejo jame. Imenujejo se majhne, ​​manjše od 1 cm mandlji. Posebej pogoste so geode, sestavljene iz mineralov skupine kremena (ametist, kamniti kristal, ahat, citrin, kalcedon itd.), značilne pa so tudi za številne druge minerale, odložene v prazninah. Največja geoda iz ametista (Urugvajska cesarica) tehta 2,5 tone in je velika več kot 3 metre.

Geode zaradi okrogle oblike zbirajo energijo navznoter, jo strukturirajo, čistijo in sevajo navzven skozi kristale. Zaradi konkavne oblike in več kristalov je energija ojačana, vendar se za razliko od monokristalov in druz oddaja mehkeje. Geode veljajo za šamanske kamne in se uporabljajo za pridobivanje vizij in vstop v spremenjena stanja. Geoda je odlična ne samo za okrasitev vašega doma, ampak tudi za čiščenje prostora negativne energije. Tako kot druze se geode lahko in morajo napolniti z energijo sonca, lune ali sveče (ognja).

monokristal
- To je ločen homogeni kristal z zvezno kristalno mrežo. Zunanjo obliko posameznega kristala določajo njegova mreža in pogoji (predvsem hitrost in enakomernost) kristalizacije. Počasi rastoč monokristal skoraj vedno dobi dobro definiran naravni rez. In pri visoki stopnji kristalizacije namesto enega kristala nastanejo homogeni polikristali (ali kristalna zrna), sestavljeni iz številnih majhnih monokristalov. Primeri fasetiranih naravnih monokristalov so monokristali kremena, kamene soli, islandskega špata, diamanta, topaza, fluorita itd.

Monokristali so odlični koncentratorji, prevodniki in pretvorniki energije. Monokristali z dvojnim koncem, za razliko od kristalov z enim vrhom, lahko hkrati prevajajo energijo v obe smeri. V litoterapiji se monokristali uporabljajo za obnavljanje energijskih kanalov, za jasno usmerjanje energije kamna v določene organe. Monokristali so sposobni odstraniti negativno energijo in jo hkrati napolniti z novo pozitivno energijo. Odlične so za obnavljanje in strukturiranje osebnosti, poenotenje zavesti in duha.

Trdne snovi delimo na amorfna telesa in kristale. Razlika med slednjim in prvim je v tem, da so atomi kristalov razporejeni po določeni zakonitosti in s tem tvorijo tridimenzionalno periodično razporeditev, ki jo imenujemo kristalna mreža.

Omeniti velja, da ime kristalov izhaja iz grških besed »zmrzniti« in »hladen«, v času Homerja pa so s to besedo označevali kamniti kristal, ki je takrat veljal za »zmrznjen led«. Sprva je bil ta izraz uporabljen za opis samo fasetiranih prozornih tvorb. Kasneje pa so neprozorna in nebrušena telesa naravnega izvora začeli imenovati tudi kristali.

Kristalna struktura in mreža

Idealni kristal je predstavljen v obliki periodično ponavljajočih se enakih struktur - tako imenovanih elementarnih celic kristala. Na splošno je oblika takšne celice poševni paralelopiped.

Treba je razlikovati med pojmi, kot sta kristalna mreža in kristalna struktura. Prva je matematična abstrakcija, ki prikazuje pravilno razporeditev določenih točk v prostoru. Medtem ko je kristalna struktura pravi fizični objekt, kristal, v katerem je določena skupina atomov ali molekul povezana z vsako točko kristalne mreže.

Kristalna struktura granata - romb in dodekaeder

Glavni dejavnik, ki določa elektromagnetne in mehanske lastnosti kristala, je struktura enote celice in z njo povezanih atomov (molekul).

Anizotropija kristalov

Glavna lastnost kristalov, ki jih razlikuje od amorfnih teles, je anizotropija. To pomeni, da so lastnosti kristala različne glede na smer. Na primer, neelastična (nepovratna) deformacija se pojavi samo vzdolž določenih ravnin kristala in v določeni smeri. Zaradi anizotropije se kristali različno odzivajo na deformacijo, odvisno od njene smeri.

Vendar pa obstajajo kristali, ki nimajo anizotropije.

Vrste kristalov

Kristale delimo na monokristale in polikristale. Monokristali so snovi, katerih kristalna struktura se razteza po vsem telesu. Takšna telesa so homogena in imajo neprekinjeno kristalno mrežo. Običajno ima tak kristal izrazit rez. Primeri naravnih monokristalov so monokristali kamene soli, diamanta in topaza ter kremena.

Veliko snovi ima kristalno strukturo, čeprav običajno nimajo značilne oblike kristalov. Takšne snovi vključujejo na primer kovine. Raziskave kažejo, da so takšne snovi sestavljene iz velikega števila zelo majhnih monokristalov – kristalnih zrn ali kristalitov. Snov, sestavljena iz številnih takih različno usmerjenih monokristalov, se imenuje polikristalna. Polikristali pogosto nimajo faset, njihove lastnosti pa so odvisne od povprečne velikosti kristalnih zrn, njihove relativne lege in strukture meja zrn. Polikristali vključujejo snovi, kot so kovine in zlitine, keramika in minerali ter druge.

Naravni neobdelani dragi kamni so praviloma osupljivi predvsem zaradi gladkih ravnin, ki jih obrobljajo in jim dajejo značilne oblike. Ta telesa, ki imajo določeno simetrijo (od začetka 18. stoletja se imenujejo kristali), so oblike manifestacije elementov in spojin, katerih notranja struktura je bila zgoraj opredeljena kot kristalna. Ime "crystallus" se je med starimi Grki in Rimljani nanašalo le na kameni kristal. V prevodu pomeni »zamrznjen«, saj so kamniti kristal zamenjali za močno stisnjen led. Vendar so tako verjeli vse do konca 17. stoletja. Šele leta 1672 se je slavni angleški znanstvenik Robert Boyle v svoji razpravi o dragih kamnih izrekel proti takšni razlagi. Poudaril je, da je kamniti kristal 2,66-krat težji od vode in zato nikakor ne more biti led, ki plava v vodi.

Leta 1723 je luzernski zdravnik Moritz Anton Kapeller morda prvi dal izrazu "kristal" širši pomen. In še prej, leta 1669, je Danec Niels Stensen v svojem delu "Dissertationis Prodromus" pokazal, da ima kremen vedno enake določene vodne površine, ki so zanj značilne, in koti med njimi so vedno enaki (zakon konstantnosti kotov) . Kasneje se je izkazalo, da imajo ta opažanja na kristalih kremena splošen pomen za vse kristale.

Kako nastanejo kristalni robovi in ​​kako kristal nasploh raste?

Spojina, ki nam je dobro znana kot voda (molekula H

0,. sestavljena iz elementov vodik in kisik v razmerju 2:1), je glede na temperaturo lahko v trdnem (led), tekočem (voda) ali plinastem (para) stanju. V trdnem stanju so molekule vode med seboj povezane in tvorijo tipično kristalno mrežo.

Z naraščanjem temperature oslabijo sile medsebojne adhezije koordinacijskih vezi, ki gredo pri 0°C tako daleč, da kristalna mreža razpade. Molekule, ki se sproščajo iz nje, tvorijo nove, zdaj prosto gibljive medsebojne kombinacije in spojina preide v tekoče stanje (vodo). Ta proces se imenuje taljenje (na splošno taljenje).

Ko se voda ohladi na ledišče, se težnja atomov k medsebojni koordinaciji, nasprotno, poveča. Najprej se majhno število posameznih delcev združi v kristalno jedro, ki nato s počasno rastjo ponovno tvori mrežo. Po zaključku tega procesa lahko slednje ponovno predstavljamo kot urejeno atomsko strukturo - kristalno mrežo. Poudariti je treba, da kristalna mreža nastane s postopnim dodajanjem atomov. To imenujemo rast kristalne mreže.

Na podoben način lahko opišemo rast kristalov soli iz vodne raztopine (v splošnem primeru iz taline). Bistveno je pomembno omeniti, da se rastoča kristalna mreža ponavadi obda z ravnimi atomskimi mrežami, ki jih oko zazna kot kristalne ploskve. Prosta, neovirana rast kristala daje prednost pojavu robov na njem. V naravi pa pogosto pride do situacije omejene rasti zaradi pomanjkanja prostega volumna, motenj sosednjih kristalov in podobnih pojavov. Posledično lahko nastanejo zrna, ki imajo popolnoma nepravilne zunanje konture. Čeprav so navzven videti kot popolnoma neurejene tvorbe, je njihova notranja kristalna struktura v večini primerov popolnoma ohranjena in jo je mogoče zaznati z rentgenskimi žarki.

Idealen kristal nastane v pogojih popolne skladnosti s pogoji nastanka in rasti. Vendar večina naravnih kristalov kaže rahla odstopanja od svoje idealne oblike – popačenja. Te kristale popačenih oblik imenujemo pravi kristali.

Pri splošnem opisu kristalnih oblik ločimo enostavne oblike in njihove kombinacije. Preprosta oblika je predstavljena v primeru, ko so vse ploskve kristala enake, enakovredne; če so različni, torej pripadajo različnim preprostim oblikam, govorijo o kombinaciji.

Enostavne oblike lahko razdelimo na zaprte enostavne oblike, ki lahko obstajajo same (v kristalih jih je po zakonih simetrije le 30) in odprte enostavne oblike, ki so možne le v kombinacijah.

Če obstaja ena sama odprta preprosta oblika, ki nima drugega ekvivalenta, potem govorimo o monoedru (pedionu). Če ima monoeder nasprotno ploskev, ki je vzporedna z njo, se taka odprta preprosta oblika imenuje pinakoid, in če druga enakovredna ravnina ni vzporedna, ampak se nahaja pod kotom na prvo, potem se ta oblika imenuje hiša (zaradi podobnosti z dvokapno streho) ali diedra. Ko se dve enaki ravnini zbližata v obliki klina, nastane sfenoid (aksialni dieder, polprizma). Ko se vzdolž vzporednih robov seka več enakovrednih ravnin, nastanejo različne prizme: tristrane (trigonalne), štiristrane kvadratne (tetragonalne), štiristrane pravokotne (rombične) in šeststrane (heksagonalne).

Piramide so odprte oblike, ki jih tvori več enakih ravnin, katerih robovi se zbližajo v eni točki. Posebne vrste piramid imajo enaka imena kot ustrezne prizme.

Zaprte enostavne oblike vključujejo bipiramido, oktaeder, trapezoeder, skalenoedre bisfenoid (rombični in tetragonalni tetraedri), tetraeder, kocko (heksaeder) I, romboeder, rombododekaeder, pentagondodekaeder, ikozitetraeder (tetragontriktaeder), tetraheksaeder in heksaoktaeder ron.

Ker odprte oblike ne morejo obstajati same po sebi, tvorijo predvsem kombinacije. Vendar pa zaprte oblike pogosto najdemo v kombinacijah. Med preprostimi oblikami kombinacije najpogosteje tvorijo prizmo in pinakoid, piramido in monoeder. Pogosto se skupaj znajdeta prizma in bipiramida, včasih tudi kocka in oktaeder.

Ob upoštevanju vseh teh kristalografskih oblik je jasno, da ima vsaka od njih določeno simetrijo, katere stopnja se ocenjuje; na podlagi njegovih posameznih elementov. Ti elementi vključujejo: zrcalne odbojne ravnine (simetrične ravnine), simetrijske osi in simetrično središče. Na podlagi možnih kombinacij različnih elementov simetrije lahko kristalne oblike razdelimo na kristalografske sisteme (sisteme) in razrede simetrije.

Za največjo simetrijo je značilen kubični sistem, ki mu pripadajo kocka, oktaeder, rombični dodekaeder in druge oblike. Diamant, granat, fluorit in sfalerit kristalizirajo iz dragih in barvnih kamnov v tem sistemu.

Nadalje, glede na simetrijo, se razlikujejo: tetragonalni sistem - cirkon; heksagonalni - apatit, beril; trigonalni (delno razvrščeni kot heksagonalni) - turmalin, korund; rombični - topaz; monoklinski - ortoklaz; triklinski - labradorit. Tu so imenovani le nekateri predstavniki posameznih singonij. Za triklinične kristale je značilna najnižja simetrija.

Ko smo do sedaj govorili o kristalih in njihovih oblikah, smo mislili le na posamezne individue, monokristale. Vendar so v naravi izjemno redki. Kombinacijo nekaj dobro razvitih med seboj povezanih kristalov imenujemo zraščanje kristalov. Toda veliko pogosteje so narasli številni kristali, pogosto nepopolne oblike, imenovani kristalni agregat.