Al mirar cristales y gemas, uno quiere entender cómo pudo aparecer esta misteriosa belleza, cómo se crean obras tan increíbles de la naturaleza. Hay un deseo de aprender más sobre sus propiedades. Después de todo, la estructura repetitiva especial de los cristales, que no existe en ninguna parte de la naturaleza, permite que se utilicen en todas partes: desde joyería hasta los últimos inventos científicos y técnicos.
Estudio de minerales cristalinos
La estructura y las propiedades de los cristales son tan multifacéticas que una ciencia separada, la mineralogía, se dedica al estudio y estudio de estos fenómenos. El famoso académico ruso Alexander Evgenievich Fersman quedó tan absorto y sorprendido por la diversidad e infinidad del mundo de los cristales que trató de cautivar a tantas mentes como fuera posible con este tema. En su libro Entertaining Mineralogy, instó con entusiasmo y calidez a familiarizarse con los secretos de los minerales y sumergirse en el mundo de las gemas:
Realmente te quierocautivar. Quiero que empieces a interesarte por las montañas y las canteras, las minas y las minas, para que empieces a coleccionar colecciones de minerales, para que quieras ir con nosotros desde la ciudad más lejana, hasta el curso del río, donde hay son altos bancos rocosos, a las cimas de las montañas oa la costa rocosa, donde se rompe la piedra, se extrae la arena o se explota el mineral. Allí, en todas partes, tú y yo encontraremos algo que hacer: y en rocas muertas, arenas y piedras, aprenderemos a leer algunas grandes leyes de la naturaleza que gobiernan el mundo entero y según las cuales está construido todo el mundo.
La física estudia los cristales, argumentando que cualquier cuerpo realmente sólido es un cristal. La química investiga la estructura molecular de los cristales, llegando a la conclusión de que cualquier metal tiene una estructura cristalina.
El estudio de las asombrosas propiedades de los cristales es de gran importancia para el desarrollo de la ciencia moderna, la tecnología, la industria de la construcción y muchas otras industrias.
Leyes básicas de los cristales
Lo primero que la gente nota cuando mira un cristal es su forma multifacética ideal, pero no es la característica principal de un mineral o metal.
Cuando un cristal se rompe en pequeños fragmentos, nada quedará de la forma ideal, pero cualquier fragmento, como antes, seguirá siendo un cristal. Un rasgo distintivo de un cristal no es su apariencia, sino los rasgos característicos de su estructura interna.
Simétrico
Lo primero que hay que recordar y tener en cuenta al estudiar cristales es el fenómenosimetría. Está muy extendida en la vida cotidiana. Las alas de mariposa son simétricas, una huella de una mancha en una hoja de papel doblada por la mitad. Cristales de nieve simétricos. El copo de nieve hexagonal tiene seis planos de simetría. Al doblar la imagen a lo largo de cualquier línea que represente el plano de simetría del copo de nieve, puede combinar sus dos mitades entre sí.
El eje de simetría tiene una propiedad tal que, al girar una figura en un ángulo conocido a su alrededor, es posible combinar partes adecuadas de la figura entre sí. Dependiendo del tamaño de un ángulo adecuado por el cual se necesita girar la figura, los ejes de segundo, tercer, cuarto y sexto orden se determinan en los cristales. Así, en los copos de nieve existe un único eje de simetría de sexto orden, que es perpendicular al plano del dibujo.
El centro de simetría es tal punto en el plano de la figura, a la misma distancia del cual en dirección opuesta se encuentran los mismos elementos estructurales de la figura.
¿Qué hay dentro?
La estructura interna de los cristales es una especie de combinación de moléculas y átomos en un orden peculiar solo de los cristales. ¿Cómo conocen la estructura interna de las partículas si no son visibles ni siquiera con un microscopio?
Para esto se utilizan rayos X. Usándolos para cristales translúcidos, el físico alemán M. Laue, los físicos ingleses padre e hijo Bragg, y el profesor ruso Yu. Wolf establecieron las leyes según las cuales se estudia la estructura y estructura de los cristales.
Todo fue sorprendente e inesperado. samoel concepto de estructura de la molécula resultó inaplicable al estado cristalino de la materia.
Por ejemplo, una sustancia tan conocida como la sal de mesa tiene la composición química de la molécula de NaCl. Pero en un cristal, los átomos individuales de cloro y sodio no se suman para formar moléculas separadas, sino que forman una cierta configuración llamada red espacial o cristalina. Las partículas más pequeñas de cloro y sodio están unidas eléctricamente. La red cristalina de sal se forma de la siguiente manera. Uno de los electrones de valencia de la capa exterior del átomo de sodio se introduce en la capa exterior del átomo de cloro, que no está completamente llena debido a la ausencia del octavo electrón en la tercera capa de cloro. Así, en un cristal, cada ion tanto de sodio como de cloro no pertenece a una molécula, sino a todo el cristal. Debido al hecho de que el átomo de cloro es monovalente, solo puede unirse a un electrón. Pero las características estructurales de los cristales llevan al hecho de que el átomo de cloro está rodeado por seis átomos de sodio, y es imposible determinar cuál de ellos compartirá un electrón con el cloro.
Resulta que la molécula química de la sal de mesa y su cristal no son lo mismo en absoluto. Todo el monocristal es como una molécula gigante.
Rejilla - solo modelo
Debe evitarse el error cuando se toma la red espacial como un modelo real de la estructura cristalina. Enrejado: una especie de imagen condicional de un ejemplo de la conexión de partículas elementales en la estructura de los cristales. Puntos de conexión a la red en forma de bolasle permiten representar visualmente los átomos, y las líneas que los conectan son una imagen aproximada de las fuerzas de unión entre ellos.
En realidad, los espacios entre los átomos dentro de un cristal son mucho más pequeños. Es un empaquetamiento denso de sus partículas constituyentes. Una bola es una designación convencional de un átomo, cuyo uso permite reflejar con éxito las propiedades del empaquetamiento cerrado. En realidad, no hay un simple contacto de átomos, sino su superposición parcial mutua entre sí. En otras palabras, la imagen de una bola en la estructura de la red cristalina es, para mayor claridad, la esfera representada de tal radio que contiene la parte principal de los electrones del átomo.
Promesa de fuerza
Existe una fuerza de atracción eléctrica entre dos iones de carga opuesta. Es un aglutinante en la estructura de cristales iónicos como la sal de mesa. Pero si acercas mucho los iones, sus órbitas electrónicas se superpondrán entre sí y aparecerán fuerzas repulsivas de partículas con la misma carga. Dentro del cristal, la distribución de iones es tal que las fuerzas de atracción y repulsión están en equilibrio, lo que proporciona la fuerza cristalina. Esta estructura es típica de los cristales iónicos.
Y en las redes cristalinas de diamante y grafito hay una conexión de átomos con la ayuda de electrones comunes (colectivos). Los átomos estrechamente espaciados tienen electrones comunes que giran alrededor del núcleo tanto de uno como de los átomos vecinos.
Un estudio detallado de la teoría de fuerzas con tales enlaces es bastante difícil y se encuentra en el campo de la mecánica cuántica.
Diferencias de metales
La estructura de los cristales metálicos es más compleja. Debido al hecho de que los átomos de metal donan fácilmente los electrones externos disponibles, pueden moverse libremente por todo el volumen del cristal, formando en su interior el llamado gas de electrones. Gracias a tales electrones "errantes", se crean fuerzas que aseguran la resistencia del lingote de metal. El estudio de la estructura de cristales metálicos reales muestra que, dependiendo del método de enfriamiento de un lingote de metal, éste puede contener imperfecciones: superficiales, puntuales y lineales. El tamaño de tales defectos no excede el diámetro de varios átomos, pero distorsionan la red cristalina y afectan los procesos de difusión en los metales.
Crecimiento de cristales
Para una mejor comprensión, el crecimiento de una sustancia cristalina se puede representar como la construcción de una estructura de ladrillos. Si un ladrillo de una mampostería sin terminar se presenta como parte integral de un cristal, entonces es posible determinar dónde crecerá el cristal. Las propiedades energéticas del cristal son tales que el ladrillo colocado en el primer ladrillo experimentará atracción desde un lado, desde abajo. Al acostarse en el segundo, desde dos lados, y en el tercero, desde tres. En el proceso de cristalización, la transición de un estado líquido a un estado sólido, se libera energía (calor de fusión). Para la mayor fuerza del sistema, su energía posible debe tender a un mínimo. Por lo tanto, el crecimiento de cristales ocurre capa por capa. Primero, se completará una fila del avión, luego todo el avión y solo entonces se comenzará a construir el siguiente.
Ciencia decristales
La ley básica de la cristalografía, la ciencia de los cristales, dice que todos los ángulos entre los diferentes planos de las caras de los cristales son siempre constantes e iguales. No importa cuán distorsionado esté un cristal en crecimiento, los ángulos entre sus caras conservan el mismo valor inherente a este tipo. Independientemente del tamaño, la forma y el número, las caras del mismo plano cristalino siempre se cruzan en el mismo ángulo predeterminado. La ley de la constancia de los ángulos fue descubierta por M. V. Lomonosov en 1669 y desempeñó un papel importante en el estudio de la estructura de los cristales.
Anisotropía
La peculiaridad del proceso de formación de cristales se debe al fenómeno de la anisotropía: diferentes características físicas según la dirección de crecimiento. Los cristales individuales conducen la electricidad, el calor y la luz de manera diferente en diferentes direcciones y tienen una fuerza desigual.
Así, un mismo elemento químico con los mismos átomos puede formar redes cristalinas diferentes. Por ejemplo, el carbono puede cristalizarse en diamante y en grafito. Al mismo tiempo, el diamante es un ejemplo de la máxima resistencia entre los minerales, y el grafito deja fácilmente sus escamas cuando se escribe con un lápiz sobre papel.
La medición de los ángulos entre las caras de los minerales tiene una gran importancia práctica para determinar su naturaleza.
Características básicas
Habiendo aprendido las características estructurales de los cristales, podemos describir brevemente sus principales propiedades:
- Anisotropía: propiedades desiguales en diferentes direcciones.
- Uniformidad - elementallos constituyentes de los cristales, equidistantes, tienen las mismas propiedades.
- La capacidad de autocorte: cualquier fragmento de un cristal en un medio adecuado para su crecimiento tomará una forma multifacética y se cubrirá con las caras correspondientes a este tipo de cristales. Es esta propiedad la que permite que el cristal mantenga su simetría.
- La invariancia del punto de fusión. La destrucción de la red espacial de un mineral, es decir, la transición de una sustancia cristalina de un estado sólido a un estado líquido, siempre ocurre a la misma temperatura.
Los cristales son sólidos que han tomado la forma natural de un poliedro simétrico. La estructura de los cristales, caracterizada por la formación de una red espacial, sirvió de base para el desarrollo en física de la teoría de la estructura electrónica de un sólido. El estudio de las propiedades y estructura de los minerales es de gran importancia práctica.
