Khi nhìn vào những viên pha lê và đá quý, người ta muốn hiểu vẻ đẹp bí ẩn này có thể xuất hiện như thế nào, làm thế nào mà những tác phẩm tuyệt vời của thiên nhiên lại được tạo ra. Có mong muốn tìm hiểu thêm về tài sản của họ. Rốt cuộc, cấu trúc lặp lại đặc biệt, không nơi nào có trong tự nhiên của tinh thể cho phép chúng được sử dụng ở mọi nơi: từ đồ trang sức đến những phát minh khoa học và kỹ thuật mới nhất.
Nghiên cứu về khoáng chất kết tinh
Cấu trúc và tính chất của tinh thể rất đa dạng nên một ngành khoa học riêng biệt, khoáng vật học, đã tham gia vào việc nghiên cứu và tìm hiểu những hiện tượng này. Viện sĩ nổi tiếng người Nga Alexander Evgenievich Fersman đã bị cuốn hút và ngạc nhiên trước sự đa dạng và vô tận của thế giới tinh thể đến nỗi ông đã cố gắng thu hút càng nhiều tâm trí càng tốt với chủ đề này. Trong cuốn sách Giải trí về khoáng chất, anh ấy đã nhiệt tình và nồng nhiệt thúc giục làm quen với những bí mật của khoáng chất và dấn thân vào thế giới đá quý:
Tôi thực sự muốn bạnquyến rũ. Tôi muốn bạn bắt đầu quan tâm đến núi và mỏ đá, mỏ và mỏ, để bạn bắt đầu thu thập các bộ sưu tập khoáng sản, để bạn muốn đi cùng chúng tôi từ thành phố xa hơn, đến dòng sông, nơi có là những bờ đá cao, đến đỉnh núi hoặc bờ biển nhiều đá, nơi đá bị vỡ, cát khai thác, hoặc quặng đang nổ. Ở đó, bạn và tôi ở khắp mọi nơi sẽ tìm thấy điều gì đó để làm: và trong những tảng đá, cát và đá chết, chúng ta sẽ học cách đọc một số quy luật tuyệt vời của tự nhiên chi phối toàn thế giới và theo đó cả thế giới được xây dựng.
Vật lý học nghiên cứu các tinh thể, lập luận rằng bất kỳ vật thể thực sự rắn nào cũng là một tinh thể. Hóa học nghiên cứu cấu trúc phân tử của tinh thể, đi đến kết luận rằng bất kỳ kim loại nào cũng có cấu trúc tinh thể.
Việc nghiên cứu các đặc tính tuyệt vời của tinh thể có tầm quan trọng rất lớn đối với sự phát triển của khoa học, công nghệ hiện đại, ngành xây dựng và nhiều ngành khác.
Các định luật cơ bản của tinh thể
Điều đầu tiên mọi người chú ý khi nhìn vào một viên pha lê là hình dạng đa diện lý tưởng của nó, nhưng nó không phải là đặc điểm chính của khoáng chất hoặc kim loại.
Khi một tinh thể bị vỡ thành các mảnh nhỏ, không có gì sẽ còn ở dạng lý tưởng, nhưng bất kỳ mảnh nào, như trước đây, sẽ vẫn là một tinh thể. Đặc điểm nổi bật của một tinh thể không phải là vẻ ngoài của nó, mà là những đặc điểm đặc trưng của cấu trúc bên trong của nó.
Đối xứng
Điều đầu tiên cần nhớ và lưu ý khi nghiên cứu về tinh thể là hiện tượngđối diện. Nó phổ biến trong cuộc sống hàng ngày. Cánh bướm đối xứng, là dấu ấn của một đốm màu trên một mảnh giấy gấp đôi. Tinh thể tuyết đối xứng. Bông tuyết hình lục giác có sáu mặt phẳng đối xứng. Bằng cách uốn bức tranh theo bất kỳ đường thẳng nào mô tả mặt phẳng đối xứng của bông tuyết, bạn có thể kết hợp hai nửa của nó với nhau.
Trục đối xứng có một tính chất là khi quay một hình theo một góc đã biết nào đó xung quanh nó, có thể kết hợp các phần phù hợp của hình với nhau. Tùy thuộc vào kích thước của một góc thích hợp mà hình cần quay, các trục của bậc 2, 3, 4 và 6 được xác định trong tinh thể. Do đó, trong bông tuyết, có một trục đối xứng bậc sáu, trục này vuông góc với mặt phẳng vẽ.
Tâm đối xứng là một điểm trong mặt phẳng của hình, tại cùng một khoảng cách từ đó theo hướng ngược lại là các thành phần cấu trúc giống nhau của hình.
Có gì bên trong?
Cấu trúc bên trong của tinh thể là một dạng kết hợp của các phân tử và nguyên tử theo một trật tự đặc biệt chỉ có ở tinh thể. Làm sao họ biết được cấu trúc bên trong của các hạt nếu chúng không thể nhìn thấy ngay cả bằng kính hiển vi?
Tia X được sử dụng cho việc này. Sử dụng chúng để làm tinh thể trong mờ, nhà vật lý người Đức M. Laue, cha con nhà vật lý người Anh Bragg và giáo sư người Nga Yu. Wolf đã thiết lập các định luật theo đó cấu trúc và cấu trúc của tinh thể được nghiên cứu.
Mọi thứ thật bất ngờ và bất ngờ. Samokhái niệm về cấu trúc của phân tử hóa ra không thể áp dụng cho trạng thái tinh thể của vật chất.
Ví dụ, một chất nổi tiếng như muối ăn có thành phần hóa học là phân tử NaCl. Nhưng trong một tinh thể, các nguyên tử riêng lẻ của clo và natri không cộng lại thành các phân tử riêng biệt, mà tạo thành một cấu hình nhất định gọi là mạng không gian hoặc mạng tinh thể. Các hạt nhỏ nhất của clo và natri được liên kết điện. Mạng tinh thể của muối được hình thành như sau. Một trong các electron hóa trị của lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử natri được đưa vào lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử clo, lớp này không được lấp đầy hoàn toàn do sự vắng mặt của electron thứ tám ở lớp vỏ thứ ba của clo. Do đó, trong một tinh thể, mỗi ion của cả natri và clo không thuộc về một phân tử, mà thuộc về toàn bộ tinh thể. Do nguyên tử clo là đơn chất nên nó chỉ có thể gắn một electron vào chính nó. Nhưng các đặc điểm cấu trúc của tinh thể dẫn đến thực tế là nguyên tử clo được bao quanh bởi sáu nguyên tử natri, và không thể xác định được nguyên tử nào trong số chúng sẽ chia sẻ một điện tử với clo.
Hóa ra phân tử hóa học của muối ăn và tinh thể của nó hoàn toàn không giống nhau. Toàn bộ đơn tinh thể giống như một phân tử khổng lồ.
Grille - chỉ có mẫu
Nên tránh lỗi khi mạng tinh thể không gian được lấy làm mô hình thực của cấu trúc tinh thể. Mạng tinh thể - một loại hình ảnh điều kiện của một ví dụ về sự liên kết của các hạt cơ bản trong cấu trúc của tinh thể. Các điểm kết nối lưới ở dạng bóngcho phép bạn mô tả trực quan các nguyên tử và các đường nối giữa chúng là hình ảnh gần đúng về lực liên kết giữa chúng.
Trong thực tế, khoảng cách giữa các nguyên tử bên trong tinh thể nhỏ hơn nhiều. Nó là một gói dày đặc các hạt cấu thành của nó. Quả bóng là một ký hiệu thông thường của một nguyên tử, việc sử dụng nó giúp nó có thể phản ánh thành công các đặc tính của việc đóng gói chặt chẽ. Trong thực tế, không có sự tiếp xúc đơn giản của các nguyên tử mà là sự xen phủ từng phần lẫn nhau của chúng với nhau. Nói cách khác, hình ảnh của một quả cầu trong cấu trúc của mạng tinh thể, để rõ ràng, là quả cầu được mô tả có bán kính như vậy chứa phần chính là các electron của nguyên tử.
Cam kết sức mạnh
Có lực hút điện giữa hai ion trái dấu. Nó là chất kết dính trong cấu trúc của các tinh thể ion như muối ăn. Nhưng nếu bạn đưa các ion đến rất gần, quỹ đạo electron của chúng sẽ chồng lên nhau, và lực đẩy của các hạt mang điện tương tự sẽ xuất hiện. Bên trong tinh thể, sự phân bố của các ion sao cho cân bằng lực đẩy và lực hút, tạo nên độ bền của tinh thể. Cấu trúc này đặc trưng cho các tinh thể ion.
Và trong mạng tinh thể của kim cương và than chì có sự liên kết của các nguyên tử với sự trợ giúp của các electron chung (tập thể). Các nguyên tử gần nhau có các electron chung quay xung quanh hạt nhân của cả một nguyên tử và nguyên tử lân cận.
Một nghiên cứu chi tiết về lý thuyết lực với các liên kết như vậy khá khó và nằm trong lĩnh vực cơ học lượng tử.
Sự khác biệt về kim loại
Cấu trúc của tinh thể kim loại phức tạp hơn. Do thực tế là các nguyên tử kim loại dễ dàng hiến tặng các điện tử bên ngoài có sẵn, chúng có thể tự do di chuyển trong toàn bộ thể tích của tinh thể, tạo thành cái gọi là khí điện tử bên trong nó. Nhờ các electron "lang thang" như vậy, các lực được tạo ra đảm bảo độ bền của thỏi kim loại. Nghiên cứu cấu trúc của các tinh thể kim loại thực cho thấy rằng, tùy thuộc vào phương pháp làm nguội một thỏi kim loại, nó có thể chứa các điểm không hoàn hảo: bề mặt, điểm và tuyến tính. Kích thước của các khuyết tật như vậy không vượt quá đường kính của một số nguyên tử, nhưng chúng làm biến dạng mạng tinh thể và ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán trong kim loại.
Tăng trưởng tinh thể
Để dễ hiểu hơn, sự phát triển của một chất kết tinh có thể được biểu thị như sự lắp dựng của một cấu trúc gạch. Nếu một viên gạch của khối xây chưa hoàn thành được trình bày như một phần không thể thiếu của tinh thể, thì có thể xác định vị trí mà tinh thể sẽ phát triển. Các thuộc tính năng lượng của tinh thể là sao cho viên gạch được đặt trên viên gạch đầu tiên sẽ chịu lực hút từ một phía - từ bên dưới. Khi đặt trên thứ hai - từ hai bên và trên thứ ba - từ ba. Trong quá trình kết tinh - chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn - năng lượng (nhiệt của phản ứng tổng hợp) được giải phóng. Đối với sức mạnh lớn nhất của hệ thống, năng lượng có thể có của nó phải có xu hướng nhỏ nhất. Do đó, sự phát triển của các tinh thể xảy ra từng lớp. Đầu tiên, một hàng của máy bay sẽ được hoàn thành, sau đó là toàn bộ máy bay và chỉ sau đó hàng tiếp theo sẽ bắt đầu được chế tạo.
Khoa học củatinh thể
Định luật cơ bản của tinh thể học - khoa học về tinh thể - nói rằng tất cả các góc giữa các mặt phẳng khác nhau của các mặt tinh thể luôn không đổi và giống nhau. Cho dù một tinh thể lớn lên có bị bóp méo đến đâu, các góc giữa các mặt của nó vẫn giữ nguyên giá trị vốn có của loại này. Bất kể kích thước, hình dạng và số lượng, các mặt của cùng một mặt phẳng tinh thể luôn cắt nhau theo cùng một góc xác định trước. Định luật về sự không đổi của các góc được phát hiện bởi M. V. Lomonosov vào năm 1669 và đóng một vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc của các tinh thể.
Dị hướng
Điểm đặc biệt của quá trình hình thành tinh thể là do hiện tượng dị hướng - các đặc tính vật lý khác nhau tùy thuộc vào hướng sinh trưởng. Các tinh thể đơn dẫn điện, nhiệt và ánh sáng khác nhau theo các hướng khác nhau và có độ bền không bằng nhau.
Như vậy, cùng một nguyên tố hóa học với các nguyên tử giống nhau có thể tạo thành các mạng tinh thể khác nhau. Ví dụ, cacbon có thể kết tinh thành kim cương và thành than chì. Đồng thời, kim cương là một ví dụ về sức mạnh tối đa giữa các khoáng chất và than chì dễ dàng rời khỏi vảy khi viết bằng bút chì trên giấy.
Việc đo góc giữa các mặt của khoáng chất có tầm quan trọng thực tế rất lớn để xác định bản chất của chúng.
Tính năng cơ bản
Sau khi tìm hiểu các đặc điểm cấu trúc của tinh thể, chúng ta có thể mô tả ngắn gọn các tính chất chính của chúng:
- Dị hướng - đặc tính không đồng đều theo các hướng khác nhau.
- Đồng nhất - sơ cấpcác thành phần của tinh thể, cách đều nhau, có cùng tính chất.
- Khả năng tự cắt - bất kỳ mảnh tinh thể nào trong môi trường thích hợp cho sự phát triển của nó sẽ có hình dạng đa diện và sẽ được bao phủ bởi các mặt tương ứng với loại tinh thể này. Chính đặc tính này cho phép tinh thể duy trì tính đối xứng của nó.
- Sự bất biến của điểm nóng chảy. Sự phá hủy mạng tinh thể không gian của một khoáng chất, tức là sự chuyển đổi của một chất kết tinh từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng, luôn xảy ra ở cùng một nhiệt độ.
Pha lê là chất rắn có hình dạng tự nhiên của một hình đa diện đối xứng. Cấu trúc của tinh thể, được đặc trưng bởi sự hình thành mạng tinh thể không gian, là cơ sở cho sự phát triển trong vật lý học lý thuyết về cấu trúc điện tử của chất rắn. Việc nghiên cứu các đặc tính và cấu trúc của khoáng chất có tầm quan trọng thực tế rất lớn.
