Кристаллы и их свойства

Доклад подготовила Ю. А. Бородина
Кристаллы (от греч. κρύσταλλος— горный хрусталь) — это твёрдые вещества, имеющие
естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на
их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных
расположений, составляющих вещество частиц .

Идеальный кристалл
Является, по сути, математическим объектом,
имеющим полную, свойственную ему симметрию,
идеализированно ровные гладкие грани.

Реальный кристалл
Всегда содержит различные дефекты внутренней
структуры решетки, искажения и неровности на
гранях и имеет пониженную симметрию
многогранника вследствие специфики условий роста,
неоднородности питающей среды, повреждений и
деформаций. Реальный кристалл не обязательно
обладает кристаллографическими гранями и
правильной формой, но у него сохраняется главное
свойство — закономерное положение атомов в
кристаллической решётке.

Кристаллография изучает идеальные кристаллы c
позиций законов симметрии и сопоставляет их с
кристаллами реальными.

Структурная кристаллография занимается
определением внутренней структуры кристаллов и
классификацией кристаллических решеток.

Кристаллооптика изучает оптические свойства
кристаллов.

Кристаллохимия изучает закономерности
образования кристаллов из различных веществ и в
разных средах.

Вообще свойства реальных кристаллов — огромная
научная отрасль, достаточно сказать, что все
полупроводниковые свойства некоторых кристаллов
(на основе которых создаётся точная электроника и,
в частности, компьютеры) возникают именно за счет
дефектов.
Рост кристаллов.
Почти любое вещество может при известных условиях дать кристаллы. Кристаллы можно получить из
раствора или из расплава данного вещества, а также из его паров. Многим известно, что растворимость веществ
зависит от температуры. Обычно с повышением температуры растворимость увеличивается, а с понижением –
уменьшается. Мы знаем, что одни вещества растворяются хорошо, другие - плохо. При растворении веществ
образуются насыщенные и ненасыщенные растворы. Насыщенный раствор – это раствор, который содержит
максимальное количество растворяемого вещества при данной температуре. Ненасыщенный раствор – это
раствор, который содержит меньше растворяемого вещества, чем насыщенный при данной температуре.
Допустим мы приготовили насыщенный раствор, скажем, сахара при температуре 30°С и начинаем
охлаждать его до 20°С. При 30°С мы смогли растворить в 100 г воды 223 г сахара, при 20°С растворяется 205 г.
Тогда при охлаждении от 30 до 20°С 18 г окажутся "лишними" и, как говорят, выпадут из раствора. Итак, один из
возможных способов получения кристаллов состоит в охлаждении насыщенного раствора.
Можно поступить иначе. Приготовим насыщенный раствор соли и оставим его в открытом стакане.
Через некоторое время мы обнаружим появление кристалликов. Внимательное наблюдение покажет, что
одновременно с образованием кристаллов произошло еще одно изменение – уменьшилось количество воды. Вода
испарилась, и в растворе оказалось <лишнее>вещество. Итак, другой возможный способ образования кристаллов –
это испарение раствора. Иногда при приготовлении раствора в особых условиях вещество образует не
насыщенный раствор и осадок, а только раствор, называемый пересыщенным. Такие растворы обычно
неустойчивы – при введении центра кристаллизации избыточное количество растворяемого вещества выпадает в
осадок и образуется насыщенный раствор. Опыты по выращиванию кристалла из пересыщенного раствора более
эффективны.
Как я уже говорила, что кристаллы "выпадают" из раствора; надо ли это понимать так, что неделю
кристалла не было, а в одно какое-то мгновение он вдруг возник? Нет, дело обстоит не так: кристаллы
.
растут. Не удается, разумеется, обнаружить глазом самые начальные моменты роста. Сначала немногие из
беспорядочно движущихся молекул или атомов растворенного вещества собираются в том примерно порядке,
который нужен для образования кристаллической решетки. Такую группу атомов или молекул называют
зародышем.
Опыт показывает, что зародыши чаще образуются при наличии в растворе каких-либо центров
кристаллизации. Центрами кристаллизации могут служить загрязнения на стенках посуды с раствором,
пылинки, мелкие кристаллики растворенного вещества. Быстрее и легче всего кристаллизация начинается
тогда, когда в насыщенный раствор помещается маленький кристалл – затравка. При этом выделении из
раствора твердого вещества будет заключаться не в образовании новых кристалликов, а в росте затравки.
Рост зародыша не отличается, конечно, от роста затравки. Смысл использования затравки состоит
в том, что он "оттягивает" на себя выделяющееся вещество и препятствует, таким образом,
одновременному образованию большого числа зародышей. Если же зародышей образуется много, то они будут
мешать друг другу при росте и не позволят получить крупные кристаллы.
В целом ряде случаев кристаллы образуются из расплавленной массы. В природе это совершается в
огромных масштабах: например из огненной магмы возникли базальты, граниты и многие другие горные
породы.
Получение и применение кристаллов
Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими,
электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала,
встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом электрических свойств, обеспечивающих им
широкое применение в технике. Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие находят
применение при изготовлении оптических приборов.
К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов
встречаются редко. Это привело к тому, что многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют
драгоценными камнями, алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое время ценились людьми
очень высоко в основном не за особые механические пли другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости.
Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе
кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов и машин, для выполнения научных исследований.
Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов
выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.
Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения научных исследований все чаще
требуются монокристаллы очень высокий химической чистоты с совершенной кристаллической структурой.
Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях,
весьма далеких от идеальных. Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного
изготовления монокристаллов многих элементов и химических соединений.
Разработка сравнительно простого способа изготовления «драгоценного камня» приводит к тому, что он
перестает быть драгоценным. Объясняется это тем, что большинство драгоценных камней является
кристаллами широко распространенных в природе химических элементов и соединений. Так, алмаз — это
кристалл углерода, рубин и сапфир — кристаллы окиси алюминия с различными примесями.
Немного из истории!
Долгое время ученые считали, что кристалл растет подобно кирпичной кладке пока не достроен
предыдущий ряд, новый не строится. Естественно атому легче осесть на плоскость зацепившись за
находящийся рядом атом, но, когда ряд достроен и плоскость не нуждается в новых частицах, куда деваться
вновьприбывшему атому ? Считалось, что он отскакивает обратно в среду, из которой выпал. Тогда рост
кристалла прекратился бы уже после построения первой грани.
Как же происходит на самом деле В 1948 году английский кристаллограф Франк выдвинул остроумную
догадку Кристалл растет не параллельными слоями, не как кирпичная кладка, а подобно винтовой лестнице
или спирали. Кристалл при росте как бы накручивается сам на себя, все время продвигая вперед одну и ту же
ступень. На выходе этой ступеньки на грани кристалла как бы заготовлена уютная посадочная площадка для
каждой вновь присоединяющейся частицы.
И хитрость здесь в том, что частицы, оседая, присоединяются к ступеньке, а ступенька не зарастает,
только число оборотов в винтовой лестнице увеличивается, и грань, продвигаясь вперед, непрерывно растет.
Именно так, по представлению Франка, в некоторых местах в кристалле нарушено правильное чередование
атомных слоев атомные слои не параллельны друг другу, а закручены в единую винтовую лестницу. Схема
такой атомной винтовой лестницы называется винтовая дислокация.
Однако, когда Франк рассказал о своей гипотезе на конференции по росту кристаллов в 1948 г слушатели
с недоверием отнеслись к его теории, ведь в таком случае на грани кристалла должен быть не зарастающий
выступ, меж тем спокон веков известно, что грани у кристаллов гладкие. И тем не менее Франк оказался прав
на гранях кристаллов действительно имеются спиральные выступы. Оказалось, что тремя годами ранее в
1945 г. в Москве Г. Г. Леммлейн обнаружил, что на зеркально-гладкой, ровной, плоской грани кристалла
имеются спиральные ступеньки. Он обнаружил это при помощи росы нанесенной на грань кристалла. Росинки
оседают и выделяют каждую неровность на поверхности, тогда в микроскоп ученый и разглядел эти выступы.
Найденный им метод был назван методом росы.
Интересные факты!
Самые большие кристаллы были обнаружены в
Пещере кристаллов в шахтовом комплексе Найка, в
мексиканском штате Чиуауа. Некоторые из найденных
там кристаллов гипса достигают 15 метров в длину, а в
ширину — 1 метр.
В космических лабораториях на советской
станции «Салют- 4», на американской «Скайлеб» во
время совместного полёта «Союз-Аполон» ставились
опыты по выращиванию кристаллов в условиях
невесомости, недостижимой на Земле чистоты и
глубокого вакуума. В космосе были выращены
полупроводниковые монокристаллы селенида германия и
теллурида германия, в 10 раз большие, чем удалось
вырастить в земных условиях, и значительнее более
однородные. В невесомости получены монокристаллы в
форме сплошных и полых сфер, пригодные, например,
для шарикоподшипников, нитевидные кристаллы
сапфира, отличающиеся большой прочностью,
выдерживающие давления, в десятки раз превышающие
«земные».
Спасибо за внимание!