Při pohledu na krystaly a drahokamy chce člověk pochopit, jak se tato tajemná krása mohla objevit, jak vznikají tak úžasná díla přírody. Existuje touha dozvědět se více o jejich vlastnostech. Koneckonců, speciální, nikde v přírodě se neopakující struktura krystalů umožňuje jejich použití všude: od šperků po nejnovější vědecké a technické vynálezy.
Studium krystalických minerálů
Struktura a vlastnosti krystalů jsou tak mnohostranné, že se studiem a studiem těchto jevů zabývá samostatná věda, mineralogie. Slavný ruský akademik Alexander Evgenievich Fersman byl natolik pohlcen a překvapen rozmanitostí a nekonečností světa krystalů, že se snažil tímto tématem uchvátit co nejvíce myslí. Ve své knize Entertaining Mineralogy nadšeně a vřele vybízel, aby se seznámil s tajemstvím minerálů a ponořil se do světa drahokamů:
Opravdu tě chciupoutat. Chci, abyste se začali zajímat o hory a lomy, doly a doly, abyste začali sbírat sbírky nerostů, abyste s námi chtěli jít z města dál, k toku řeky, kde je jsou vysoké skalnaté břehy, na vrcholky hor nebo na skalnaté pobřeží, kde se láme kámen, těží písek nebo exploduje ruda. Tam všude, kdekoli ty i já, najdeme něco, co můžeme dělat: a v mrtvých skalách, píscích a kamenech se naučíme číst některé velké přírodní zákony, které řídí celý svět a podle kterých je celý svět postaven.
Fyzika studuje krystaly a tvrdí, že každé opravdu pevné těleso je krystal. Chemie zkoumá molekulární strukturu krystalů a dochází k závěru, že jakýkoli kov má krystalickou strukturu.
Studium úžasných vlastností krystalů má velký význam pro rozvoj moderní vědy, techniky, stavebnictví a mnoha dalších odvětví.
Základní zákony krystalů
První, čeho si lidé všimnou při pohledu na krystal, je jeho ideální mnohostranný tvar, ale není to hlavní rys minerálu nebo kovu.
Když je krystal rozbit na malé fragmenty, nezůstane nic z ideální formy, ale jakýkoli fragment, jako předtím, zůstane krystalem. Charakteristickým rysem krystalu není jeho vzhled, ale charakteristické rysy jeho vnitřní struktury.
Symetrický
První věc, kterou si musíte zapamatovat a poznamenat při studiu krystalů, je fenoménsymetrie. Je rozšířený v každodenním životě. Motýlí křídla jsou symetrická, otisk skvrny na papíru přeloženém napůl. Symetrické krystaly sněhu. Šestihranná sněhová vločka má šest rovin symetrie. Ohnutím obrázku podél libovolné čáry znázorňující rovinu symetrie sněhové vločky můžete spojit její dvě poloviny.
Osa symetrie má takovou vlastnost, že otočením obrazce o nějaký známý úhel kolem ní je možné vzájemně kombinovat vhodné části obrazce. Podle velikosti vhodného úhlu, o který je potřeba postavu otočit, jsou v krystalech určeny osy 2., 3., 4. a 6. řádu. Ve sněhových vločkách tedy existuje jediná osa symetrie šestého řádu, která je kolmá k rovině kresby.
Střed symetrie je takový bod v rovině obrázku, ve stejné vzdálenosti, od kterého jsou v opačném směru stejné konstrukční prvky obrázku.
Co je uvnitř?
Vnitřní struktura krystalů je druhem kombinace molekul a atomů v pořadí, které je vlastní pouze krystalům. Jak znají vnitřní strukturu částic, když nejsou viditelné ani mikroskopem?
Slouží k tomu rentgenové záření. Německý fyzik M. Laue, angličtí fyzici otec a syn Braggovi a ruský profesor Yu. Wolf pomocí nich na průsvitné krystaly stanovili zákony, podle kterých se studuje struktura a struktura krystalů.
Všechno bylo překvapivé a neočekávané. Samokoncept struktury molekuly se ukázal jako nepoužitelný na krystalický stav hmoty.
Například taková známá látka jako kuchyňská sůl má chemické složení molekuly NaCl. Ale v krystalu se jednotlivé atomy chloru a sodíku nesčítají do samostatných molekul, ale tvoří určitou konfiguraci nazývanou prostorová nebo krystalová mřížka. Nejmenší částice chlóru a sodíku jsou elektricky vázány. Krystalová mřížka soli se vytvoří následovně. Jeden z valenčních elektronů vnějšího obalu atomu sodíku je zaveden do vnějšího obalu atomu chloru, který není zcela naplněn kvůli absenci osmého elektronu ve třetím obalu chloru. V krystalu tedy každý iont sodíku i chloru nepatří do jedné molekuly, ale do celého krystalu. Vzhledem k tomu, že atom chloru je monovalentní, může na sebe vázat pouze jeden elektron. Ale strukturní rysy krystalů vedou k tomu, že atom chloru je obklopen šesti atomy sodíku a není možné určit, který z nich bude sdílet elektron s chlorem.
Ukazuje se, že chemická molekula kuchyňské soli a její krystal nejsou vůbec totéž. Celý monokrystal je jako jedna obrovská molekula.
Mřížka – pouze model
Této chybě je třeba se vyvarovat, když je prostorová mřížka brána jako skutečný model krystalové struktury. Mřížka - jakýsi podmíněný obraz příkladu spojení elementárních částic ve struktuře krystalů. Spojovací body mřížky ve formě kuličekvizuálně vám umožňují zobrazit atomy a čáry, které je spojují, jsou přibližným obrazem vazebných sil mezi nimi.
Ve skutečnosti jsou mezery mezi atomy uvnitř krystalu mnohem menší. Je to hustá shluk částic, z nichž se skládá. Kulička je konvenční označení atomu, jehož použití umožňuje úspěšně odrážet vlastnosti těsného balení. Ve skutečnosti nedochází k prostému kontaktu atomů, ale k jejich vzájemnému částečnému vzájemnému překrývání. Jinými slovy, obraz koule ve struktuře krystalové mřížky je pro názornost znázorněná koule o takovém poloměru, která obsahuje hlavní část elektronů atomu.
Slib síly
Mezi dvěma opačně nabitými ionty působí elektrická přitažlivá síla. Jedná se o pojivo ve struktuře iontových krystalů jako je kuchyňská sůl. Pokud ale ionty přiblížíte velmi blízko, pak se jejich elektronové dráhy vzájemně překrývají a objeví se odpudivé síly podobně nabitých částic. Uvnitř krystalu je rozložení iontů takové, že odpudivé a přitažlivé síly jsou v rovnováze a poskytují krystalickou sílu. Tato struktura je typická pro iontové krystaly.
A v krystalových mřížkách diamantu a grafitu dochází ke spojení atomů pomocí společných (kolektivních) elektronů. Blízko rozmístěné atomy mají společné elektrony, které se točí kolem jádra jednoho i sousedního atomu.
Podrobné studium teorie sil s takovými vazbami je poměrně obtížné a leží v oblasti kvantové mechaniky.
Kovové rozdíly
Struktura kovových krystalů je složitější. Vzhledem k tomu, že atomy kovu snadno darují dostupné vnější elektrony, mohou se volně pohybovat po celém objemu krystalu a vytvářet v něm tzv. elektronový plyn. Díky takovým „bloudivým“elektronům vznikají síly, které zajišťují pevnost kovového ingotu. Studium struktury krystalů skutečného kovu ukazuje, že v závislosti na způsobu chlazení kovového ingotu může obsahovat nedokonalosti: povrchové, bodové a lineární. Velikost takových defektů nepřesahuje průměr několika atomů, ale deformují krystalovou mřížku a ovlivňují difúzní procesy v kovech.
Růst krystalů
Pro pohodlnější pochopení lze růst krystalické látky znázornit jako stavbu cihlové konstrukce. Pokud je jedna cihla nedokončeného zdiva prezentována jako integrální součást krystalu, pak je možné určit, kde krystal vyroste. Energetické vlastnosti krystalu jsou takové, že cihla umístěná na první cihle zažije přitažlivost z jedné strany – zespodu. Při pokládání na druhou - ze dvou stran a na třetí - ze tří. Při procesu krystalizace – přechodu z kapalného do pevného skupenství – se uvolňuje energie (skupenské teplo tání). Pro co největší pevnost systému by jeho možná energie měla směřovat k minimu. K růstu krystalů tedy dochází vrstvu po vrstvě. Nejprve bude dokončena řada letadla, poté celé letadlo a teprve poté se začne stavět další.
Vědakrystaly
Základní zákon krystalografie – věda o krystalech – říká, že všechny úhly mezi různými rovinami krystalových ploch jsou vždy konstantní a stejné. Bez ohledu na to, jak je rostoucí krystal zdeformovaný, úhly mezi jeho plochami si zachovávají stejnou hodnotu, která je tomuto typu vlastní. Bez ohledu na velikost, tvar a počet se plochy stejné krystalové roviny vždy protínají ve stejném předem určeném úhlu. Zákon stálosti úhlů objevil M. V. Lomonosov v roce 1669 a hrál hlavní roli ve studiu struktury krystalů.
Anisotropie
Zvláštnost procesu tvorby krystalů je dána fenoménem anizotropie – různými fyzikálními charakteristikami v závislosti na směru růstu. Monokrystaly vedou elektřinu, teplo a světlo různě v různých směrech a mají nestejnou sílu.
Stejný chemický prvek se stejnými atomy tedy může tvořit různé krystalové mřížky. Například uhlík může krystalizovat na diamant a na grafit. Diamant je přitom příkladem maximální pevnosti mezi minerály a grafit snadno opouští šupiny při psaní tužkou na papír.
Měření úhlů mezi plochami minerálů má velký praktický význam pro určení jejich povahy.
Základní funkce
Když jsme se naučili strukturní rysy krystalů, můžeme stručně popsat jejich hlavní vlastnosti:
- Anisotropie – nerovnoměrné vlastnosti v různých směrech.
- Uniformita - elementárnísložky krystalů, rovnoměrně rozmístěné, mají stejné vlastnosti.
- Schopnost samořezání - jakýkoli fragment krystalu v médiu vhodném pro jeho růst nabude mnohostranného tvaru a bude pokryt plochami odpovídajícími tomuto typu krystalů. Právě tato vlastnost umožňuje krystalu zachovat si symetrii.
- Neměnnost bodu tání. K destrukci prostorové mřížky minerálu, tedy přechodu krystalické látky z pevného do kapalného skupenství, dochází vždy při stejné teplotě.
Krystaly jsou pevné látky, které mají přirozený tvar symetrického mnohostěnu. Struktura krystalů, charakterizovaná tvorbou prostorové mřížky, sloužila jako základ pro vývoj ve fyzice teorie elektronové struktury pevné látky. Studium vlastností a struktury minerálů má velký praktický význam.
