Що таке кристал?

Впорядкована внутрішня структура великих кристалів, таких як флюорит і кварц, показані тут, відображається в їхніх геометричних формах.

Маттео Чінеллато/Getty Images

• Хімія
  • основи
  • Хімічні закони
  • Молекули
  • Періодична таблиця
  • Проекти та експерименти
  • Науковий метод
  • Біохімія
  • Фізична хімія
  • Медична хімія
  • Хімія в повсякденному житті
  • Відомі хіміки
  • Діяльність для дітей
  • Скорочення та акроніми

  Кристал складається з речовини , утвореної з упорядкованого розташування атомів, молекул або іонів. Решітка, яка утворюється, розширюється в трьох вимірах.

  Оскільки існують повторювані одиниці, кристали мають впізнавані структури. Великі кристали мають плоскі області (грані) і чітко визначені кути.

  Кристали з очевидними плоскими гранями називаються еуедричними кристалами, тоді як ті, у яких відсутні чіткі грані, називаються безедричними кристалами. Кристали, що складаються з упорядкованих масивів атомів, які не завжди є періодичними, називаються квазікристалами.

  Слово «кришталь» походить від давньогрецького слова krustallos , що одночасно означає «гірський кришталь» і «лід». Наукове вивчення кристалів називається кристалографією.

  Приклади

  Прикладами повсякденних матеріалів, які ви зустрічаєте у вигляді кристалів, є кухонна сіль (кристали хлориду натрію або галіту ), цукор (сахароза) і сніжинки . Багато дорогоцінних каменів є кристалами, включаючи кварц і алмаз.

  Є також багато матеріалів, які нагадують кристали, але насправді є полікристалами. Полікристали утворюються, коли мікроскопічні кристали зливаються разом, утворюючи тверду речовину. Ці матеріали не складаються з упорядкованих решіток.

  Прикладами полікристалів є лід, багато металевих зразків і кераміка. Ще меншу структуру мають аморфні тверді тіла, які мають невпорядковану внутрішню будову. Прикладом аморфної твердої речовини є скло, яке може нагадувати кристал, якщо його огранити, але ним не є.

  Хімічні зв’язки

  Типи хімічних зв’язків, що утворюються між атомами або групами атомів у кристалах, залежать від їх розміру та електронегативності. Існує чотири категорії кристалів, згрупованих за їх зв’язком:

  1. Ковалентні кристали: Атоми в ковалентних кристалах з’єднані ковалентними зв’язками. Чисті неметали утворюють ковалентні кристали (наприклад, алмаз), як і ковалентні сполуки (наприклад, сульфід цинку).
  2. Молекулярні кристали: цілі молекули організовано зв’язані одна з одною. Хорошим прикладом є кристал цукру, який містить молекули сахарози.
  3. Металеві кристали: метали часто утворюють металеві кристали, де деякі з валентних електронів вільно рухаються по решітці. Залізо, наприклад, може утворювати різні металеві кристали.
  4. Іонні кристали: Електростатичні сили утворюють іонні зв’язки. Класичним прикладом є кристал галіту або солі.

  Кристалічні решітки

  Існує сім систем кристалічних структур, які також називають решітками або просторовими решітками:

  1. Кубічна або ізометрична: ця форма включає октаедри та додекаедри, а також куби.
  2. Тетрагональний: ці кристали утворюють призми та подвійні піраміди. Структура схожа на кубічний кристал, за винятком того, що одна вісь довша за іншу.
  3. Ромбічні: це ромбічні призми та дипіраміди, які нагадують чотирикутники, але без квадратного перерізу.
  4. Шестикутні: шестигранні призми з шестикутним перерізом.
  5. Тригональний: Ці кристали мають потрійну вісь.
  6. Триклінні: Триклінні кристали, як правило, не симетричні.
  7. Моноклінний: ці кристали нагадують перекошені тетрагональні форми.

  Решітки можуть мати одну точку решітки на комірку або більше однієї, даючи загалом 14 типів кристалічної решітки Браве. Решітки Браве, названі на честь фізика та кристалографа Огюста Браве, описують тривимірний масив, утворений набором дискретних точок.

  Речовина може утворювати більше однієї кристалічної решітки. Наприклад, вода може утворювати гексагональний лід (наприклад, сніжинки), кубічний лід і ромбоедричний лід. Він також може утворювати аморфний лід.

  Вуглець може утворювати алмаз (кубічна решітка) і графіт (гексагональна решітка.)

  Як утворюються кристали

  Процес утворення кристала називається кристалізацією . Кристалізація зазвичай відбувається, коли твердий кристал виростає з рідини або розчину.

  Коли гарячий розчин охолоджується або насичений розчин випаровується, частинки наближаються досить близько для утворення хімічних зв’язків. Кристали також можуть утворюватися в результаті осадження безпосередньо з газової фази. Рідкі кристали містять частинки, орієнтовані в організований спосіб, як і тверді кристали, але здатні текти.

  Фізичні механізми утворення кристалів

  В даний час відомі тисячі кристалічних речовин, це і порівняно прості метали і їх сплави і кристали зі складною структурою, унікальні властивості яких обумовлені особливим розташуванням великого числа атомів. Тим часом складаються всі ці кристали всього з декількох десятків сортів атомів, але по-різному розташованих відносно один одного. Відомо, що електромагнітне взаємодія між атомами змушує атоми об’єднуватися і формувати різні типи кристалічної решітки. У цьому процесі головну роль грає електростатична енергія взаємодії зарядів, а в деяких випадках і енергія магнітної взаємодії, хоча внесок її багато менше. Як перераховані взаємодії, так і атомні оболонки володіють певною “симметричностью” і тому атоми об’єднуються як правило у вельми симетричні структури, головні з яких були розглянуті в попередньому розділі. З цієї ж причини різні, але близькі за характеристиками атоми, формують кристалічні решітки, в яких атоми розташовані ідентично. Знання цих загальних закономірностей побудови кристалів дозволяє часто передбачати нові структури і матеріали або покращувати фізичні властивості вже існуючих матеріалів.
  В даний час за характером зв’язку атомів виділяють 5 типів кристалів: 1) іонні кристали 2) ковалентні кристали, 3) металеві кристали, 4) молекулярні кристали з водневими зв’язками, 5) Ван-дер-ваальсових кристали. Всі ці типи, крім останнього відіграють дуже велику роль в природі і в сучасній техніці. Ділення це досить умовно, існують кристали які можна вважати перехідними між цими типами, зустрічаються кристали в яких частина зв’язків ковалентний, а частина – воднева. Зупинимося на них докладніше.
  Іонні кристали. Іонні кристали формуються під впливом електростатичного притягання разноименно заряджених і відштовхування однойменно заряджених іонів. Типовим прикладом можуть служити речовини і, розглянуті в розд. 1.1. Кожен позитивно заряджений іон () прагне оточити себе негативно зарядженими іонами (), а негативні іони оточують себе позитивними іонами. Іони можуть зближуватися до тих пір поки не почнеться перекриття їх електронних хмар, в цьому випадку з’являються сили відштовхування, що мають квантову природу. В результаті дуже часто формуються структури, зображені на рис. 1 і 8. У кристалах кожен іон оточений вісьмома іонами протилежного знака, розташованими симетрично і на відстані від нього; далі на відстані розташовуються 6 іонів того ж знака, що і розглянутий, і так далі. У кристалах у кожного іона – шість найближчих сусідів – іонів протилежного знака на відстані, далі на відстані розташовуються 12 іонів того ж знака і так далі. Помітна тенденція, що ближче до вибраного іону виявляються іони протилежного знака. Таке розташування дає виграш в електростатичної енергії в порівнянні з іонами, віддаленими одне від одного.

  Далі вибирають один з іонів і підсумовують енергії парної взаємодії обраного іона і найближчих сусідів, більш віддалених сусідів і так далі. При розрахунку вважають кристал дуже великим і нехтують поверхневими ефектами. Обчислена сума дасть енергію зв’язку обраного іона в кристалі. Далі, можна знайти мінімум цієї енергії як функції параметра решітки та передбачити рівноважне значення як точку мінімуму енергії. Також можна обчислити другу похідну обчисленої енергії по і передбачити величину пов’язаного з нею об’ємного модуля пружності.
  Розрахунки виконані за такою схемою, детально викладені в [1], при правильному виборі параметра дають досить точні значення енергії зв’язку, параметра решітки та модуля.
  Іонні кристали як правило мають порівняно прості, сильно упаковані і високосімметрічние, наприклад кубічні, кристалічні решітки. Ці кристали як правило крихкі.
  Ковалентні кристали. Ковалентні кристали утворюються за рахунок ковалентних зв’язків між атомами. Ковалентний зв’язок утворюється за рахунок перекриття електронних хмар, в результаті між атомами утворюється згусток негативного заряду, який стягує два атома. Атом в залежності від його валентності може мати кілька таких зв’язків, розташованих під певними кутами один до одного. Атоми в ковалентном кристалі з’єднуються за рахунок ковалентних зв’язків, причому кути між зв’язками і їх “довжини” можуть злегка відрізнятися для кристалів з різною структурою.
  Типовим нековалентним кристалом можна вважати алмаз, кристалічна решітка якого зображена на рис. 9. Можна показати (див. Задачу 1.2), що в такій решітці кожен атом оточений чотирма сусідами, розташованими симетрично по кутах тетраедра щодо нього. Саме так часто розташовуються ковалентні зв’язки атома вуглецю.
  Розрахунки енергії зв’язку у разі ковалентних кристалів досить складні і ми їх не розглядаємо.
  Кристалічні решітки ковалентних кристалів і їх базиси можуть бути досить складними і малосімметрічнимі, оскільки формування кристала обумовлено ковалентними зв’язками з усілякою орієнтацією між атомами або частинами молекул. При розгляді ковалентних кристалів часто користуються поняттями “ковалентний радіус атома”, “довжина ковалентного зв’язку” між атомами певного сорту, кути між зв’язками, оскільки ці величини порівняно мало змінюються у випадках різного оточення цих атомів в кристалі.
  Між розглянутими типами ковалентних і іонних кристалів є багато проміжних типів кристалів, зв’язок в яких як правило ковалентний полярна. У такій зв’язку згусток електронної щільності ковалентного зв’язку зміщений до одного з іонів, через що з’являється додаткова кулоновская енергія взаємодії злегка заряджених атомів. Іонна зв’язок як правило з’являється між атомами з майже заповненими електронними оболонками (лужні метали, елементи першої та сьомої, рідше другої та шостої груп таблиці Менделєєва). Елементи третьої – п’ятої груп як правило утворюють ковалентні зв’язки. У деяких випадках вдається експериментально (розглянутими в наступному розділі дифракційними методами) визначити середнє число електронів у атомів у кристалічній решітці і тим самим зробити висновок про заряд атомів і про характер зв’язку в кристалі.
  Металеві кристали. У металевих кристалах зовнішні електрони атомів можуть вільно переміщатися між іонними остовами. Ці електрони утворюють як би негативно заряджене хмара, в якому знаходяться іони металу. Взаємодія цих іонів один з одним і з електронним хмарою веде до впорядкованого розташування іонів в металі. У разі перехідних металів відбувається також і перекриття їх електронних-оболонок та освіту подоби ковалентних зв’язків, що веде до додаткового збільшення енергії зв’язку в металі. Розрахунки енергії зв’язку в металах досить складні і в даній книзі не розглядаються. Як правило метали утворюють одну з щільноупакованих кристалічних решіток (ГПУ, ГЦК) або ОЦК.
  Молекулярні кристали з водневими зв’язками. У молекулярних кристалах з водневими зв’язками воднева зв’язок утворюється між негативно зарядженими атомами, вже беруть участь в полярній ковалентного зв’язку з іншими атомами, коли між ними виявляється іон водню. Один з перерахованих атомів забирає собі електрон водню, перетворюючи його в граничному випадку в протон, якому іноді енергетично вигідніше опинитися між двома негативно зарядженими іонами, ніж бути пов’язаним тільки з одним з перерахованих атомів (див. Рис. 11). При цьому за рахунок кулонівського тяжіння негативних іонів до іона водню утворюється порівняно нетривка зв’язок з енергією близько 0,1 еВ. Трохи іона водню дозволяє останньому пов’язати тільки два атома.

  Моно- і полікристалічні речовини. Використовувані в техніці матеріали і деталі з них порівняно рідко складаються з однієї кристалічної решітки. Такі речовини називають монокристалічними речовинами (або монокристалами), тобто складаються з одного суцільного кристала.
  Найбільш часто використовувані матеріали, звані полікристалічними складаються з дуже великого числа зрощених один з одним монокристалічних зерен. Така структура матеріалу пов’язана з тим, що кристалізація речовин як правило починається і проходить одночасно з великої кількості центрів кристалізації. Якщо прийняти спеціальні заходи [1], то можливе отримання монокристалів або з розчину, або з розплаву речовини.
  Використання монокристалічних речовин і деталей з них в окремих випадках є принципово необхідним, наприклад для виготовлення поляризаторів оптичного випромінювання або монохроматоров рентгенівського випромінювання. У ряді випадків використання монокристалічних речовин значно покращує характеристики зробленої з нього деталі. Приклади такого використання розглянуті в наступних розділах.