Кристаллы растут


Как образуются кристаллы?

Когда испаряется («высыхает») соленая вода в кастрюле или сладкий чай в стакане, на стенках кастрюли или па дне стакана остается белый налет. В лупу можно разглядеть в нем мелкие блестящие кристаллики соли или сахара.

Если медленно испарять раствор квасцов или медного купороса, то через несколько дней из раствора вырастут довольно большие кристаллы.

Нетрудно сделать опыт выращивания кристаллов из расплава. Насыпьте в стеклянную колбу белого порошка водного гипосульфита натрия (фиксажа), который можно купить в магазине фотографических принадлежностей. Осторожно нагрейте колбу. Гипосульфит расплавится и превратится в жидкость. Заткните колбу ватой и быстро остудите ее под струей холодной воды. Если не трясти колбу, гипосульфит будет остывать, не кристаллизуясь. Когда он совсем остынет, бросьте в колбу крупинку твердого гипосульфита. Эта крупинка начнет быстро расти, от нее вытянутся иголки, лучи, лепестки; такие же иглы, пластинки, звезды, многогранники возникнут и в других местах колбы. Они будут быстро расти во все стороны, сталкиваться друг с другом, и через несколько минут вся жидкость затвердеет. Эти звездочки и многогранники — кристаллы гипосульфита, выросшие из расплава.

Узорная шестилучевая звездочка снежинки поражает своей симметрией.
Узорная шестилучевая звездочка снежинки поражает своей симметрией.

Кристаллы могут образоваться и из пара. В морозном воздухе пар, который выдыхает человек, оседает белыми хлопьями. Они представляют собой скопления мелких кристаллов снега или льда, образовавшихся и выросших на морозе из водяного пара. Иней — это тоже закристаллизовавшиеся пары воды. Облака, которые мы видим на небе, — это скопление водяных капель или кристалликов снега; а снежные кристаллики вырастают либо из этих капель, либо из водяных паров, содержащихся в атмосфере.

Обледенение самолетов в арктических полетах — это тоже процесс роста кристаллов. В холодных верхних слоях атмосферы водяные пары могут долго сохраняться, не кристаллизуясь, но лишь только в эти пары врежется летящий самолет, как сейчас же начнется быстрый рост ледяных кристаллов, и в несколько минут самолет окажется облепленным грудой кристаллов льда.

Скорость роста кристалла по разным направлениям различна, так же как различны все другие свойства кристалла. В этом легко убедиться на опыте. Если обломать у кристалла все углы, обточить грани или выточить из кристалла шарик и поместить его в остывающий раствор или расплав того же вещества, кристалл начнет расти. Если бы скорость роста кристалла не зависела от направления, то шарик, вырастая, увеличивал бы свой объем, не изменяя формы. Он по-прежнему оставался бы шариком. Но опыт показывает, что это не так. На растущем кристаллическом шарике появляются крохотные плоские пятнышки — ровные площадки граней; в одних направлениях кристалл растет, в других он может растворяться. Постепенно увеличиваясь, расширяясь, грани встречаются друг с другом, и в конце концов весь шар превратится в многогранник; при этом разные грани растут с разной скоростью, почему и возникают различные формы кристаллов.

Таким образом, кристалл, лишенный своей многогранной формы, не теряет способности самоограняться. Многогранная форма кристалла зависит от того, что кристалл растет неравномерно, с различной скоростью по разным направлениям.

Итак, кристаллы растут. И замечательно, что они всегда растут в виде правильных симметричных многогранников, если только им ничто не мешает при росте. Как же растут кристаллы в природе?

В глубинах нашей планеты находится магма, т. е. сложный раствор-расплав множества различных веществ, дающий при остывании разные минералы с различным кристаллическим строением.

Почему же из однородной магмы получаются разные минералы? Каждое химическое вещество затвердевает или плавится при определенной температуре. Например, если вы будете нагревать кристалл льда, то до 0° кристалл остается неизменным. Но как только температура достигает 0°, кристалл  вдруг намнет плавиться, причем, сколько бы мы ни грели дальше, температура льда не будет повышаться, пока весь кристалл не расплавится. Лишь когда весь кристалл превратится в воду, температура воды начнет повышаться. Если же мы будем охлаждать воду, то точно при 0° жидкость закристаллизуется, и ее температура будет неизменной, пока вся вода не превратится н лед, после чего температура снова начнет падать.

Также и любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре, характерной для него, например для кварца 1713° и т. д.

У некристаллических тел нет постоянной температуры плавления (а следовательно, и температуры кристаллизации), при нагревании они размягчаются постепенно. В стекле уже и до нагревания все атомы расположены беспорядочно. При охлаждении расплавленное стекло становится все более вязким и застывает постепенно.

Кристалл кварца в Минералогическом музее Академии наук СССР.
Кристалл кварца в Минералогическом музее Академии наук СССР.

Кристаллическое же вещество затвердевает сразу при определенной температуре кристаллизации.

Когда в глубинах земли магма постепенно застывает, химические вещества, составляющие ее, затвердевают не все сразу, а поочередно, потому что температура кристаллизации их различна. Поэтому магма распадается на разнородные, почти всегда состоящие из кристаллов минералы.

Мы говорили, что кристаллы всегда растут в виде правильных многогранников, если только им ничто не мешает при росте. Но ведь если много кристаллов растет вместе, то, увеличиваясь, они начинают сталкиваться, теснить друг друга. Если кристалл столкнулся с соседним кристаллом, дальше в эту сторону он уже расти не может, а в другие стороны он еще будет расти, пока ему опять не встретится помеха. В результате кристалл вырастает в одни стороны больше, чем в другие: получаются неправильные многогранники, бесформенные зерна. Вот почему в горных породах или в твердых металлах кристаллические «зерна» обычно имеют неправильные очертания. Отдельные кристаллики хорошо видны в микроскоп и даже простым глазом, но правильных многогранников среди них очень мало, а чаще и совсем нет.

Но почему же мы все-таки говорим, что характерным свойством кристаллов является их многогранная форма?

Потому, что если бы это же самое кристаллическое зерно росло не в тесноте, а так, чтобы ему ничто не мешало, то оно приняло бы форму правильного многогранника. Неправильная форма — это вынужденная форма кристалла. Кристаллу не удалось вырасти многогранным потому, что соседние кристаллы мешали ему расти свободно.

Кристаллы, растущие в больших пустотах и трещинах в земле, не теснят друг друга: именно там образуются великолепные громадные Многогранники горного хрусталя, берилла, полевых шпатов и других минералов. В таких «хрустальных погребах» Северного Урала найдены, например, кристаллы горного хрусталя идеально правильной формы весом до 500 кГ. А летом 1945 г. на Волыни был найден кристалл кварца весом около 10 Т. Его длина 2,7 м, ширина 1,5 м.

В музее Горного института в Ленинграде хранится кристалл горного хрусталя высотой почти в метр; он долгое время служил тумбой у ворот одного из домов г. Свердловска. На Алтае был найден кристалл берилла длиной в 1,3 ж.

Озера и моря — это природные лаборатории, в которых происходит рост кристаллов из растворов. Южный Урал, Донбасс, Западная Сибирь, Закавказье, Средняя Азия изобилуют соляными озерами, в воде которых растворено множество солей. Летом, когда под лучами палящего солнца вода озер быстро испаряется, из раствора начинают выделяться кристаллы соли, совсем так же, как оседает соляная накипь на дне и стенках кастрюли.

Эти кристаллы плавают на поверхности озера, отлагаются на берегах, оседают на дне. Так путем кристаллизации из раствора возникают месторождения солей.