Строение и свойства кристаллов


Что же такое кристаллы? Как отличить кристаллы от некристаллических твердых тел? Может быть, по многогранной форме? Но у кристаллических зерен в металле или в горной породе форма неправильная; а с другой стороны, стекло, например, тоже может быть многогранным — кто не видел граненых стеклянных бус? Однако мы говорим, что стекло — некристаллическое вещество. Почему?

Прежде всего потому, что кристаллы сами, без помощи человека, принимают свою многогранную форму, а стекло должно быть огранено рукой человека.

Все вещества в мире построены из мельчайших, не видимых глазом, непрерывно движущихся частиц — из ионов, атомов, молекул.

РАЗЛИЧНЫЕ ФОРМЫ КРИСТАЛЛОВ 1 — висмут (скелетный рост); 2 — гидроборацит; 3 — дендриты меди; 4 — кристаллы льда на стекле; 5 — гематит; 6 — турмалин; 7—серебро; 8 — арагонит; 9 — аметисты.
РАЗЛИЧНЫЕ ФОРМЫ КРИСТАЛЛОВ: 1 — висмут (скелетный рост); 2 — гидроборацит; 3 — дендриты меди; 4 — кристаллы льда на стекле; 5 — гематит; 6 — турмалин; 7—серебро; 8 — арагонит; 9 — аметисты.

Основное же различие между кристаллами и стеклами заключается в их внутреннем строении, в том, как расположены в них мельчайшие частички вещества — молекулы, атомы и ионы. В газообразных телах, жидкостях и некристаллических твердых телах, например в стекле, мельчайшие частицы вещества расположены совершенно беспорядочно. А в твердых кристаллических телах частицы расположены как бы правильным строем. Они напоминают группу физкультурников в строю, с той, однако, разницей, что правильные ряды частиц тянутся не только вправо и влево, вперед и назад, но и вверх и вниз. Кроме того, частицы не стоят неподвижно, а непрерывно колеблются, удерживаясь на своих местах электрическими силами. Расстояния между частицами внутри кристаллов малы так же, как малы и сами атомы: на отрезке длиной в 1 см можно расположить примерно 100 млн. атомов. Это очень большое число: представьте себе, что 100 млн. человек выстроены в шеренгу плечом к плечу. Такая шеренга могла бы опоясать Землю по экватору.

Кристаллические решетки графита (слева) и алмаза (справа).
Кристаллические решетки графита (слева) и алмаза (справа).

Правильный строй частиц в каждом веществе различен, поэтому так многообразны формы кристаллов. Но у всех кристаллов атомы или молекулы обязательно расположены в строгом порядке, а у некристаллических тел такого порядка нет. Поэтому мы и говорим: кристаллы — это твердые тела, в которых составляющие их частицы расположены правильным строем.

Законы построения всех кристаллов теоретически вывели великий русский кристаллограф Евграф Степанович Федоров (1853-1919) и немецкий кристаллограф Артур Шёнфлис. Замечательно, что Федоров сделал это за 20 лет до того, как в 1912 г. на опыте с помощью рентгеновских лучей было доказано, что действительно атомы в кристаллах располагаются правильным строем и что законы их расположения именно таковы, как было гениально предугадано русским ученым.

Правильное периодическое расположение атомов (или других частиц) в кристалле называется кристаллической решеткой.

Каждый кристалл имеет свою характерную многогранную форму, которая зависит от строения его решетки. Например, кристаллы поваренной соли имеют обычно форму куба, другие вещества кристаллизуются в форме различных пирамид, призм, восьмигранников (октаэдров) и других многогранников.

Но в природе такие правильные формы кристаллов встречаются редко, об этом вы прочтете дальше.

Некристаллические вещества не имеют собственной формы, потому что составляющие их частицы расположены хаотично, беспорядочно, как говорилось ранее.

Правильное расположение частиц определяет и свойства кристалла. Не поразительно ли, например, что два столь различных минерала, как невзрачный черный графит и сверкающий прозрачный алмаз, построены из одних и тех же атомов углерода! Алмаз и графит — это кристаллы углерода. Если кристаллические решетки из атомов углерода построены по одному образцу, то они образуют прозрачные кристаллы алмаза, самого твердого из всех веществ на Земле и самого дорогого из драгоценных камней. Но если те же атомы углерода располагаются по-другому, то получаются мелкие, черные, непрозрачные кристаллы графита — одного из самых мягких минералов. Алмаз почти вдвое тяжелее графита. Графит проводит электричество, а алмаз не проводит. Кристаллы алмаза хрупки, кристаллы графита гибки. Алмаз легко сгорает в струе кислорода, а из графита даже делается огнеупорная посуда — настолько он противостоит огню. Два совершенно различных вещества, а построены из одних и тех же атомов, и разница между ними лишь в их различной структуре.

Кристалл алмаза, найденный в Якутии (увеличено в 22 раза).
Кристалл алмаза, найденный в Якутии (увеличено в 22 раза).

Мы уже сказали, что внутренним строением кристаллов определяются и удивительные свойства кристаллов. Например, решетка графита состоит как бы из слоев, причем расстояния между этими слоями гораздо больше, чем расстояния между отдельными атомами внутри каждого слоя.

Такие слои сравнительно легко сдвигаются, скользят один вдоль другого. Именно этим свойством графита мы пользуемся, когда пишем графитовым карандашом: слои кристаллов графита сдвигаются, и чешуйки графита пристают к бумаге. Только, конечно, каждая такая чешуйка представляет собой не один, а очень много слоев. Ведь расстояние между слоями атомов измеряется стомиллионными долями сантиметра, а приставшие к бумаге чешуйки графита видны простым глазом.

Строение алмаза совсем иное, чем у графита; здесь нет легко сдвигающихся слоев, и алмаз оказывается гораздо прочнее графита.

Каждый знает кристаллы слюды; если вы не видели отдельных кристаллов слюды, то уж наверное встречали блестки слюды в граните или хотя бы слюдяные пластинки в окошках керосинок. Слюду легко расщепить лезвием ножа или просто пальцами: листочки слюды отделяются друг от друга почти без труда. Но попробуйте разделить, разрезать или разбить слюду поперек плоскости пластинки — это очень трудно: слюда, непрочная вдоль плоскости листка, в поперечном направлении оказывается намного прочнее. Прочность кристаллов слюды в разных направлениях различна.

Это свойство опять-таки характерно для кристаллов. Мы знаем, что стекло, например, легко разбивается как угодно, во всех направлениях, на неправильные осколки. А вот кристалл каменной соли, как бы мелко ни разбивать его, всегда останется кубом, т. е. он все время легко раскалывается только по взаимно-перпендикулярным, совершенно плоским граням.

Кристалл раскалывается по тем направлениям, где прочность меньше всего. Не у каждого кристалла это выявляется так ясно, как у слюды или каменной соли — например, кварц не раскалывается по ровным плоскостям,— но у всех кристаллов прочность в разных направлениях различна. У каменной соли, например, в одном направлении прочность в восемь раз больше, чем в другом, а у кристаллов цинка — в десять раз. По этому признаку можно отличить кристаллы от некристаллов: в некристаллических телах прочность одинакова по всем направлениям, поэтому они никогда не раскалываются по ровным плоскостям.

Кристалл исландского шпата
Кристалл исландского шпата

Если нагревать какое-нибудь тело, то оно начнет расширяться. И тут легко увидеть разницу между веществами кристаллическими и некристаллическими: стекло будет расширяться по всем направлениям одинаково, а кристалл — по разным направлениям различно. Кристалл кварца, например, расширяется в продольном направлении вдвое больше, чем в поперечном. Твердость, теплопроводность, электрические и другие свойства кристаллов также различны по разным направлениям.

Особый интерес представляют оптические свойства кристаллов. Рассматриваемые сквозь кристаллы исландского шпата предметы кажутся удвоенными. В кристалле исландского шпата (и во многих других кристаллах) луч света раздваивается. И это свойство тоже различно по разным направлениям: если поворачивать кристалл, то буквы будут раздваиваться то больше, то меньше.

По своей форме кристаллы разных веществ сильно отличаются друг от друга. Для кристаллов каменной соли, как вы уже знаете, типична форма кубов, для берилла — призма с пирамидами, для алмаза — восьмигранники с треугольными гранями, так называемые октаэдры. У каждого вещества есть своя характерная форма кристаллов.

Формы кристаллических многогранников поражают взгляд своей строгой симметрией. Симметричными мы называем тела, которые состоят из одинаковых, соразмерных частей. Симметрична, например, бабочка: у нее одинаковы правая и левая части туловища; если бабочка сложит крылья, они совместятся.

В кристаллах симметричны ограничивающие их плоскости-грани, ребра и углы, составляющие вершины кристаллических многогранников.

Симметрия кристаллов — важное и характерное их свойство. По форме кристаллов и по их симметрии определяют кристаллическое вещество.