Кристаллы знакомые и загадочные

Муниципальное общеобразовательное учреждение лицей № 6

Ворошиловского района

Городской конкурс учебно-

исследовательских работ

«Я и Земля» им. В. И.

Вернадского

Кристаллы знакомые и загадочные.

Секция физики

Выполнили: Берко Мария,

Нефёдова Ирина,

Учащиеся 11 класса

Учитель:

Волгоград

2009

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

Основная часть

История возникновения кристаллов и Кристаллография……………………..5

Что же такое кристаллы………………………………………………………….7

Кристаллическое состояние кристаллов…………………………………….....13

Кристаллографические системы…………………………………………..........26

Применение кристаллов…………………………………………………………27

Экспериментальная часть

Выращивание кристалла из медного купороса и алюмокалиевых квасцов…29

Заключение

Актуальность. Объект и предмет. Проблема.

При подборе темы мы отталкивались от практической части: «Выращивание кристаллов». Проанализировав теорию опыта, мы заинтересовались выбранной нами темой и решили более подробно узнать о кристаллах и о его применении в современном мире.

Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах «на счастье» и «своих камнях», соответствующих месяцу рождения. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита. Сегодня же кристаллы, помимо их свойства соблазна, нашли очень большое применение в науке и технике: полупроводники, призмы и линзы для оптических приборов, твердотельные лазеры, пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, оптические и  электрооптические кристаллы, ферромагнетики и ферриты, монокристаллы металлов высокой чистоты.

Многие ученые, внесшие большой вклад в развитие химии и минералогии, начинали свои первые опыты с выращивания кристаллов, пытаясь понять, как они образуются.

И мы решили начать свою исследовательскую работу, поставив цель: получить кристаллы различных веществ в домашних условиях.

Цели исследования

1)  Вырастить кристаллы правильной формы в домашних условиях

Задачи исследования

1)  Познакомиться с историей открытия кристаллов

2)  Понять необходимость применения кристаллов в современном мире

3)  Исследовать свойства и структуру кристаллов

4)  Выяснить где находят широкое применение кристаллы

5)  Сделать выводы на основании проведенной работы.

Промышленные проблемы

1)  Кристаллы долго растут

2)  Некоторые кристаллы являются дорогими для производства (алмаз, рубин)

3)  Сложно вырастить кристалл правильной формы

Методы исследования

1)  Поисковый метод

2)  Экспериментальный метод

1. История возникновения кристаллов.

Кристаллография.

Кристаллом (от греч. krystallos – «прозрачный лед») вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности, и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли «кристальными». Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, «магический» шар гадалок – хрустальным шаром.

Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце 17 в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов, кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку.

Заметной вехой в истории кристаллографии явилась книга, написанная в 1784 французским аббатом Р. Гаюи. Он выдвинул предположение, что кристаллы возникают в результате правильной укладки крохотных одинаковых частиц, которые он назвал «молекулярными блоками». Гаюи показал, каким образом можно получить гладкие плоские грани кальцита, укладывая такие «кирпичики». Различия в форме разных веществ он объяснил разницей, как в форме «кирпичиков», так и в способе их укладки.

Со времен Гаюи было принято как гипотеза, что в правильной форме кристалла находит отражение, упорядоченное внутреннее расположение частиц, но это было подтверждено лишь в 1912, когда М. фон Лауэ в Мюнхене установил, что рентгеновские лучи дифрагируют на атомных плоскостях внутри кристалла. Падая на фотографическую пластинку, дифрагированные лучи создают на ней геометрический узор из темных пятен. По положению и интенсивности таких пятен можно рассчитать размеры структурной единицы и определить расположение атомов в ней.

Имея в виду возможность прямого исследования внутренней структуры, многие занимающиеся кристаллографией стали употреблять термин «кристалл» в применении ко всем твердым веществам с упорядоченной внутренней структурой. Нужны лишь благоприятные условия, полагали они, чтобы внутренняя упорядоченность проявилась в виде правильной наружной огранки. Некоторые ученые предпочитают называть твердые вещества с внешне не проявляющейся внутренней упорядоченностью «кристаллическими», а под «кристаллами» понимать, как это было когда-то, твердые вещества с природной огранкой.

1.1 Оптическая кристаллография.

Большое значение в описании и идентификации кристаллов имеют их оптические свойства. Когда свет падает на прозрачный кристалл, он частично отражается, а частично проходит внутрь кристалла. Свет, отражающийся от кристалла, придает ему блеск и цвет, а свет, проходящий внутрь кристалла, создает эффекты, которые определяются его оптическими свойствами

2.Что же такое кристаллы?

Кристаллы - твёрдые тела, имеющие естественную форму правильных многогранников. Правильная форма кристаллов является следствием упорядоченного расположения частиц, из которых они состоят: атомов, молекул, ионов. Эти частицы выстраиваются в строгом порядке “как солдаты в строю” (в отличие от частиц в газах, жидкостях и в аморфных твёрдых телах). От порядка расположения частиц зависит форма кристалла:  куб, призма, октаэдр или другой многогранник.  

Рис. 1 формы кристаллов

Одиночные крупные кристаллы встречаются редко. Большинство веществ, имеющих кристаллическое строение, образует много маленьких хаотически расположенных сросшихся кристалликов, иногда различимых только в микроскоп, и называются они тогда поликристаллами (металлы, сплавы, многие горные породы).

Физические свойства одиночных кристаллов (монокристаллов) - такие как теплопроводность, электропроводность, упругость, прочность - отличаются по разным направлениям (в отличие от поликристаллических и аморфных тел).

Природные минералы обычно описывают следующими свойствами: химическая формула и класс, цвет, тип кристаллической решётки или сингония, твёрдость, блеск, плотность, цвет черты. 

Твёрдость измеряется по десятибалльной шкале Мооса. Самой низкой твёрдостью, принятой за единицу, обладает минерал тальк. Самая большая твёрдость у алмаза, она равна 10. Если царапать друг о друга два минерала, то более твёрдый оставляет царапину на менее твёрдом - так сравнивают минералы по твёрдости. (Твёрдость человеческого ногтя равна 2 - 2,5, поэтому можно быстро определить,  больше или меньше “двух” твёрдость данного материала или минерала.)

Блеск минерала бывает металлическим, металловидным, стеклянным, алмазным, матовым, восковым, перламутровым, шелковистым, смолистым или жирным.

Цвет черты определяют, проводя минералом по фарфоровой шероховатой пластинке (её называют бисквитом). Минералы описывают и другими свойствами: прозрачность, излом, спайность, магнетизм, показатель преломления.

·  Аметист - разновидность кварца 

·  Формула: SiO2

·  Класс: силикаты

·  Цвет: фиолетовый

·  Сингония: тригональная

·  Твёрдость: 7

·  Плотность (г/см 3): 2,65  рис. 2 Аметист

·  Блеск: стеклянный, цвет черты: белый

Название аметиста произошло от греческого слова “неопьяненный”. В ту пору считалось, что носящий аметист не подвержен опьянению.  Аметист - самый ценный минерал в группе разновидностей кварца. Прозрачный кварц называется горным хрусталём. Он прозрачен для ультрафиолетовых лучей, в отличие от обычного стекла, и потому применяется в ультрафиолетовой оптике (не случайно лампы, излучающие ультрафиолетовые лучи, называют кварцевыми). Кварц обладает пьезоэлектрическими свойствами, т. е. способен преобразовывать механическое воздействие в электрическое напряжение, что обусловливает его применение в электротехнике.

·  Пирит - серный колчедан

·  Формула: FeS2

·  Класс: сульфиды

·  Цвет: светло-золотистый

·  Сингония: кубическая

·  Твёрдость: 6-6,5

·  Плотность (г/см3): 4,95-5,10

·  Блеск: металлический рис. 3 Пирит

·  Цвет черты: зеленовато-чёрный, коричнево-чёрный

Название минерала происходит от греческого слова “огнеподобный” из-за способности высекать искры при ударе. Ещё его называют “золотом для дураков” из-за похожести на золото. В древней Индии кристаллы пирита носили при себе в качестве амулета, чтобы оградить себя от нападения от крокодила.

·  Арагонит - карбонат кальция, твёрдая разновидность кальцита 

·  Формула: CaCO3

·  Класс: карбонаты

·  Цвет: белый, серый, бледно - жёлтый, зелёный, синий, фиолетовый, чёрный

·  Сингония: ромбическая

·  Твёрдость: 3,5-4

·  Плотность(г/см3): 3

·  Блеск: стеклянный

·  Цвет черты: белый, светло-серый

рис.4 Арагонит

Название происходит от местности в Испании - Арагонии, где впервые было обнаружено месторождение арагонита. Этот минерал считается камнем домашнего уюта и семейного благополучия.

Исландский шпат - оптический кальцит Формула:CaCO3 Класс: Карбонаты Цвет: Бесцветный, слабо жёлтый Сингония: Ромбическая Твёрдость: 3 Плотность (г/см3): 2,7-2,9 рис. 5 Исландский шпат Блеск: Стеклянный Цвет черты: Белый

В 1669 году профессор Копенгагенского Бартолин обнаружил, что луч света, падающий перпендикулярно на поверхность кристалла исландского шпата, разделяется на два луча: один луч продолжает путь без изменения направления и называется обыкновенным, а другой отклоняется, нарушая обычный закон преломления света, и называется необыкновенным. Если положить кристалл исландского шпата на бумагу с рисунком или текстом, то мы увидим раздвоенное изображение. (*Можно сразу расположить на бумажке с текстом). Исландский шпат широко используется в оптическом приборостроении для изготовления поляризационных призм. Крупнейшие в мире месторождения исландского шпата находятся в России в районе Нижней Тунгуски.

Ванадинит Формула: Pb5(VO4)3Cl Класс: Ванадаты Цвет: Жёлтый, бурый, красный Сингония: Гексагональная Твёрдость: 2,5-3 Плотность (г/см3): 6,8-7,1 рис. 6 Ванадинит Блеск: Полусмолистый до полуалмазного Цвет черты: Бело-жёлтая

Используется как руда для получения ванадия, который необходим для изготовления бронебойной стали.

Кроме представленных выше примеров кристаллов существует большое количество других минералов с видимым кристаллическим строением: кварц, галит, флюорит, турмалин, доломит, цианит, целестит и т. д.

Наряду с кристаллами можно разместить для сравнения минералы аморфного строения, например, янтарь, обсидиан. Если возникнет редкая возможность заиметь тектит, то ей тоже надо воспользоваться. Тектиты остаются самыми загадочными из всех когда-либо найденных на Земле камней, общепринятой гипотезы их происхождения не существует. Одна из гипотез говорит, что они обязаны рождением небесным телам, хотя и состоят из вещества нашей планеты. Миллионы лет назад Земля бомбардировалась крупными метеоритами, астероидами. При столкновении крупного метеорита с поверхностью Земли происходил взрыв, земные породы оплавлялись, разлетаясь в стороны, и образовывались стеклянные обтекаемого вида тела жёлтого, зелёного, чёрного цвета. Но это лишь одна из гипотез, хотя и самая правдоподобная.  Есть предположения о кометном происхождении тектитов, о возникновении тектитов при посадках инопланетных кораблей и при столкновении Земли со сгустками сверхплотного нейтронного вещества.

2.1. Искусственные кристаллы.

С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До 20 в. такие попытки были безуспешны. Но в 1902 удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Позднее, в конце 1940-х годов были синтезированы изумруды, а в 1955 фирма «Дженерал электрик» и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов.

Многие технологические потребности в кристаллах явились стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и электрическими свойствами. Труды исследователей не пропали даром, и были найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. В лаборатории кристаллы выращиваются в тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные свойства, но в принципе лабораторные кристаллы образуются так же, как и в природе – из раствора, расплава или из паров. Так, пьезоэлектрические кристаллы сегнетовой соли выращиваются из водного раствора при атмосферном давлении. Большие кристаллы оптического кварца выращиваются тоже из раствора, но при температурах 350–450°C и давлении 140 МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении из порошка оксида алюминия, расплавляемого при температуре 2050° C. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива, получают из паров в электропечи.

3. Кристаллическое состояние.

Атомы, из которых состоят газы, жидкости и твердые вещества, имеют разную степень упорядоченности. В газе атомы и небольшие группы атомов, соединенные в молекулы, находятся в постоянном беспорядочном движении. Если охлаждать газ, то достигается температура, при которой молекулы сближаются друг с другом, насколько это возможно, и образуется жидкость. Но атомы и молекулы жидкости все-таки могут скользить относительно друг друга. При охлаждении некоторых жидкостей, например, воды, достигается температура, при которой молекулы застывают в относительной неподвижности кристаллического состояния. Эта температура, разная для всех жидкостей, называется температурой замерзания. (Вода замерзает при 0° С; при этом молекулы воды упорядоченно соединяются друг с другом, образуя правильную геометрическую фигуру.) У каждой частицы вещества (атома или молекулы), находящегося в кристаллическом состоянии, окружение точно такое же, как и у любой другой частицы того же типа во всем кристалле. Другими словами, ее окружают вполне определенные частицы, находящиеся на вполне определенных расстояниях от нее. Именно это упорядоченное трехмерное расположение характерно для кристаллов и отличает их от других твердых веществ.

3.1. Образование кристаллов.

Вообще говоря, кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды, так как вода, в сущности, не что иное, как расплавленный лед. К кристаллизации из расплава относится и процесс образования вулканических пород. Магма, проникающая в трещины земной коры или вытесняемая в виде лавы на ее поверхность, содержит многие элементы в разупорядоченном состоянии. При охлаждении магмы или лавы атомы и ионы разных элементов притягиваются друг к другу, образуя кристаллы различных минералов. В таких условиях возникает много зародышей кристаллов. Увеличиваясь в размере, они мешают, друг другу расти, а поэтому гладкие наружные грани у них образуются редко.

В природе кристаллы образуются также из растворов, примером чему могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором хлорида натрия. Если дать воде возможность медленно испаряться, то, в конце концов, раствор станет насыщенным и дальнейшее испарение приведет к выделению соли. Положительно заряженные ионы натрия притягивают отрицательно заряженные ионы хлора, в результате чего образуется зародыш кристалла хлорида натрия, который выделяется из раствора. При дальнейшем испарении другие ионы пристраиваются к образовавшемуся ранее зародышу, и постепенно растет кристалл с характерной внутренней упорядоченностью и гладкими наружными гранями.

Кристаллы образуются также непосредственно из пара или газа. При охлаждении газа электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твердое вещество. Так образуются снежинки; воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.

3.2. Формы кристаллов.

Хотя с первого взгляда все грани, определяющие форму кристалла, могут показаться одинаковыми, при тщательном исследовании обнаруживаются небольшие различия. Это могут быть различия в блеске, нерегулярностях роста, дефектах травления или полосчатости. Тем не менее, некоторые грани оказываются совершенно одинаковыми. Такие грани состоят из одинаковых и одинаково расположенных атомов и соответствуют определенной форме кристаллов. Распределение граней разных форм выявляет симметрию, так как все грани одной формы имеют одинаковое отношение к элементу симметрии. Некоторые кристаллы имеют грани только одной формы, а другие – грани многих форм. На рис. 1 показаны три различные формы кубической системы.

Рис. 7. Формы кристаллов кубической системы. а – куб; б – октаэдр; в – додекаэдр; г – комбинация куба, октаэдра и додекаэдра.

3.3 Структура кристалла.

Кристалл представляет собой правильную трехмерную решетку, составленную из атомов или молекул. Структура кристалла – это пространственное расположение его атомов (или молекул). Геометрия такого расположения подобна рисунку на обоях, в которых основной элемент рисунка повторяется многократно. Одинаковые точки можно расположить на плоскости пятью разными способами, допускающими бесконечное повторение. Для пространства же имеется 14 способов расположения одинаковых точек, удовлетворяющих требованию, чтобы у каждой из них было одно и то же окружение. Это пространственные решетки, называемые также решетками Браве по имени французского ученого О. Браве, который в 1848 доказал, что число возможных решеток такого рода равно 14.

Требование того, чтобы каждый узел решетки имел одинаковое атомное окружение, применительно к кристаллам налагает ограничения на сам основной элемент рисунка. При повторении он должен заполнять все пространство, не оставляя пустых узлов. Было установлено, что существует лишь 32 варианта расположения объектов вокруг некоторой точки (например, атомов вокруг узла решетки), удовлетворяющих этому требованию. Это так называемые 32 пространственные группы. В сочетании с 14 пространственными решетками они дают 230 возможных вариантов расположения объектов в пространстве, называемых пространственными группами. Поскольку структура кристалла определяется не только пространственным расположением атомов, но и их типом, число структур очень велико.

Общими для всех кристаллов являются 14 пространственных решеток, наименьшие формообразующие ячейки. Элементарная ячейка любого кристалла подобна одной из них, но ее размеры определяются размерами, числом и расположением атомов. Элементарная ячейка в виде параллелепипеда, вообще говоря, аналогична «кирпичику» Гаюи, т. е. базисному элементу, при повторении которого образуется кристалл. Рентгеновский анализ позволяет с большой точностью определять длину сторон ячейки и углы между сторонами. Элементарные ячейки очень малы и имеют порядок нанометра (10–9 м). Сторона кубической элементарной ячейки хлорида натрия равна 0,56 нм. Таким образом, в крохотной крупинке обычной поваренной соли содержится примерно миллион элементарных ячеек, уложенных одна к другой.

Методом дифракции рентгеновских лучей (рентгенография) можно определить не только абсолютные размеры элементарной ячейки, но также пространственную группу и даже расположение атомов в пространстве, т. е. структуру кристалла. Важную роль в исследовании кристаллических структур сыграли также методы дифракции электронов (электронография), дифракции нейтронов (нейтронография) и инфракрасной спектроскопии.

3.4. Морфология кристаллов.

Кристаллы имеют некую внутреннюю симметрию, которая не обнаруживается в бесформенной крупинке. Симметрия кристаллов получает наружное выражение только тогда, когда они имеют возможность свободно расти без каких-либо помех. Но даже хорошо организованные кристаллы редко имеют совершенную форму, и нет двух кристаллов, которые были бы совершенно одинаковы.

Форма кристалла зависит от многих факторов, один из которых – форма элементарной ячейки. Если такой «кирпичик» повторить одинаковое число раз параллельно каждой из его сторон, то получится кристалл, форма и относительные размеры которого точно такие же, как у элементарной ячейки. Близкая к этому картина характерна для многих кристаллических веществ. Но на форму оказывают влияние и такие факторы, как температура, давление, чистота, концентрация и направление движения раствора. Поэтому кристаллы одного и того же вещества могут обнаруживать большое разнообразие форм. Различие форм связано с тем, как именно укладываются одинаковые «кирпичики».

Аналогия между элементарными ячейками и кирпичами очень полезна. Укладывая кирпичи так, чтобы их соответствующие стороны были параллельны, можно построить стену, длина, высота и толщина которой будут зависеть только от числа кирпичей, уложенных в данном направлении. Если же в определенном порядке удалять кирпичи, то можно получить миниатюрные лестничные марши с наклоном, зависящим от соотношения чисел кирпичей в подступенке и наступи ступеньки лестницы. Если на такую лестницу наложить линейку, то она образует угол, определяемый размерами кирпича и способом укладки. Углы наклона x и y симметричны независимо от относительных длин s и f.

Точно так же и кристалл может принимать ту или иную форму, если в строго определенном порядке пропускаются некоторые ряды или группы элементарных ячеек. Косые грани кристалла подобны лестницам, сложенным из кирпичей, но «кирпичики» здесь столь малы, что грани кристалла, выглядят, как гладкие поверхности. Углы между соответствующими гранями кристалла постоянны, независимо от его размера. Это установил в 1669 датчанин Н. Стено на примере кристаллов кварца. Тем самым он показал, что форма является характеристикой кристаллического вещества. Ныне известно, что форма кристалла зависит от размеров и формы элементарной ячейки, и положение Стено приняло обобщенную форму закона, согласно которому углы между соответствующими гранями кристаллов одного и того же вещества постоянны.

Размеры и форма граней изменяются от кристалла к кристаллу. Тем не менее, имеется некая внешняя симметрия, присущая всем хорошо ограненным кристаллам. Она обнаруживается в повторении углов и похожести граней, одинаковых в смысле внешнего вида, дефектов травления и особенностей роста. Если кристалл имеет почти совершенную форму, то его симметричные грани тоже подобны по размерам и форме.

До появления рентгеновской кристаллографии самым важным делом занимавшихся кристаллографией было измерение углов между гранями кристаллов. Вычерчивая на основе таких угловых измерений грани кристалла в стереографической или гномонической проекции, можно выявить симметричное расположение граней независимо от размера и формы. По такой проекции можно вычислить отношения осей, а затем выполнить чертеж кристалла.

3.5. Показатель преломления.

При переходе наклонного луча света из воздуха в кристалл его скорость распространения уменьшается; падающий луч отклоняется, или преломляется. Чем больше плотность кристалла и чем больше угол падения луча (i), тем больше угол преломления (r). Отношение sin i к sin r есть величина постоянная. Это обычно записывают в виде равенства sin i/sin r = n; константа n называется показателем преломления. Это самая важная из оптических характеристик кристалла, и ее можно очень точно измерить.

С позиций оптики все прозрачные вещества можно разделить на две группы: изотропные и анизотропные. К изотропным относятся кристаллы кубической системы и некристаллические вещества, например, стекло. В изотропных веществах свет распространяется во всех направлениях с одинаковой скоростью, и поэтому такие вещества характеризуются одним показателем преломления. Группу анизотропных веществ составляют кристаллы всех других кристаллографических систем. В веществах этой группы скорость света, а следовательно, и показатель преломления непрерывно изменяются при переходе от одного кристаллографического направления к другому. Когда свет входит в анизотропный кристалл, он разделяется на два луча, колеблющихся под прямым углом друг к другу и распространяющихся с разными скоростями. Такое явление называется двойным лучепреломлением; всякий анизотропный кристалл характеризуется двумя показателями преломления. Для гексагональных и тетрагональных кристаллов указывают максимальный и минимальный, т. е. «главные» показатели преломления. Один из этих главных показателей преломления соответствует лучу света, колеблющемуся параллельно оси c, а с другой – лучу света, колеблющемуся под прямым углом к этой оси. В орторомбических, моноклинных и триклинных кристаллах имеются три главных показателя преломления: максимальный, минимальный и промежуточный, определяемые лучами света, колеблющимися в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Поскольку показатели преломления зависят от химического состава и строения материала, они являются характеристическими величинами для каждого кристаллического твердого вещества, и их измерение служит эффективным методом его идентификации. Пользуясь простым рефрактометром, ювелир или специалист по драгоценным камням может измерить показатель преломления драгоценного камня, не вынимая его из оправы. С помощью поляризационного микроскопа минералог без особого труда определяет тип минерала, измеряя его показатели преломления и другие оптические характеристики на мелких крупинках. Плеохроизм. В анизотропных кристаллах свет, колеблющийся в разных кристаллографических направлениях, может поглощаться по-разному. Одно из возможных следствий такого явления, называемого плеохроизмом, – изменение цвета кристалла при изменении направления колебаний. В других кристаллах свет, колеблющийся в одном кристаллографическом направлении, может распространяться почти без потерь интенсивности, а под прямым углом к нему почти полностью поглощаться. На различиях в поглощении света тонкими ориентированными кристаллами основано действие таких поляризационных светофильтров, как поляроид.

3.6. Элементы симметрии.

Задолго до того, как 32 типа симметричных расположений точечных групп были определены рентгеновскими методами, они были выявлены путем исследования морфологии, т. е. формы и структуры кристаллов. На основании вида и расположения граней, а также углов между ними кристаллы приписывались одному из 32 кристаллографических классов. Поэтому пространственные группы и кристаллографические классы – это как бы синонимы, и существуют три основных элемента симметрии: плоскость, ось и центр.

3.7. Плоскость симметрии.

Многие хорошо известные нам предметы обладают симметрией относительно плоскости. Например, стул или стол можно представить себе разделенными на две одинаковые части. Точно так же плоскость симметрии делит кристалл на две части, каждая из которых является зеркальным отображением другой. (Плоскость симметрии иногда называют плоскостью зеркального отображения.)

3.8. Ось симметрии.

Ось симметрии – это воображаемая прямая, поворотом вокруг которой на часть полного оборота можно привести объект к совпадению с самим собой. В кристаллах возможны только пять видов осевой симметрии: 1-го порядка (эквивалентная отсутствию вращения), 2-го порядка (повторение через 180), 3-го порядка (повторение через 120), 4-го порядка (повторение через 90) и 6-го порядка (повторение через 60).

3.9. Центр симметрии.

Кристалл имеет центр симметрии, если любая прямая, мысленно проведенная через него, на противоположных сторонах поверхности кристалла проходит через одинаковые точки. Таким образом, на противоположных сторонах кристалла находятся одинаковые грани, ребра и углы.

Имеются 32 возможные комбинации плоскостей, осей и центров симметрии в кристаллах; каждой такой комбинацией определяется кристаллографичес-кий класс. Один класс не имеет симметрии; говорят, что он имеет одну ось вращения 1-го порядка.

3.10. Сигнолии.

Кристаллографические классы, или виды симметрии, объединяются в более крупные группировки, называемые системами или сингониями. Таких сингоний семь:

Таблица 1

В каждую сингонию входят кристаллы, у которых отмечается одинаковое расположение кристаллографических осей и одинаковые элементы симметрии.
Сингониеи называется гриппа видов симметрии, обладающих одним или несколькими одинаковыми элементами симметрии и имеющих одинаковое расположение кристаллографических осей.

Высшая категория

Кубическая сингония. В этой сингонии кристаллизуются наиболее симметричные кристаллы. В кубической сингонии присутствует более одной оси симметрии выше второго порядка, т. е. L3 или L4 . Кристаллы кубической сингонии обязательно должны иметь четыре оси третьего порядка (4L3) и, кроме того, либо три взаимно перпендикулярные оси четвертого порядка (3L4), либо три оси второго порядка (3L2).
Максимальное количество элементов симметрии в кубической сингонии может быть выражено формулой 3L4 4L36L29PC. Кристаллы кубической сингонии встречаются в виде куба октаэдра, тетраэдра, ромбододекаэдра, пентагон-додекаэдра и др.

Рис. 8 Кристаллы кубической сигнолии:

1- куб (пирит, торианит, галенит, флюорит, перовскит); 2- кубооктаэдр (галенит); 3 – октаэдр (золото, хромит, магнетит, шпинель); 4-ромбододекаэдр (золото, гранат); 5- тетрагон - триоктаэдр (гранат, лейцит); 6 – комбинация двух тетраэдров (сфалерит); 7- пентагон-додекаэдр (пирит, гранат); 8- гексаэдр (алмаз); 9 – двойник прорастания куба (пирит, тюрканит. флюорит)

Средняя категория.

Сингонии средней категории. Эта группа объединяет кристаллы, обладающие только одной осью симметрии порядка выше второго. К средней категории относятся гексагональная, тетрагональная и тригональная сингонии. Гексагональная сингония характеризуется наличием одной оси симметрии шестого порядка (L6). Максимальное количество элементов симметрии может быть следующим" L56L27PC. Кристаллы гексагональной сингонии образуют приз мы, пирамиды, дипирамиды и др.

Рис. 9 Кристаллы тригональной сигнолии:

1- гематит, 2- ильменит, 3,4 – турмалин, 5- кристалл турмалина со штриховкой на гранях, 6- корунд.

Низшая категория.

Рис. 10 Кристаллы тетрагальной сигнолии:

1- тетрагональная дипирамида ( анатаз, циркон, ксенотим); 2- анатаз; 3- комбинация тетрагональной призмы с тетрагональной дипирамидой (циркон, брукит); 4- комбинация дипирамиды и двух призм (ксенотим, рутил, циркон);

5- комбинация двух призм с дипирамидой (везувиан, циркон); 6- комбинация двух тетрагональных призм и дипирамиды с пинакоидом (везувиан); 7- комбинация двух призм с двумя дипирамидами (касситерит); 8- двойник касситерита; 9,10- вульфенит, 11- шеелит.

4. Кристаллографические системы.

Рис. 11-1 7 разных способов упорядоченного расположения в пространстве одинаковых точек.

Рис. 11-2 7 разных способов упорядоченного расположения в пространстве одинаковых точек.

На рис. 11 представлены семь базисных ячеек решеток разной формы. Ромбоэдрическая и гексагональная решетки определяются одними и теми же осями. Таким образом, при наличии 32 симметрий точечных групп имеются только шесть основных форм элементарных ячеек. Соответственно форме основной «строительной» единицы 32 кристаллографических класса разделяются на шесть кристаллографических систем. Каждая кристаллографическая система имеет собственную систему координат, которыми определяются элементарная ячейка, а, следовательно, и грани кристалла. На рис. 11 это стороны a, b и c элементарной ячейки. Принято через c обозначать вертикальную сторону, через b – горизонтальную в плоскости чертежа и через a – горизонтальную сторону, перпендикулярную плоскости чертежа. Прямые, на которых лежат эти стороны, служат линиями отсчета и называются кристаллографическими осями. Угол между b и c обозначается a, между a и c – b, а между a и b – g. Названия кристаллографических систем, относительные длины и угловые соотношения между соответствующими кристаллографическими осями таковы:

Триклинная: a № b № c, a № b № g.

Моноклинная: a № b № c, a = g = 90°, b > 90°.

Орторомбическая: a № b № c, a = b = g = 90°.

Тетрагональная: a = b № c, a = b = g = 90°. Поскольку a и b в этой системе равны и равноценны, их обычно обозначают через a1, a2. Сторона c может быть больше либо меньше a.

Гексагональная: a = b № c, a = b = 90°, g = 120°. Элементарная ячейка гексагональных кристаллов обычно рассматривается как тройная и определяется тремя горизонтальными осями a1, a2, a3, составляющими угол 120° друг с другом и 90° с условно вертикальной осью c.

Кубическая (изометрическая): a = b = c, a = b = g = 90°.

На рис. 1 показаны разнообразные формы, которые могут иметь кристаллы, относящиеся к разным кристаллографическим системам.

5. Применение кристаллов.

Большое применительное значение кристаллы нашли в оптике. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов.

Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.

Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.

Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.

Практическая часть.

Выращивание кристалла из медного купороса и алюмокалиевых квасцов.

Чтобы вырастить кристалл медного купороса, сначала нужно сделать перенасыщенный раствор: размешать в горячей воде такое количество медного купороса, которое потребуется, чтобы больше «не помещалось» этого вещества. Потом через тряпочку, сложенную вдвое, необходимо профильтровать раствор в другую банку. На следующий день на дне банки с раствором образуются маленькие кристаллы вещества – затравки. Нужно выбрать затравку правильной формы и привязать её ниточкой к карандашу. Раствор нужно разогреть и снова добавлять в него, размешивая, медный купорос до тех пор, пока раствор опять не станет насыщенным. Раствор снова нужно профильтровать в чистую банку и повесить туда затравку. До размера спичечного коробка кристалл будет расти приблизительно месяц. Время от времени банку и нитку нужно очищать от других кристалликов и доливать насыщенный раствор. Когда кристалл достигнет больших размеров, его нужно вынуть из банки, отрезать нитку и протереть маслом.

Выращивание больших монокристаллов соединений, растворимых в воде

Рис. 12 Монокристаллы

а) монокристалл медного купороса - это призма, в сечении которой лежит ромб; б) монокристалл квасцов – октаэдр; в) монокристалл хлорида натрия – куб.

Основой выращивания является насыщенный раствор соли. Однако здесь есть свои нюансы, которые следует оговорить. Начинающему в этой области мы порекомендовали бы начать опыт, используя медный купорос или алюмокалиевые квасцы (ещё часто в литературе советуют хлорид натрия, но растить его труднее, поэтому использовать его не рекомендуем). Крупные кристаллы с этими веществами получаются всегда, другое дело, что может быть неправильно воспроизведена форма.

Мы используем первый “открытый” вариант. Да! Это не поможет полностью защитить раствор от пыли (даже накрывая фильтровальной бумагой. К тому же примеси будут в кристаллах по любому (другие ионы из нечистого вещества или воды и т. п.), мы можем только их слегка уменьшить. Надо помнить, что идеального кристалла по всем “правилам природы” не существует, дефекты есть даже в очень правильных (однородных) кристаллах.

Ниже речь пойдёт о медном купоросе. В каждой методике выращивания можно выделить несколько подпунктов.

I. Приготовление маточного раствора:

Примечание: Многие авторы в своих книгах для простоты указывают таблицы веществ, и сколько их требуется в граммах на приготовление насыщенного раствора. Мы будем использовать “столовую” терминологию. Нужно знать, что для выращивания кристаллов нужно использовать только свежеприготовленные растворы!!! Так как в процессе стояния в растворах у многих веществ накапливающиеся определённого состава комплексы (например, аквакомплексы) меняют структуру кристалла (такие кристаллы могут начинать быстрее выветриваться). Какие-то растворы сильно гидролизуеются (их можно очистить фильтрованием). В некоторых могут начать процветать случайно попавшие споры грибов (чаще в органических веществах).

Для приготовления маточного раствора нам потребуется чистый, хорошо вымытый термостойкий стакан на 1л. В него наливаем горячую (t=500С, при высоких температурах вещество сильно гидролизуется) кипячёную воду или, что лучше, дистиллированную 700-800 мл. В стакан засыпаем вещество небольшими порциями (1 порция = 1 столовая ложка без горки), каждый раз перемешивая и добиваясь полного растворения. Когда раствор “насытится” – вещество будет оставаться на дне, – добавляем ещё две порции и оставляем раствор при комнатной температуре на сутки. Чтобы в раствор не попала пыль, его накроем листом фильтровальной бумаги и оставим в той части помещения, где сохраняется постоянная температура, где в дальнейшем вы будем продолжать опыт. Если проходит отопительный сезон, то можно оставить стакан и около батареи, но растворимость у вещества теперь будет другая. И стоит измениться температуре, как возникнет быстрая избыточная кристаллизация. Надо помнить: чтобы кристаллы росли как можно правильно, а у бесцветного вещества они были прозрачными, кристаллизация должна идти медленно, иначе кристалл мутнеет!!!

Примечание: Экспериментаторам следует знать, что любая примесь в растворе может стать включением в кристалле или быть источником дефекта. В итоге вместо монокристалла появятся “химеры”, состоящие из наростов и искажений (это возникшие из-за разных центров кристаллизации микрокристаллики пробуравили друг друга); они будут увеличиваться по мере роста кристалла. Иногда это выглядит более эффектно, чем правильный монокристалл (вырастить который, кстати, задача сложная). Но надо помнить, что всякое отклонение следует расценивать, как не соблюдение каких-либо условий.

На следующий день нужно осмотреть раствор. В нём не должны плавать примеси; если это раствор алюмокалиевых квасцов, то он должен быть бесцветным и прозрачным. На дне должен оставаться избыток кристаллов. В том случае, если обнаружены примеси, раствор подогреваем на 200C (необходимо поставить стакан с раствором в таз с тёплой водой на 1-2 часа) и фильтруем на воронке, внутрь которой помещаем фильтр или (что быстрее и лучше) кусочек ваты, затем повторяем охлаждение до комнатной температуры. Этот раствор будет необходим нам в большом количестве, поэтому нужно иметь посуду для его хранения и по необходимости готовить дополнительно. Хранить его можно в колбе (либо пластиковой бутылке, объём которых варьирует от 0,33 до 30 л) с притёртой пробкой (если пробка резиновая, то её оборачивают полиэтиленовой плёнкой, чтобы она не взаимодействовала с раствором), на дне должны оставаться кристаллы.

II. Получение кристалла-затравки:

Раствор аккуратно сливаем с осадка кристаллов и в количестве 1л помещаем в термостойкую круглодонную колбу. Туда же помещаем 1 чайную ложку (с горкой) химически чистого вещества (это могут быть те выпавшие кристаллы). Теперь колбу нагреваем на водяной бане, добиваясь полного растворения, как правило, в окрашенных растворах окраска, из-за избытка вещества, становится интенсивнее. Полученный раствор греем ещё 5 минут на кипящей водяной бане, после чего его переливаем в чистый, подогретый до температуры раствора термостойкий стакан (можно ополоснуть кипятком). Стакан обворачиваем сухим полотенцем, накрываем фильтровальной бумагой и оставляем остывать. Сейчас раствор надо беречь от сквозняков, от резких перепадов температур.

Спустя сутки, убираем полотенце, не стараясь колыхать стакан, чтобы не вызвать незапланированную кристаллизацию. Осматриваем содержимое – на дне и на стенках должны образоваться небольшие плоские кристаллики-параллелограммы.

Если образовалось множество мелких сросшихся бесформенных кристалликов, как после резкого охлаждения, то количество соли уменьшают и повторяют описанную стадию.

Если кристаллики не образовались, раствору следует постоять ещё сутки; иначе, следует увеличить количество растворяемого вещества, повторив этап заново.

Эта стадия эксперимента должна обучить экспериментаторов правильно, выращивать затравку, которая далее будет исходным кирпичиком для получения огромной конструкции. Отберем подходящие по структуре кристаллики (с длинной ребра от 0,3 см и более) и будем хранить их отдельно в растворе соли в банке с притёртой пробкой вдали от источников высоких температур и света.

Надо помните: чем меньше выбранная вами затравка, чем она правильнее, тем легче раствору (системе) подстроиться под неё (как перламутру к пещинке, попавшей в мантию моллюска).

III. Выращивание монокристалла:

Снова готовим насыщенный раствор на основе исходного маточного. Для этого готовый раствор ставим на водяную баню и добавляем 0,5 чайной ложки вещества. Чем меньше мы добавим на этом этапе, тем лучше (можно также просто нагреть насыщенный раствор, без добавления вещества). Греем и перемешиваем. Как только вещество растворилось, колбу вынимаем, и раствор переливаем в заранее приготовленный нагретый стакан. Стакан с раствором ставим на выбранное место, и даем 20-30 сек постоять, чтобы жидкость немного успокоилась. Наш раствор неперенасыщенный, поэтому “лишние градусы” могут вызвать растворение затравки, что нам не нужно. Если раствор тёплый, ему дают остыть до 300C или чуть меньше (проверить при отсутствии термометра – легко; температура нашего тела 36,60C, поэтому всё, что кажется теплее – выше её, наоборот - ниже). Следить за остыванием раствора следует очень внимательно, чтобы не допустить её понижения до комнатной (обычно на остывание раствора выделяю около двух часов).

Далее следует сказать, что можно вырастить кристалл и без нити. Всё, что для этого требуется – стакан с плоским дном, так как для этой цели затравку аккуратно укладывают на середину дна (можно помочь ей лечь нагретой стеклянной палочкой), и она повторит его рельеф. Здесь рост кристалла будет ограничен стенками стакана, и преимущественно, он будет расти в стороны – это хорошо для медного купороса и для плоских кристаллов в принципе (жёлтая кровяная соль, гидрофталат калия).

В случае с квасцами лучше использовать нить, которой обматываем затравку, а остальную часть нити закрепляем на каркасе из двух пересечённых палочек. Кристалл при этом должен “висеть” в растворе в центре. Но здесь требуется следить за тем, чтобы не обрастала нить. Если такое произошло, то нить с кристаллом вынимаем, счищаем лишнее и заново готовим раствор* (греют, подготавливают к температуре кристалл и т. п.) Надо помните: чтобы не было наростов на нити, нить должна быть тонкой без волосков, и должна быть опущена с затравкой в раствор на 5о теплее, чем для простой затравки. Такая нить успевает пропитаться раствором и “сливается” с системой в единое целое.

Теперь следует следить за ростом кристалла каждый день, ни в коем случае не сотрясая раствор, иначе эта встряска породит в системе мгновенную кристаллизацию. Так многие авторы советую доливать раствор в систему по мере его испарения. Это очень сложная операция, поскольку возникшая сильная диффузия также может вызвать сбои в росте кристалла. Вначале мы увидим, как система будет “обживать” затравку, как они будут подстраиваться друг под друга. В итоге должно получиться следующее:

Рис.13 кристаллы меди Рис. 14 кристаллы квасцов

Полученные кристаллы медного купороса (рис.11) и алюмокалиевых квасцов (рис. 12), за одну неделю выращивания.

Наши результаты:

Рис. 15 Рис. 16

Выращенные нами кристаллы медного купороса (рис. 15) и алюмокалиевых квасцов (рис. 16), за одну неделю выращивания.

Вывод:

Мы научились выращивать кристаллы и узнали, что этим способом можно выращивать кристаллы любых других простых веществ, а также, что необходимо для выращивания и как происходит рост кристаллов.

Мы хотим дать советы тем, кто заинтересовался этой работой и хочет вырастить кристалл самостоятельно в домашних условиях.

Наши советы:

Ø  Начинающему в этой области мы порекомендовали бы начать опыт, используя медный купорос или алюмокалиевые квасцы.

Ø  Для выращивания кристаллов используют только свежеприготовленные растворы.

Ø  Чтобы кристаллы росли как можно правильно, а у бесцветного вещества они были прозрачными, кристаллизация должна идти медленно, иначе кристалл мутнеет.

Ø  Чем меньше выбранная вами затравка, чем она правильнее, тем легче раствору (системе) подстроиться под неё.

Заключение.

Итак, в данной работе была рассказана лишь малая часть того, что известно о кристаллах в настоящее время, однако и эта информация показала, насколько неординарны и загадочны кристаллы по своей сущности.
В облаках, в глубинах Земли, на вершинах гор, в песчаных пустынях, в морях и океанах, в научных лабораториях, в клеточках растений, в живых и мертвых организмах везде встретим мы кристаллы. Но может кристаллизация вещества совершается только на нашей планете? Нет, мы знаем теперь,  что и на  других планетах и далеких звездах все время непрерывно возникают, растут и разрушаются кристаллы. Метеориты, космические посланцы, тоже состоят из кристаллов, причем иногда в их состав входят кристаллические вещества, на Земле не встречающиеся. Кристаллы везде.
Люди привыкли использовать кристаллы, делать из них украшения, любоваться ими. Теперь, когда изучены методы искусственного выращивания кристаллов, область их применение расширилась, и, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам.

Список литературы.

1.  ; «Занимательные опыты по химии», 1995 г.

2.  Алферова «Большой справочник по химии для школьников»,2002

3.  «Энциклопедия драгоценных камней и кристаллов», 2008

4.   «Кристаллы. Их роль в природе и науке.», 1970

5.  «Сила кристаллов»,2003

6.  «Физика твёрдого тела», 2008

7.  Довбни «Мир кристаллов», 2006

8.  «Камень, рождающий металл», 1984г.;

9.  «Минерал рассказывает о себе», 1985 г.;

10.  «Физика. Справочные материалы», 1991г.

11.  «Физический практикум.» , 2002.

12.  Петров « Выращивание кристаллов из растворов», 2000

13.  «Школьникам о современной физике», М.; 1990г.

14.  «Замечательные минералы», 1983г

15.  Сухарёва «Удивительный мир кристаллов», 2007

16.  Холл Джуди «Путеводитель по миру кристаллов. Иллюстрированный справочник», 2007

17.  , , «Основы кристаллографии», 2006

18.  «Кристаллография. Лабораторный практикум», 2005

19.  ; "Кристаллы", 1985 г.;

20. 

21. 

22. 

23. 

24. 

25. 

26. 

27. 

28. 

29. 

30. 

31. 

32. 

33. 

34. 

35. 

36. 

37.Конец формы