Кристалл - Crystal

"Кристаллический" перенаправляется сюда. О песне Бьорк см. Кристаллический (песня).
«Xtal» перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. Xtal (значения).
Эта статья о кристаллических твердых телах. Для использования в других целях см. Кристалл (значения).
Кристалл аметист кварц
Микроскопически монокристалл имеет атомы в почти идеальном периодический расположение; а поликристалл состоит из множества микроскопических кристаллов (называемых «кристаллиты "или" зерна "); и аморфный твердые (например, стекло ) даже микроскопически не имеет периодического расположения.

А кристалл или же кристаллическое твердое вещество это твердый материал, составные части которого (например, атомы, молекулы, или же ионы ) расположены в высокоупорядоченной микроскопической структуре, образуя кристаллическая решетка который распространяется во всех направлениях.[1][2] Кроме того, макроскопические монокристаллы обычно идентифицируются по их геометрической форме, состоящей из плоских лица со специфической, характерной ориентацией. Научное изучение кристаллов и образования кристаллов известно как кристаллография. Процесс образования кристаллов с помощью механизмов рост кристаллов называется кристаллизация или же затвердевание.

Слово кристалл происходит от Древнегреческий слово κρύσταλλος (Krustallos), что означает оба "лед " и "горный хрусталь ",[3] из κρύος (круос), «ледяной холод, мороз».[4][5]

Примеры крупных кристаллов включают снежинки, бриллианты, и столовая соль. Большинство неорганических твердых веществ представляют собой не кристаллы, а поликристаллы, то есть множество микроскопических кристаллов слились в единое твердое тело. Примеры поликристаллов включают большинство металлы, горные породы, керамика, и лед. Третья категория твердых тел - это аморфные твердые тела, где атомы вообще не имеют периодической структуры. Примеры аморфных твердых веществ включают стекло, воск, и много пластмассы.

Несмотря на название, свинцовый хрусталь, хрустальное стекло, и сопутствующие товары нет кристаллы, а скорее виды стекла, то есть аморфные твердые тела.

Кристаллы часто используются в псевдонаучный такие практики, как кристаллическая терапия, и вместе с драгоценные камни, иногда связаны с заклинание в Виккан верования и связанные с ними религиозные движения.[6][7][8]

Кристаллическая структура (микроскопическая)

Галит (поваренная соль, NaCl): микроскопический и макроскопический.
Кристалл галита (микроскопический)
Микроскопическая структура Галит (минерал) кристалл. (Фиолетовый натрий ион, зеленый хлор ион). Есть кубическая симметрия в расположении атомов
Кристалл галита (макроскопический)
Макроскопический (~ 16см) кристалл галита. Прямые углы между гранями кристаллов обусловлены кубической симметрией расположения атомов.
Основная статья: Кристальная структура

Научное определение «кристалла» основано на микроскопическом расположении атомов внутри него, которое называется Кристальная структура. Кристалл - это твердое тело, в котором атомы образуют периодическое расположение. (Квазикристаллы являются исключением, см. ниже ).

Не все твердые тела являются кристаллами. Например, когда жидкая вода начинает замерзать, фазовый переход начинается с мелких кристаллов льда, которые растут, пока не сливаются, образуя поликристаллический структура. В последней глыбе льда каждый из маленьких кристаллов (называемых "кристаллиты "или" зерна ") представляет собой настоящий кристалл с периодическим расположением атомов, но весь поликристалл нет имеют периодическое расположение атомов, потому что периодический узор нарушается в границы зерен. Самый макроскопический неорганический твердые тела поликристаллические, в том числе почти все металлы, керамика, лед, горные породы и т. д. твердые вещества, не являющиеся ни кристаллическими, ни поликристаллическими, например стекло, называются аморфные твердые тела, также называемый стеклянный, стекловидное тело или некристаллический. У них нет периодического порядка, даже микроскопического. Существуют явные различия между кристаллическими твердыми веществами и аморфными твердыми телами: в первую очередь, процесс формирования стекла не выделяет скрытая теплота плавления, но формирование кристалла делает.

Кристаллическая структура (расположение атомов в кристалле) характеризуется своим ячейка, небольшой воображаемый ящик, содержащий один или несколько атомов в определенном пространственном расположении. Элементарные ячейки сложены в трехмерном пространстве, чтобы сформировать кристалл.

В симметрия кристалла ограничивается требованием, чтобы элементарные ячейки укладывались идеально без зазоров. Существует 219 возможных симметрий кристаллов, называемых кристаллографические пространственные группы. Они сгруппированы в 7 кристаллические системы, Такие как кубическая кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать кубики или прямоугольные коробки, например галит показано справа) или гексагональная кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать шестиугольники, например обычный водяной лед ).

Хрустальные грани и формы

Как галит кристалл растет, новые атомы могут очень легко прикрепляться к частям поверхности с грубой структурой атомного масштаба и многими болтающиеся облигации. Поэтому эти части кристалла очень быстро растут (желтые стрелки). В итоге вся поверхность состоит из гладких, стабильный грани, где новые атомы не могут так легко прикрепиться.

Кристаллы обычно узнаваемы по форме, состоящей из плоских граней с острыми углами. Эти характеристики формы не необходимо для кристалла - кристалл с научной точки зрения определяется его микроскопическим расположением атомов, а не его макроскопической формой, - но характерная макроскопическая форма часто присутствует и ее легко увидеть.

Евгедральный кристаллы - это кристаллы с четко очерченными плоскими гранями. Собор кристаллы этого не делают, обычно потому, что кристалл представляет собой одно зерно в поликристаллическом твердом теле.

Плоские грани (также называемые грани ) из кафедральный собор кристалл ориентированы определенным образом относительно нижележащего атомное расположение кристалла: они есть самолеты относительно низкого Индекс Миллера.[9] Это происходит потому, что некоторые ориентации поверхности более стабильны, чем другие (более низкие поверхностная энергия ). По мере роста кристалла новые атомы легко прикрепляются к более грубым и менее стабильным частям поверхности, но труднее прикрепляются к плоским стабильным поверхностям. Следовательно, плоские поверхности имеют тенденцию становиться больше и гладче, пока вся поверхность кристалла не будет состоять из этих плоских поверхностей. (См. Диаграмму справа.)

Один из старейших методов в науке о кристаллография состоит из измерения трехмерной ориентации граней кристалла и использования их для определения лежащих в основе симметрия кристалла.

А привычка кристалла его видимая внешняя форма. Это определяется Кристальная структура (что ограничивает возможные ориентации граней), специфический химический состав кристаллов и связи (которые могут отдавать предпочтение одним типам граней по сравнению с другими), а также условия, при которых формировался кристалл.

Встречаемость в природе

Лед кристаллы
Ископаемое ракушка с кальцит кристаллы

Горные породы

По объему и весу самые большие скопления кристаллов на Земле являются частью ее твердого тела. коренная порода. Кристаллы, обнаруженные в горных породах, обычно имеют размер от долей миллиметра до нескольких сантиметров в поперечнике, хотя иногда встречаются исключительно крупные кристаллы. По состоянию на 1999 г., самый большой из известных в мире кристаллов природного происхождения - это кристалл берилл от Малакиалина, Мадагаскар Длиной 18 м (59 футов), диаметром 3,5 м (11 футов) и массой 380000 кг (840 000 фунтов).[10]

Некоторые кристаллы образовались магматический и метаморфический процессы, дающие начало большим массам кристаллических камень. Подавляющее большинство Магматические породы образуются из расплавленной магмы, и степень кристаллизации зависит в первую очередь от условий, при которых они затвердевали. Такие породы как гранит, которые охлаждались очень медленно и под большим давлением, полностью кристаллизовались; но многие виды лава выливались на поверхность и очень быстро охлаждались, и в этой последней группе небольшое количество аморфных или стеклянный дело обычное. Другие кристаллические породы, метаморфические породы, такие как шарики, слюдяные сланцы и кварциты, перекристаллизованы. Значит, сначала это были обломочные породы вроде известняк, сланец и песчаник и никогда не были в расплавленный условия не полностью в растворе, но условия высокой температуры и давления метаморфизм воздействовали на них, стирая их первоначальные структуры и вызывая перекристаллизацию в твердом состоянии.[11]

Другие горные кристаллы образовались в результате осаждения жидкостей, обычно воды, с образованием друзы или же кварц вены.Эвапориты Такие как Галит (минерал), гипс и некоторые известняки отложились из водного раствора, в основном из-за испарение в засушливом климате.

Лед

На водной основе лед в виде снег, морской лед, и ледники представляют собой обычные кристаллические / поликристаллические структуры на Земле и других планетах.[12] Один снежинка представляет собой монокристалл или набор кристаллов,[13] в то время как кубик льда это поликристалл.[14]

Органические кристаллы

Многие живые организмы могут производить кристаллы, например кальцит и арагонит в случае большинства моллюски или же гидроксилапатит в случае позвоночные.

Полиморфизм и аллотропия

Основные статьи: Полиморфизм (материаловедение) и Аллотропия

Одна и та же группа атомов может часто затвердевать разными способами. Полиморфизм это способность твердого тела существовать в более чем одной кристаллической форме. Например, вода лед обычно находится в гексагональной форме Лед Iчас, но также может существовать как кубическая Лед Ic, то ромбоэдрический лед II и многие другие формы. Разные полиморфы обычно называют разными. фазы.

Кроме того, те же атомы могут образовывать некристаллические фазы. Например, вода также может образовывать аморфный лед, а SiO2 может образовывать как плавленый кварц (аморфное стекло) и кварц (кристалл). Точно так же, если вещество может образовывать кристаллы, оно также может образовывать поликристаллы.

Для чистых химических элементов полиморфизм известен как аллотропия. Например, алмаз и графит две кристаллические формы углерод, пока аморфный углерод некристаллическая форма. Полиморфы, несмотря на наличие одинаковых атомов, могут иметь совершенно разные свойства. Например, алмаз является одним из самых твердых известных веществ, а графит настолько мягкий, что его используют в качестве смазки.

Полиаморфизм аналогичное явление, когда одни и те же атомы могут существовать более чем в одном аморфное твердое тело форма.

Кристаллизация

Основные статьи: Кристаллизация и Рост кристаллов
Вертикальный охлаждающий кристаллизатор на свекловичном сахарном заводе.

Кристаллизация - это процесс образования кристаллической структуры из жидкости или материалов, растворенных в жидкости. (Реже кристаллы могут быть депонированный прямо из газа; видеть осаждение тонких пленок и эпитаксия.)

Кристаллизация - сложная и широко изученная область, потому что в зависимости от условий отдельная жидкость может затвердеть во множество различных возможных форм. Это может сформировать монокристалл, возможно, с различными возможными фазы, стехиометрия, примеси, дефекты, и привычки. Или он может образовать поликристалл, с различными возможностями для размера, расположения, ориентации и фазы его зерен. Окончательная форма твердого вещества определяется условиями, при которых жидкость затвердевает, такими как химический состав жидкости, давление внешней среды, то температура, и скорость, с которой меняются все эти параметры.

Особые промышленные методы производства крупных монокристаллов (называемых буль ) включают Процесс Чохральского и Техника Бриджмена. В зависимости от физических свойств вещества могут использоваться другие менее экзотические методы кристаллизации, в том числе гидротермальный синтез, сублимация, или просто кристаллизация на основе растворителя.

Большие монокристаллы могут быть созданы геологическими процессами. Например, селенит кристаллы более 10 метры находятся в Пещера кристаллов в Найке, Мексика.[15] Подробнее о геологическом кристаллообразовании см. над.

Кристаллы также могут образовываться в результате биологических процессов, см. над. И наоборот, у некоторых организмов есть специальные методы для не допустить кристаллизация от возникновения, например антифризы протеины.

Дефекты, примеси и двойникование

Основные статьи: Кристаллографический дефект, Примесь, Кристаллическое двойникование, и Мозаичность
Два типа кристаллографических дефектов. В правом верхнем углу: краевая дислокация. Внизу справа: винтовая дислокация.

An идеальный В кристалле каждый атом находится в идеальном, точно повторяющемся узоре.[16] Однако в действительности большинство кристаллических материалов имеют множество кристаллографические дефекты, места прерывания узора кристалла. Типы и структура этих дефектов могут сильно влиять на свойства материалов.

Несколько примеров кристаллографических дефектов включают: вакансионные дефекты (пустое место, где должен поместиться атом), интерстициальные дефекты (лишний атом, втиснутый туда, где он не помещается), и вывихи (см. рисунок справа). Вывихи особенно важны в материаловедение, потому что они помогают определить механическая прочность материалов.

Другой распространенный тип кристаллографического дефекта - это примесь, что означает, что в кристалле присутствует атом «неправильного» типа. Например, идеальный кристалл алмаз будет содержать только углерод атомов, но настоящий кристалл, возможно, может содержать несколько бор атомы тоже. Эти примеси бора изменяют цвет алмаза до слегка синего. Точно так же единственная разница между Рубин и сапфир тип примесей, присутствующих в корунд кристалл.

Двойник пирит кристаллическая группа.

В полупроводники, особый тип примеси, называемый присадка, резко изменяет электрические свойства кристалла. Полупроводниковые приборы, Такие как транзисторы, стали возможными в основном благодаря размещению различных полупроводниковых добавок в разных местах по определенным схемам.

Twinning это явление где-то между кристаллографическим дефектом и граница зерна. Подобно границе зерен, двойниковая граница имеет разную ориентацию кристаллов с двух сторон. Но в отличие от границ зерен ориентации не случайны, а связаны определенным, зеркальным образом.

Мозаичность представляет собой разброс ориентаций кристаллических плоскостей. А мозаика кристалл Предполагается, что он состоит из более мелких кристаллических единиц, которые несколько смещены друг относительно друга.

Химические связи

В общем, твердые тела могут удерживаться вместе различными типами химические связи, Такие как металлические облигации, ионные связи, ковалентные связи, облигации Ван-дер-Ваальса, и другие. Ни один из них не обязательно является кристаллическим или некристаллическим. Однако можно выделить следующие общие тенденции.

Металлы почти всегда поликристаллические, хотя есть исключения, например аморфный металл и монокристаллические металлы. Последние выращиваются синтетическим путем. (Микроскопически маленький кусок металла может естественным образом превратиться в монокристалл, а более крупные - нет.) Ионное соединение материалы обычно кристаллические или поликристаллические. На практике большие соль кристаллы могут быть созданы путем затвердевания расплавленный жидкость, или путем кристаллизации из раствора. Ковалентно связанный твердые тела (иногда называемые твердые тела с ковалентной сеткой ) также очень распространены, примечательными примерами являются алмаз и кварц. Слабый силы Ван дер Ваальса также помогают удерживать вместе определенные кристаллы, например кристаллические молекулярные твердые вещества, а также межслойное соединение в графит. Полимер материалы обычно образуют кристаллические области, но длина молекул обычно препятствует полной кристаллизации, а иногда полимеры полностью аморфны.

Квазикристаллы

Материал гольмий-магний-цинк (Ho – Mg – Zn) образует квазикристаллы, который может принимать макроскопическую форму пятиугольный додекаэдр. Только квазикристаллы могут иметь эту 5-кратную симметрию. Края имеют длину 2 мм.
Основная статья: Квазикристалл

А квазикристалл состоит из массивов атомов, которые упорядочены, но не строго периодичны. У них много общих атрибутов с обычными кристаллами, например, отображение дискретного узора в дифракция рентгеновских лучей и возможность формировать фигуры с гладкими плоскими гранями.

Квазикристаллы наиболее известны своей способностью проявлять пятикратную симметрию, что невозможно для обычного периодического кристалла (см. кристаллографическая теорема ограничения ).

В Международный союз кристаллографии переопределил термин «кристалл», включив в него как обычные периодические кристаллы, так и квазикристаллы («любое твердое тело, имеющее по существу дискретные дифракция диаграмма "[17]).

Квазикристаллы, впервые открытые в 1982 г., на практике встречаются довольно редко. Известно, что только около 100 твердых тел образуют квазикристаллы по сравнению с примерно 400 000 периодических кристаллов, известных в 2004 году.[18] 2011 год Нобелевская премия по химии был присужден Дэн Шехтман за открытие квазикристаллов.[19]

Особые свойства от анизотропии

Смотрите также: Кристальная оптика

Кристаллы могут иметь определенные электрические, оптические и механические свойства, которые стекло и поликристаллы обычно не может. Эти свойства относятся к анизотропия кристалла, то есть отсутствие вращательной симметрии в его атомном расположении. Одним из таких свойств является пьезоэлектрический эффект, где напряжение на кристалле может сжимать или растягивать его. Другой двулучепреломление, где при просмотре кристалла появляется двойное изображение. Кроме того, различные свойства кристалла, в том числе электрическая проводимость, электрическая проницаемость, и Модуль для младших, могут быть разными в разных направлениях в кристалле. Например, графит кристаллы состоят из стопки листов, и хотя каждый отдельный лист механически очень прочен, листы довольно слабо связаны друг с другом. Поэтому механическая прочность материала сильно различается в зависимости от направления нагрузки.

Не все кристаллы обладают всеми этими свойствами. И наоборот, эти свойства не являются исключительными для кристаллов. Они могут появиться в очки или же поликристаллы что было сделано анизотропный к работающий или же стресс -Например, двойное лучепреломление, вызванное стрессом.

Кристаллография

Основная статья: Кристаллография

Кристаллография это наука об измерении Кристальная структура (другими словами, расположение атомов) кристалла. Одним из широко используемых методов кристаллографии является дифракция рентгеновских лучей. Большое количество известных кристаллических структур хранится в кристаллографические базы данных.

Галерея

  • Иней: Разновидность кристалла льда (снимок сделан с расстояния около 5 см).

  • Галлий, металл, который легко образует крупные кристаллы.

  • Кристалл апатита находится спереди и в центре на вишнево-красных ромбах родохроита, фиолетовых кубиках флюорита, кварце и присыпке медно-желтых кубиков пирита.

  • Буль из кремний, как и этот, являются важным типом промышленных монокристалл.

  • Образец, состоящий из кристалла халькопирита, покрытого борнитом, расположенного в слое прозрачных кристаллов кварца и блестящих кристаллов пирита. Кристалл, покрытый борнитом, имеет диаметр до 1,5 см.

  • Игольчатый миллерит кристаллы частично заключены в кальцит кристалл и окислился на своей поверхности до заратит; от Девонский Формация Милуоки из Висконсин

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Стивен Лоуэр. "Онлайн-учебник Chem1 - Состояния материи". Получено 2016-09-19.
  2. ^ Эшкрофт и Мермин (1976). Физика твердого тела.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  3. ^ κρύσταλλος, Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, Греко-английский лексикон, в цифровой библиотеке Персея
  4. ^ κρύος, Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, Греко-английский лексикон, в цифровой библиотеке Персея
  5. ^ "Словарь английского языка" Американское наследие ". Креус. 2000 г. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)CS1 maint: другие (связь)
  6. ^ Регал, Брайан. (2009). Лженаука: критическая энциклопедия. Гринвуд. п. 51. ISBN  978-0-313-35507-3
  7. ^ Патти Вигингтон (31 августа 2016 г.). «Использование кристаллов и драгоценных камней в магии». About.com. Получено 14 ноября 2016.
  8. ^ «Магия кристаллов и драгоценных камней». WitchesLore. 14 декабря 2011 г.. Получено 14 ноября 2016.
  9. ^ Наука о поверхности оксидов металлов, Виктор Э. Генрих, П. А. Кокс, стр. 28, ссылка на книги Google
  10. ^ Дж. Кресси и И. Ф. Мерсер, (1999) Кристаллы, Лондон, Музей естественной истории, стр. 58
  11. ^ Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из публикации, которая сейчас находится в всеобщее достояние: Флетт, Джон Смит (1911). "Петрология "В Чисхолме, Хью (ред.)". Британская энциклопедия. 21 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета.
  12. ^ Ёсинори Фурукава, «Лед»; Матти Леппяранта, «Морской лед»; Д.П. Добхал, «Ледник»; и другие статьи в Vijay P. Singh, Pratap Singh, and Umesh K. Haritashya, eds., Энциклопедия снега, льда и ледников (Дордрехт, Нью-Йорк: Springer Science & Business Media, 2011). ISBN  904812641X, 9789048126415
  13. ^ Либбрехт, Кеннет; Крыло, Рэйчел (2015-09-01). Снежинка: Зимний ледяной артистизм. Voyageur Press. ISBN  9781627887335.
  14. ^ Хьорт-Хансен, Э. (19.10.2017). Snow Engineering 2000: последние достижения и разработки. Рутледж. ISBN  9781351416238.
  15. ^ «Пещера хрустальных гигантов - журнал National Geographic». nationalgeographic.com.
  16. ^ Великобритания), Совет по научным исследованиям (Великобритания, 1972 г.). Отчет Совета. H.M. Канцелярские товары Офис.
  17. ^ Международный союз кристаллографии (1992). «Отчет исполкома за 1991 год». Acta Crystallogr. А. 48 (6): 922–946. Дои:10.1107 / S0108767392008328. ЧВК  1826680.
  18. ^ Steurer W. (2004). «Двадцать лет структурных исследований квазикристаллов. Часть I. Пентагональные, восьмиугольные, декагональные и додекагональные квазикристаллы». З. Кристаллогр. 219 (7–2004): 391–446. Bibcode:2004ЗК .... 219..391С. Дои:10.1524 / zkri.219.7.391.35643.
  19. ^ «Нобелевская премия по химии 2011 г.». Nobelprize.org. Получено 2011-12-29.

дальнейшее чтение