عند النظر إلى البلورات والأحجار الكريمة ، يريد المرء أن يفهم كيف يمكن أن يظهر هذا الجمال الغامض ، وكيف يتم إنشاء مثل هذه الأعمال الرائعة من الطبيعة. هناك رغبة في معرفة المزيد عن ممتلكاتهم. بعد كل شيء ، هيكل الكريستال المتكرر الخاص الذي لا يوجد في أي مكان في الطبيعة يسمح باستخدامها في كل مكان: من المجوهرات إلى أحدث الاختراعات العلمية والتقنية.
دراسة المعادن البلورية
إن بنية وخصائص البلورات متعددة الأوجه لدرجة أن علمًا منفصلاً ، وهو علم المعادن ، يشارك في دراسة ودراسة هذه الظواهر. كان الأكاديمي الروسي الشهير ألكساندر إيفجينيفيتش فيرسمان منغمسًا ومفاجئًا من تنوع عالم البلورات ولانهائية لدرجة أنه حاول أن يأسر أكبر عدد ممكن من العقول بهذا الموضوع. في كتابه الترفيهي في علم المعادن ، حث بحماس ودفء على التعرف على أسرار المعادن والانغماس في عالم الأحجار الكريمة:
أريدك حقًايأسر. أريدك أن تبدأ في الاهتمام بالجبال والمحاجر والمناجم والمناجم ، حتى تبدأ في جمع مجموعات من المعادن ، بحيث تريد أن تذهب معنا من المدينة البعيدة ، إلى مجرى النهر ، حيث هناك هي ضفاف صخرية عالية ، على قمم الجبال أو إلى شاطئ البحر الصخري ، حيث يتكسر الحجر ، أو يتم استخراج الرمال ، أو ينفجر الخام. هناك ، في كل مكان ، ستجد أنا وأنت شيئًا لنفعله: وفي الصخور الميتة والرمال والحجارة ، سنتعلم قراءة بعض قوانين الطبيعة العظيمة التي تحكم العالم بأسره والتي بموجبها يُبنى العالم كله.
تدرس الفيزياء البلورات ، بحجة أن أي جسم صلب حقًا هو بلور. تبحث الكيمياء في التركيب الجزيئي للبلورات ، وتوصلت إلى استنتاج مفاده أن أي معدن له بنية بلورية.
دراسة الخصائص المذهلة للبلورات ذات أهمية كبيرة لتطوير العلوم الحديثة والتكنولوجيا وصناعة البناء والعديد من الصناعات الأخرى.
القوانين الأساسية للبلورات
أول ما يلاحظه الناس عند النظر إلى الكريستال هو شكله المثالي متعدد الأوجه ، لكنه ليس السمة الرئيسية للمعدن أو المعدن.
عندما يتم تكسير البلورة إلى أجزاء صغيرة ، لن يتبقى شيء من الشكل المثالي ، لكن أي جزء ، كما كان من قبل ، سيبقى بلورًا. السمة المميزة للبلور ليس مظهره ، ولكن السمات المميزة لهيكله الداخلي.
متماثل
أول شيء يجب تذكره وملاحظته عند دراسة البلورات هي الظاهرةتناظر. إنه منتشر في الحياة اليومية. أجنحة الفراشة متناظرة ، وهي بصمة لطخة على قطعة من الورق مطوية من المنتصف. بلورات ثلجية متناظرة. ندفة الثلج السداسية لها ست مستويات من التماثل. من خلال ثني الصورة على طول أي خط يصور مستوى تناظر ندفة الثلج ، يمكنك الجمع بين نصفيها مع بعضهما البعض.
يتميز محور التناظر بخاصية أنه من خلال تدوير الشكل بزاوية معروفة حوله ، يمكن الجمع بين أجزاء مناسبة من الشكل مع بعضها البعض. اعتمادًا على حجم الزاوية المناسبة التي يجب تدوير الشكل بها ، يتم تحديد محاور الترتيب الثاني والثالث والرابع والسادس في البلورات. وهكذا ، في رقاقات الثلج ، يوجد محور تناظر واحد من الدرجة السادسة ، وهو عمودي على مستوى الرسم.
مركز التناظر هو نقطة في مستوى الشكل ، على نفس المسافة التي منها في الاتجاه المعاكس هي نفس العناصر الهيكلية للشكل.
ماذا بالداخل؟
التركيب الداخلي للبلورات هو نوع من توليفة من الجزيئات والذرات بترتيب خاص بالبلورات فقط. كيف يعرفون التركيب الداخلي للجسيمات إذا لم تكن مرئية حتى بالمجهر؟
تستخدم الأشعة السينية لهذا الغرض. باستخدامهم في البلورات الشفافة ، وضع الفيزيائي الألماني M. Laue ، والفيزيائيون الإنجليزيون الأب وابنه Bragg ، والبروفيسور الروسي Yu. Wolf القوانين التي يتم بموجبها دراسة بنية وهيكل البلورات.
كل شيء كان مفاجئا وغير متوقع. ساموتبين أن مفهوم بنية الجزيء غير قابل للتطبيق على الحالة البلورية للمادة.
على سبيل المثال ، مادة معروفة مثل ملح الطعام لها التركيب الكيميائي لجزيء كلوريد الصوديوم. لكن في البلورة ، لا تتراكم الذرات الفردية للكلور والصوديوم لفصل الجزيئات ، ولكنها تشكل تكوينًا معينًا يسمى الشبكة المكانية أو البلورية. أصغر جزيئات الكلور والصوديوم مرتبطة كهربائيًا. تتكون الشبكة البلورية للملح على النحو التالي. يتم إدخال أحد إلكترونات التكافؤ للقشرة الخارجية لذرة الصوديوم في الغلاف الخارجي لذرة الكلور ، والتي لا تمتلئ بالكامل بسبب عدم وجود الإلكترون الثامن في الغلاف الثالث للكلور. وهكذا ، في البلورة ، لا ينتمي كل أيون من كل من الصوديوم والكلور إلى جزيء واحد ، بل ينتمي إلى البلورة بأكملها. نظرًا لحقيقة أن ذرة الكلور أحادية التكافؤ ، فيمكنها ربط إلكترون واحد فقط بنفسها. لكن السمات الهيكلية للبلورات تؤدي إلى حقيقة أن ذرة الكلور محاطة بست ذرات صوديوم ، ومن المستحيل تحديد أي منها سيتشارك الإلكترون مع الكلور.
اتضح أن الجزيء الكيميائي لملح الطعام وبلورته ليسا نفس الشيء على الإطلاق. البلورة المفردة بأكملها تشبه جزيء واحد عملاق.
مصبغة - موديل فقط
يجب تجنب الخطأ عندما يتم أخذ الشبكة المكانية كنموذج حقيقي للبنية البلورية. شعرية - نوع من الصورة الشرطية لمثال على اتصال الجسيمات الأولية في بنية البلورات. نقاط اتصال الشبكة على شكل كراتتسمح لك بصريًا بتصوير الذرات ، والخطوط التي تربطها هي صورة تقريبية لقوى الربط بينهما.
في الواقع ، الفجوات بين الذرات داخل البلورة أصغر بكثير. إنها تعبئة كثيفة للجزيئات المكونة لها. الكرة هي تسمية تقليدية للذرة ، يتيح استخدامها إمكانية عكس خصائص التعبئة القريبة بنجاح. في الواقع ، لا يوجد اتصال بسيط للذرات ، ولكن هناك تداخل جزئي متبادل مع بعضها البعض. بمعنى آخر ، صورة الكرة في بنية الشبكة البلورية هي ، من أجل الوضوح ، الكرة المصورة لنصف القطر الذي يحتوي على الجزء الرئيسي من إلكترونات الذرة.
تعهد القوة
هناك قوة جذب كهربائية بين اثنين من الأيونات المشحونة عكسيا. وهو مادة رابطة في تركيب البلورات الأيونية مثل ملح الطعام. ولكن إذا قربت الأيونات كثيرًا ، فستتداخل مداراتها الإلكترونية مع بعضها البعض ، وستظهر قوى التنافر للجسيمات المتشابهة الشحنة. داخل البلورة ، يتم توزيع الأيونات بحيث تكون قوى التنافر والجاذبية متوازنة ، مما يوفر قوة بلورية. هذا الهيكل نموذجي للبلورات الأيونية.
وفي المشابك البلورية للماس والجرافيت يوجد اتصال بين الذرات بمساعدة الإلكترونات المشتركة (الجماعية). تحتوي الذرات المتقاربة على إلكترونات مشتركة تدور حول نواة ذرة واحدة وذرة مجاورة.
دراسة مفصلة لنظرية القوى بهذه الروابط صعبة للغاية وتكمن في مجال ميكانيكا الكم.
الاختلافات المعدنية
هيكل البلورات المعدنية أكثر تعقيدًا. نظرًا لحقيقة أن ذرات المعدن تتبرع بسهولة بالإلكترونات الخارجية المتاحة ، يمكنها التحرك بحرية عبر الحجم الكامل للبلورة ، مكونة ما يسمى بغاز الإلكترون بداخلها. بفضل هذه الإلكترونات "المتجولة" ، يتم تكوين القوى التي تضمن قوة سبيكة المعدن. تُظهر دراسة بنية البلورات المعدنية الحقيقية أنه ، اعتمادًا على طريقة تبريد سبيكة معدنية ، قد تحتوي على عيوب: السطح والنقطة والخطية. حجم هذه العيوب لا يتجاوز قطر عدة ذرات ، لكنها تشوه الشبكة البلورية وتؤثر على عمليات الانتشار في المعادن.
نمو الكريستال
لفهم أكثر ملاءمة ، يمكن تمثيل نمو مادة بلورية على أنه تشييد هيكل من الطوب. إذا تم تقديم لبنة واحدة من البناء غير المكتمل كجزء لا يتجزأ من البلورة ، فمن الممكن تحديد مكان نمو البلورة. خصائص الطاقة في البلورة تجعل الطوب الموضوع على الطوب الأول سيختبر جاذبية من جانب واحد - من الأسفل. عند الاستلقاء على الجانب الثاني - من الجانبين ، والثالث - من ثلاثة. في عملية التبلور - الانتقال من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة - يتم إطلاق الطاقة (حرارة الانصهار). لأكبر قوة للنظام ، يجب أن تميل طاقته الممكنة إلى الحد الأدنى. لذلك ، يحدث نمو البلورات طبقة تلو طبقة. أولاً ، سيكتمل صف من الطائرة ، ثم الطائرة بأكملها ، وعندها فقط سيبدأ بناء المستوى التالي.
علمبلورات
ينص القانون الأساسي لعلم البلورات - علم البلورات - على أن جميع الزوايا بين المستويات المختلفة للوجوه البلورية ثابتة دائمًا ومتشابهة. بغض النظر عن مدى تشوه البلورة النامية ، فإن الزوايا بين وجوهها تحتفظ بنفس القيمة الكامنة في هذا النوع. بغض النظر عن الحجم والشكل والعدد ، تتقاطع وجوه المستوى البلوري نفسه دائمًا بنفس الزاوية المحددة مسبقًا. تم اكتشاف قانون ثبات الزوايا بواسطة M. V. لعب لومونوسوف عام 1669 دورًا رئيسيًا في دراسة بنية البلورات.
تباين الخواص
خصوصية عملية تكوين الكريستال ترجع إلى ظاهرة تباين الخواص - الخصائص الفيزيائية المختلفة تعتمد على اتجاه النمو. البلورات المفردة توصل الكهرباء والحرارة والضوء بشكل مختلف في اتجاهات مختلفة ولها قوة غير متكافئة.
وهكذا ، فإن نفس العنصر الكيميائي مع نفس الذرات يمكن أن يشكل شبكات بلورية مختلفة. على سبيل المثال ، يمكن أن يتبلور الكربون إلى الماس ثم إلى الجرافيت. في نفس الوقت ، الماس هو مثال على القوة القصوى بين المعادن ، والجرافيت يترك موازينه بسهولة عند الكتابة بقلم رصاص على الورق.
قياس الزوايا بين وجوه المعادن له أهمية عملية كبيرة لتحديد طبيعتها.
الميزات الأساسية
بعد أن تعلمنا السمات الهيكلية للبلورات ، يمكننا وصف خصائصها الرئيسية بإيجاز:
- تباين الخواص - خصائص غير متساوية في اتجاهات مختلفة.
- التوحيد - الابتدائيةمكونات البلورات ، متباعدة بشكل متساوٍ ، لها نفس الخصائص.
- القدرة على القطع الذاتي - أي جزء من الكريستال في وسط مناسب لنموه سوف يتخذ شكلًا متعدد الأوجه وسيتم تغطيته بأوجه تتوافق مع هذا النوع من البلورات. هذه الخاصية هي التي تسمح للكريستال بالحفاظ على تناسقها.
- ثبات درجة الانصهار. دائمًا ما يحدث تدمير الشبكة المكانية للمعدن ، أي انتقال مادة بلورية من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة ، عند نفس درجة الحرارة.
البلورات هي مواد صلبة اتخذت الشكل الطبيعي لمتعدد الوجوه المتماثل. خدم هيكل البلورات ، الذي يتميز بتكوين شبكة مكانية ، كأساس للتطور في الفيزياء لنظرية التركيب الإلكتروني للمادة الصلبة. تعتبر دراسة خصائص وبنية المعادن ذات أهمية عملية كبيرة.
