Център поИнформатика и Технически Науки

Курсова работа

по Материалознание за електрониката

На тема

КЛАСИФИКАЦИЯ НА КРИСТАЛИТЕ

Разработил:…………Огнян Христов СтоевФак.№ 10321019КСТ-1курс, 1 група

Проверил: …………доц. д-р С.Лецковска

СЪДЪРЖАНИЕ:

Класификация на кристалите.......................................стр.3

Класификация на кристалите според природата на химичните връзки.........................................................................................стр.6

Класификация на кристалите според вида на кристалната решетка.....................................................................................стр.8

Образуване на кристалите в природата......................стр.13

Използвана литература.........................................................стр.15

2 от 15

КЛАСИФИКАЦИЯ НА КРИСТАЛИТЕ

Думата “кристал” е гръцка и означава “лед”. Древните гърци са наричали бистрия и прозрачен кварц “планински кристал”, тъй като са смятали, че той се образува както и ледът при ниска температура. Дълго време понятието “кристал” се е свързвало с представата за чисто и прозрачно тяло. В природата обаче се срещат и аморфни вещества с такива свойства. В последствие изследователите наричат кристали твърдите вещества с правилна външна форма и изучават тяхната геометрия. В природата обаче сравнително рядко се срещат добре остенени кристали.

Развитието на физиката и химията спомага за изучаване на вътрешното устройство на кристалите. Установява се, че те са изградени от правилно и закономерно подредени градивни частици.

За веществата са характерни три агрегатни състояния (фази) - твърдо, течно и газообразно. Разликата между тях се състои в различната подвижност на градивните частици (молекули, атоми и йони). При газовете и течностите те извършват постъпателни (браунови) и колебливи движения и притежават по-голяма енергия. Затова те нямат постоянен обем и форма. Твърдите тела се получават при преминаването от течно или газообразно състояние в твърдо. Градивните частици при това могат да се разположат по два начина. Когато молекулите, йоните и атомите се установяват в безредно състояние се образуват аморфни вещества. Най-често този случай се среща при бързо охлаждане на течност. ,,Аморфен” от гръцки значи безформен. Такива твърди тела са например стъклото, смолите и други. Такъв е минералът опал. От физико-химична гледна точка аморфните тела се разглеждат като “преохладени течности”. Те нямат определена форма и химичен състав. Техните свойства са еднакви в различните посоки, т. е. те са изотропни. Отсъствието на закономерност в разположението на атомите, молекулите и йоните е характерно за аморфните вещества.

Вторият случай е когато градивните частици се подреждат правилно, закономерно, на строго определено разстояние. Той се проявява при постепенно и бавно понижаване на температурата на огнетечни стопилки, наситени разтвори или при бавно изпаряване на разтворители. Скоростта на частиците бавно и постепенно намалява.

На фигурата в точка L се създават условия за образуване на кристали. В участъка L - M температурата на разтвора остава постоянна, въпреки охлаждането на системата. Това се дължи на трансформирането на кинетичната енергия на градивните частици в топлинна, до момента на преустановяване на движението им. В този участък съществуват едновременно и течна и твърда фаза. Образуването на кристалите се придружава от отделяне на енергия - енергия на кристализация. Ето защо те притежават минимална вътрешна енергия. Градивните частици в тях извършват само един вид движения - колебателни. Затова и кристалите имат постоянен обем и постоянна форма. Те са устойчиви (статични). За да се стопи кристала е необходимо възвръщане на загубената енергия и преходът от твърдо кристално състояние в течно е съпроводен с поглъщане на топлина - топлина на топене. Когато охлаждането на течността е много бързо твърдата фаза възниква постепенно и кривата на охлаждането плавно имитира кривата на кристализация. В тези случаи се получават аморфни вещества. Градивните частици в тях са разпределени хаотично както това в газовете и течностите. Те извършват колебателни и силно забавени движения. С течение на времето молекулите, атомите и йоните в тях могат да се подредят закономерно. Ето защо аморфните твърди тела са неустойчиви (метастабилни) и могат да преминат в кристално състояние.

3 от 15

Характерни особености на кристалите са тяхната еднородност, анизотропност, статичност и способност за самоограждане с плоски стени.

Еднородни са такива тела, всички части на които притежават еднакъв състав и строеж. Еднородността на кристалите се дължи на закономерното подреждане на градивните частици в тях. Природните кристали често съдържат включения или имат дефекти в своя строеж. В лабораторни условия могат да се получат еднородни кристали, които се използуват за получаване на чисти вещества и в техниката.

Кристалите проявяват физичните си свойства като твърдост, цепителност и прозрачност по различен начин в различни посоки и направления. Това явление се нарича анизотропност.

Анизотропията на кристалните вещества се дължи на тяхната вътрешна структура. Чрез дифракция на рентгенови лъчи от различни видове кристали е доказано експериментално, че те са изградени от правилно подредени в пространството частици, които образуват т.нар. кристална решетка. Това е присъщо на кристалното състояние на веществата правилно разположение на частиците (атоми, йони, молекули), което се повтаря периодично в трите измерения на пространството. По този начин кристалната решетка може да се разглежда като получена чрез многократна транслация по трите координатни оси на правоъгълна координатна система на една геометрична фигура, образувана от изграждащите кристалната решетка частици, наречена елементарна клетка. Кристалната решетка се характеризира със своето координационно число. То представлява броят на най-близките съседи в кристалната решетка. Обикновено то е 6, 8 или 12. Например кристалите на минерала кианит по посока на удължението им имат твърдост 4.5, а в напречна посока - 7. От тук и неговото друго име дистен, което означава двояко твърд.

Някои вещества в зависимост от условията на кристализиране могат да изграждат различни видове кристална решетка. Явлението се нарича полиморфизъм. Обикновено преходът от една полиморфна форма в друга е твърде бавен, поради което при определени условия могат да бъдат практически устойчиви две или повече полиморфни форми.

Някои кристали по отношение на разпространението на топлината и светлината в тях са изотропни.

Характерно свойство само за кристалите е способността им да се самоограничават с кристални стени. Тя се дължи на различната скорост, с която кристалите нарастват в различни посоки. Ако късче от кристал поставим в преситен разтвор от съответното вещество, след време то ще се огради с плоски стени и ще се получи многостенна геометрична форма, която е характерна само за това вещество. Следователно кристалите са предимно твърди тела, които се самоограждат с плоски стени в резултат на закономерното триразмерно подреждане на молекулите, атомите и йоните.

Съществува клас органични вещества, които образуват течни кристали. Подредеността на молекулите в тях не е тримерна, както в твърдите кристали, но тя не е и хаотична, както в течностите и има промеждутъчен характер. Течните кристали възникват в определен температурен интервал в прехода от твърд в течен и течен кристал в изотропна течност. Молекулите на течните кристали имат силно удължена форма и са нискосиметрични или асиметрични. Те могат да се ориентират под въздействието на електрично или магнитно поле, като образуват осева текстура. Течните кристали притежават характерни оптични свойства и намират широко приложение.

Кристалните тела могат да бъдат монокристални или поликристални, т.е. да се състоят от един или много на брой кристали (зърна). Принципна разлика между монокристалите и зърната в поликристалните тела няма. Формата и размерите им зависят от условията, при които се осъществява кристализацията. Класифицирането на кристалите се прави по другите два съществени признака: природа на междуатомните и междумолекулните връзки; вид на кристалографските решетки.

Кристалните решетки се разделят на няколко вида в зависимост от вида на частиците, които се намират във възлите на елементарната решетка и от характера на химичните връзки между тях.

Атомната кристална решетка е изградена от един или няколко вида атоми, свързани помежду си с ковалентни химични връзки. Целият кристал може да се разглежда като една гигантска молекула. Атомни кристални решетки притежават диамантът, някои от алотропните

4 от 15

модификации на силиция, германия, калая, накои фосфиди, арсениди, нитриди и др. Някои от тях проявяват полупроводникови свойства. В атомните кристали частиците са ориентирани по посока на химичната връзка. Поради това в тях не винаги се спазва принципът за най-плътна опаковка, който е определящ за йонните и метални кристални решетки. Веществата с атомна кристална решетка са високотопими, твърди, крехки и неразтворими.

Йонната кристална решетка е изградена от положително и отрицателно заредени йони. Такава решетка могат да образуват само сложните вещества, състоящи се от елементи с голяма разлика в електроотрицателността. Йонна е и връзката в кристали, изградени от сложни йони - NaSO4, NH4Cl, (NH4)2SO4 и други.

В кристалната решетка всеки йон е обграден от йони с противоположен заряд и привличането преобладава пред отблъскването. Електростатичните сили между йоните са твърде големи, поради което йонните кристални вещества са твърди и високотопими.

При ниски температури йонните кристали не провеждат електрически ток, защото практически всички електрони са локализирани в йоните, а йонната проводимост, дължаща се на дефекти в кристалната решетка, е незначителна. В стопилка или във воден разтвор йонните съединения добре провеждат електрически ток, поради наличието на електрически заредени частици. Химичната връзка в йонните кристали не е насочена и не може да се насища. Поради това всеки йон се стреми да се обгради с максимален брой противоположно заредени йони. Техният брой зависи от отношението на радиусите на двата вида йони.

Характерна особеност на атомната и йонната кристална решетка е, че за тях не важи понятието молекула. Кристалът е едно цяло и в зависимост от големината си съдържа различен, но винаги много голям брой частици.

Металната кристална решетка е изградена само от катиони. Стабилността и е обособена от особен вид химична връзка, присъща само на металите в твърдо и течно агрегатно състояние. Металите притежават редица общи свойства: висока електро- и топлопроводимост, висока пластичност, способност да отразяват голяма част от падналите върху тях светлинни лъчи, които не са присъщи на останалите кристални тела. Тези физични характеристики на металите се дължат на свободно движещите се в металните кристали електрони.

Взаимодействието между свободните електрони и намиращите се във възлите на кристалната решетка катиони не е насочено и не се насища. Поради това металите кристализират в такъв тип кристална решетка, който осигурява максимално плътно подреждане на катионите.

В молекулната кристална решетка градивната единица е молекулата. Отделните молекули са свързани помежду си с водородни или междумолекулни връзки, които са много по-слаби от другите видове химична връзка. Поради това молекулните кристали имат малка здравина и ниска температура на топене. Кристали от такъв тип образуват повечето вещества с ковалентна химична връзка, които при обикновена температура са газообразни, както и кристалите на повечето органични съединения.

Известна е група кристални вещества, които имат в кристалната си решетка едновременно два вида химична връзка. Това са кристали със смесени връзки. Такъв кристал е например ледът (помежду си молекулите на водата са свързани с водородни и междумолекулни връзки) или графитът (връзките в един слой са ковалентни, а между отделните слоеве се движат свободни електрони, което обуславя металната химична връзка).

5 от 15

КЛАСИФИКАЦИЯ НА КРИСТАЛИТЕСПОРЕД ПРИРОДАТА НА ХИМИЧНИТЕ ВРЪЗКИ

Основните връзки в кристалите могат да бъдат: химични, които са главно три вида - ковалентни (хомеополярни), йонни (хетерополярни) и метални; смесени - различни комбинации на химични връзки; междумолекулни - силите на Ван дер Ваалс между молекули с различен вид химични връзки на атомите в тях. Тези връзки (сили) са основа и за една от класификациите на кристалите.

А. Метални кристали. Характерни са за най-разпространената в техниката група от материали. Това са металните материали, които могат да бъдат с относително голяма чистота (чисти метали) или сплави. Сплавите са съставени от няколко химични елемента, от които поне един е елемент от групата на металите, при това в достатъчно количество, за да предопредели природата на кристала. Може да се приеме, че атомите в металните кристали се намират в йонизирано състояние, тъй като валентните им електрони лесно се откъсват и част от тях образуват т.нар. електронен газ. Всеки откъснал се електрон, като частица от електронния газ, не принадлежи към едно определено атомно ядро, а към целия метален къс. Движението на тези електрони наподобява движение на частици от идеален газ, но е ограничено от привличането на най-близките в даден момент йони. Връзката между атомите се обуславя от взаимодействието между йоните и електроните. Ако няма свободни електрони, кристалът би се разпаднал от отблъскването на положително заредените йони. При наличие на тези електрони силите на привличането им с йоните се уравновесяват със силите на отблъскване между йоните. Това схематично е представено на фиг. 1.

Фиг. 1. Схема на привличането между йони и общи валентни електрони

Двата положителни йона се привличат от няколко, разположени в даден момент между тях, електрона. На схемата е пренебрегнато наличието на други съседни йони. Очевидно всички сили на привличане имат компоненти, които се стремят да приближат положително заредените йони един към друг. Резултантната сила на привличане се увеличава, когато йоните се доближават, и се намалява, когато те се отдалечават. Положението е аналогично на това при молекулите и също се характеризира с някакво равновесно разстояние. Затова всеки атом се стреми да запазва това разстояние и извършва трептеливо, движение около център, определен от него. Трептенията се извършват във всички направления и имат сложен характер. Движението на всеки атом се предава и на останалите. Затова би трябвало да се говори не за трептене на отделни атоми, а за взаимосвързано трептене на всички атоми в кристала. За разлика от всички останали междуатомни връзки металната връзка няма, насочен характер. Това осигурява специфични свойства на металните материали, които ги различават съществено от останалите.

Б. Ковалентни кристали. Характерни са за всички вещества, които образуват молекули с ковалентна връзка между атомите, но при кристализирането молекулите загубват своята индивидуалност и целият кристал играе роля на една молекула. Обединяването на валентни електрони по двойки създава електронни "мостове" между атомите и затова връзките в кристалите имат геометрично насочен характер в определени направления на кристала. Тези кристали са особено характерни за полупроводниковите материали, за диаманта, както и за някои диелектрични материали.

Ковалентната връзка (атомна, хомеополярна) се осъществява посредством общи електрони. Възникващото “сгъстяване“ на отрицателния заряд привлича към себе си ядрата на

6 от 15

взаимодействащите атоми и ги задържа в строго определено положение по отношение един към друг. Числото на ковалентните връзки е ограничено.

Схематично изобразяване на метална връзка (а) и ковалентна връзка (б)

Минералите с преобладаваща ковалентна връзка имат малка плътност, слаба проводимост, висока температура на топене. Кристалите в които доминира ковалентната връзка са крехки и твърди. Те обикновено са прозрачни. Имат висок показател на лъчепречупване и силен “диамантов“ блясък. Ковалентната връзка е характерна за диаманта, кварца, корунда и каситерита.

Ковалентната връзка може да се образува между еднакви и между различни атоми. В молекулите, състоящи се от еднакви атоми, “сгъстяването”“ на отрицателния заряд се намира на равно разстояние от центровете на двете ядра. Положителните и отрицателните заряди се оказват при това разположени симетрично. Такава връзка се нарича неполярна. Електронната двойка на неполярната връзка в еднаква степен принадлежи и към двата свързани атома .

Когато връзката възниква между атоми на различни елементи, то един от тях като правило привлича общата електронна двойка по-силно, отколкото другата. Симетрията на разпределение на зарядите при това се нарушава. Връзката става полярна. Като частен случай се явява, когато общите електрони могат да бъдат напълно “притеглени“ от един от атомите в състава на своята обвивка и ковалентната връзка се преобразува в йонна.

В. Йонни кристали. Йонната връзка възниква при електростатично взаимодействие на различно заредени йони. В йонните съединения атомите на неметалите допълват своя електронен слой до устойчива конфигурация за сметка на електроните на металите. В този и в други случаи електронеутралността на атомите се нарушава: атомите на неметалите приемат отрицателен заряд, превръщат се в аниони, атомите на металите се превръщат в катиони. Противойоните се привличат един към друг, подчинявайки се на закона на Кулон, дотогава докато силата на тяхното притегляне не се изравни със силата на отблъскване на атомните ядра.

Кристалите с йонна връзка са диелектрични. Те са по-малко плътни, имат лоша топлопроводност и ниска температура на топене, прозрачност, нисък показател на лъчепречупване и “стъклен“ блясък . Много минерали, които имат йонна връзка се разтварят във вода. Йонната връзка е доминираща за такива минерали като халит и силвин.

Електростатичното привличане между катионите и анионите създава подчертано насочен характер на химичните връзки в кристалите.

Г. Молекулни кристали. Характерни са за елементи от групата на благородните газове, за повечето органични и някои други съединения. Градивни частици при тях са съответно едноатомните молекули на благородните газове или сложните молекули на съединенията (фиг. 2). Това е най-типично за полимерните материали. Привличането между молекулите се дължи на слабите електростатични сили на Ван дер Ваалс. Поради това те имат лоши механични свойства и трудно преминават от течно в кристално състояние.

Фиг. 2. Схема на двумерен модел на кристал от полимерен материал

Сили на Ван дер Ваалс между две молекули

7 от 15

Както при молекулите в газообразно и в течно състояние, така и в кристалите се среща голямо разнообразие от смесен тип междуатомни връзки. Например йонно-метални, ковалентно-йонни и др.

КЛАСИФИКАЦИЯ НА КРИСТАЛИТЕСПОРЕД ВИДА НА КРИСТАЛНАТА РЕШЕТКА

Външната симетрия на кристалите е давала на учените основание да изкажат редица хипотези за техния вътрешен строеж. Кристиян Хюйгенс счита, че кристалите на калцита са изградени при правилно подреждане на частици с формата на ротационен елипсоид, като така обяснява и цепителността на кристалите. В 1688 г. италианецът Доменико Гулиелмани изказва предположението, че крайните частици, от които е построен кристала представляват малки кристалчета с формата на макрокристала. През 1749 г. М. Ломоносов създава т. н. корпускулярна теория, според която най-малките частици на материята - корпускулите имат сферична форма. Цепителността на кристалите дава основание на френския кристалограф Рене Жуст Ои да предположи, че кристалите са изградени от интегрални молекули и създава т. н. дескресцентна теория. Използувайки тази теория той извежда закона за рационалните параметрични отношения.

През 1812 г. У. Х. Уоластон предлага отделните интегрални молекули да бъдат заменени от вписани в тях сфери. Сферите се заменят с точките на геометричните им центрове. Съвремените теории за строежа на кристалите използуват именно тази идея на Уоластон. Всяка точка представлява геометричен център на атом, молекула или групировки, които се повтарят до безкрайност в пространството. Тези точки се означават като възли.

Възлите са безброй. Те са разположени равномерно в прави линии като образуват възлови редици. Разстоянието между отделните възли се нарича период на идентичност. Възловите редици отговарят на ръбовете на кристала или на важни кристалографски направления в него. Възловите редици образуват равнинна мрежа. Това са равнини с равномерно разположени върху тях възли . В равнинната мрежа могат да бъдат прокарвани елементарни паралелограми с възли само по върховете на неелементарни паралелограми, които имат възли и във вътрешността си. Основен примитивен паралелограм е този, който при една и съща площ има най-малък периметър.

Две пресичащи се равнинни мрежи очертават една пространствена решетка.

Пространствената решетка е безкрайна постройка, която се получава чрез паралелно пренасяне (транслиране) на един и същи паралелепипед по посока на кристалографските оси. Този паралелепипед се означава като елементарен (основна или елементарна клетка на решетката). Неговите ребра (а, в ,с) имат най-малък период на идентичност по посока на кристалографските оси. Те сключват помежду си три основни ъгъла (фиг. 3). Елементарната клетка има минимален обем. Дължината на ребрата и ъглите сключени между тях се наричат геометрични параметри на пространствената решетка.

8 от 15

За удобство кристалографските решетки се представят с т.нар. елементарна кристална решетка или кристална клетка (фиг. 3).

Фиг. 3. Схема на елементарна кристална решетка

Това е най-малката геометрична фигура, чието многократно повторение възпроизвежда кристалографската решетка. Формата на тази елементарна клетка зависи от природата на кристала, а не от това колко голям обем от него ще бъде начертан и с какви разрези.

Като фигура елементарната клетка напомня и пространственото изображение на молекула, но молекулите са химични свързани комплекси от атоми с определен брой и вид. Връзките на молекулите със съседите им най-често са от типа на междумолекулните сили на Ван дер Ваалс (фиг. 2). Не може да се говори за характер на връзките между отделни елементарни клетки в кристала, защото няма разлика (фиг. 4) в междуатомните връзки, например на атом А със съседите му, номерирани на фигурата от 1 до 6.

Фиг. 4. Схема на проста кубична кристална решетка

Всеки кристален вид се характеризира с определен вид кристална клетка, а всяка клетка - с форма и размери, определени от разстоянията между атомите и от ъглите, които сключват помежду си кристалографските равнини. Тези разстояния и ъгли са т.нар, параметри на решетката.

Според, елементарната кристална клетка кристалите се групират в седем системи, наречени с и н г о н и и . Те са:

а) кубична сингония - a b c; 90°. Съществуват обикновени или "прости" (фиг. 4), обемноцентрирани (фиг. 5а), стенноцентрирани (фиг. 5б) и други видове кубични клетки.

9 от 15

Фиг. 6. Кристална решетка изобразена чрез множество кристални клетки - прости хексагонални

а б в

Фиг. 5. Кристални решетки характерни за металите

б) тетрагонална сингония - a b c; 90°. Съществуват обикновени и обемноцентрирани видове;

в) хексагонална сингония - a b c; 90°; 120°, Биват: обикновени (фиг. 6) и плътноопаковани (фиг. 5в); , •

г)моноклинна сингония - a b c; 90°; 90°;д) ромбична сингония - a b c; 90°;е) тригонална сингония - a b c; 90°;

ж) триклинна сингония - a b c; 90°; 90° 90°; .Важни характеристики на всяка кристална клетка са координационното число и броят на

атомите, които я образуват.

Координационно число се нарича броят на атомите, които са еднакво отдалечени и на най-малко разстояние спрямо даден (кой да е) атом. Простата кубична клетка има координационно число 6, защото всеки атом от нея, например атом А (фиг. 4), има 6 съседа, които са отдалечени на едно и също разстояние а. В случая параметърът на клетката (а) е приблизително равен на атомния диаметър. Тази клетка се означава с "К6", което означава, че е кубична, и че координационното й число е 6. Казва се, че клетка К6 е изградена от един атом, защото всеки от осемте атома във върховете на куба принадлежи само с 1/8 част от своя обем към обема на клетката (а3). Колкото по-голямо е координационното число и колкото по-голям е броят на атомите, които изграждат дадена клетка, толкова тя е по-плътна. Плътността на кристалите се определя по зависимостта:

където: п е броят на атомите, принадлежащи към една кристална клетка;А - атомната маса на веществото; т - масата на един водороден атом; V- обемът на клетката.

Обемноцентрираната кубична клетка (фиг. 5а) има координационно число 8 - всеки атом има 8 съседа, които са на еднакво разстояние от него. Означава се с К8. Изградена е от два атома, защото всеки от осемте атома във върховете на куба принадлежи (както при К6) едновременно

на осем съседни клетки, а центриращият атом е изцяло в обема - .

Стенноцентрираната кубична решетка (фиг. 56) е от атоми, които са разположени не само във върховете на куба, но и в центъра на всяка от шестте и;´ стени.

Координационното и;´ число е 12. Означава се с К12. Изградена е от четири атома .

Ясно е, че клетка К12 осигурява по-голяма плътност на веществото от клетка К8.Ако се приеме, че атомите са сферични и допиращи се един до друг, може да се пресметне, че

при обемноцентрирана кубична клетка степента на запълване е 68 %, а при стенноцентрирана -

10 от 15

74 %. При координационно число 6, каквото е при обикновената кубична клетка (фиг. 4), заетостта на обема е едва 50 %. При координационно число 4 заетостта е още по-малка - 33 %.

В природата не се срещат кристални клетки с координационно число, по-голямо от 12, т.е. К12 осигурява възможно най-голяма плътност.

Кубична най-плътна опаковка Хексагонална най-плътна опаковка

Такава плътност осигурява и плътноопакованата хексагонална клетка. Нейното координа-ционно число е също 12. Означава се с XI2. Характерно за нея е и това, че съотношението на параметрите с/а е винаги равно на 1,6333. При с/а 1,6333 клетката е неплътноопакована.

Параметрите на решетките се измерват рентгеноструктурно с точност, която достига ±1.10-10 cm.

ВИДЪТ на решетката до голяма степен се определя от природата на междуатомните сили, но се знае, че в това отношение влияние оказват и други фактори. Най-плътни решетки се получават при метална връзка между атомите (фиг. 5): клетка К8 (фиг. 5а) имат Li, Nа, К, V, Сг, Nb, -Fe, Мо и други метали; стенноцентрирана К12 (фиг. 5б) имат -Fe, Cu, А1, Ni и др.; клетка Х12 (фиг. 5в) имат Мg, Zn, Ве, Zr, Co, Cd и др. При ковалентните и йонните кристали координационното число и плътността са по-малки. При всички тях координационното число на кристалните клетки зависи от валентността и от насочеността на връзките, докато при металната връзка няма големи ограничения. При нея има стремеж и възможност атомите да се подреждат плътно, т.е. да имат много съседи (голямо координационно число). На фиг. 7 е показана кристалната клетка на NaCl. Различава се от тази на фиг. 4 по това, че има два вида атоми (йони), но координационното число е същото - 6.

Фиг. 7. Проста кубична решетка на натриев хлорид

Показаната на фиг. 6 клетка, но със значителна разлика между двата параметъра (с >> а), е характерна за графита. Има малка плътност и слаби връзки между базисните равнини, водещи до малка механична якост и до много малък коефициент на триене (добри мазилни свойства). Междуатомните сили са ковалентно-метални, т.е. има и свободни валентни електрони. Частично металният характер на химичната връзка придава на графита и някои свойства, характерни за металите - метален блясък, електропроводимост.

11 от 15

Фиг. 8. Кристална клетка (а) и решетка (б) на диамант

Диамантът има сложна кубична решетка (К4), изобразена на фиг. 8. Координационното число се определя от четирите електронни моста, характерни за ковалентни връзки между атомите, което е свързано с четирите валентни електрона на въглерода. Атомната плътност е много малка.

Фиг. 9. Кристална клетка на SiO2

Подобна малка плътност има и показаният на фиг. 9 силициев двуокис - също с ковалентна връзка между атомите. Свойствата на този и други оксиди в много отношения са близки до тези на диаманта и много различни от тези на графита, въпреки че графитът и диамантът са кристални форми на един и същи химичен елемент - въглерода.

Фиг. 10. Разположение на центровете на атомите на въглеродав структурата на диаманта (а) и графита (б)

Такива широко известни минерали като диамант и графит имат еднакъв състав (съставени са от въглерод), обаче трудно могат да се посочат други минерали с толкова различни свойства. Кристалите на диаманта имат изометрична форма, изключително висока твърдост, относително голяма плътност, силен блясък. Те най-често са прозрачни и неоцветени. Графитът се среща във вид на люспести непрозрачни агрегати, имащи черен цвят и метален блясък.Свойствата на тези минерали се определят от това, че диаманта има координационна структура с напълно реализирана ковалентна връзка и най-плътна кубична опаковка. Графитът има слоеста структура, но слоевете са съединени с относително слаби метални връзки и разстоянието между тях е значително по-голямо, отколкото между атомите на въглерода в слоя. Тази разлика в кристалната структура се определя от условията на образуване на минералите. Графитът и диамантът са пример на полиморфни модификации. Полиморфните модификации са вещества - твърди кристални вещества с един и същи състав, които имат различни кристални структури. Преходът от една полиморфна модификация в друга е фазов преход, който се осъществява при промяна на температурата и налягането и се съпровожда с изменение на енергията на кристалната решетка.

12 от 15

ОБРАЗУВАНЕ НА КРИСТАЛИТЕ В ПРИРОДАТА

Кристалите се образуват от преминаване от течна или газообразна в твърда фаза или при прекристализация в твърдо състояние.

Кристализацията т. е. образуването и растежът на кристалите е възможна само в преситен разтвор. Пресищането се получава в резултат на промяна на температурата и налягането, при изпарение на разтворителя и в резултат на някои химични реакции.

Най-разпространено в природата е образуването на кристали от течна фаза, например при охлаждане на огнетечна стопилка, във водни басейни и други. Кристализацията от газообразно състояние се среща най-често във вулканските области при бързо понижаване на температурата и налягането. Кристализация от твърда фаза може да настъпи при кристализация на твърдо аморфно вещество или при прекристализация на една в друга кристална фаза.

Съществуват няколко вида зараждане на кристали: самопроизволно зараждане, зараждане на повърхността на течност и върху отломки. За да се образуват кристални зародиши е необходима повишена концентрация на разтвора т. е. необходим е преситен разтвор. В преситения разтвор при определена температура молекулите и йоните в него са доближени една до друга и се създава възможност за групиране между тях. Групирането отговаря на конфигурация, която съответствува на кристален зародиш. Този процес се нарича самопроизволно зараждане на кристали.

Процесът е динамичен, т. е. едновременно става създаването на едни и разпадането на други зародиши, при което крайния резултат ще зависи от насочването на явлението в една или друга посока. Устойчивостта на кристала-зародиш зависи от неговата големина. Съществува известен размер, след преодоляването на който зародишът е устойчив и може да бъде център на кристализация. Самопроизволното зараждане е характерно при кристализация на магма или течности. Числото зародиши, които са възникнали в единица обем за единица време наричаме число на центровете на кристализация, т. е. скорост на зародишообразуване.

Кристализационната способност зависи от степента на покриване на кривите на скоростта на зародишообразуване и на линейната скорост на нарастване на кристалите.Зараждането на кристали е възможно да стане на повърхността на течност, например в солени водни басейни. Зародишите лесно се зараждат от силите на повърхностно напрежение на границата на граничната ципа на разтвора. При раздвижване или когато се образуват твърде тежки кристали те падат на дъното и нарастват във вид на слой соли (утайка ).

Зараждането на нови кристали може да се осъществява и върху отломките на по-ранообразуван минерал. Отломките стават центрове на кристализация и могат да дадат началото на нови кристали. Те са много по-активни. Възможно е кристали да се зародят върху кристали от друг минерален вид. Когато новите минерали се появяват след прекъсване отлагането на минералното вещество, при изменение на физико-химичните условия, тогава се образуват кристали от нова генерация. Образуването на кристали може да стане и с участието на организми.

Зараждането се осъществява в микроорганизма в резултат на неговата жизнена дейност. Минералното вещество се натрупва в неговата клетка, като я замества напълно. В последствие ако самата клетка се премести в обкръжаващата среда тя става зародиш на минерален индивид.

Зараждането на кристалите в една среда става неравномерно, поради действието на силата на тежестта, ролята на тектонските движения, състава на вместващите скали и други фактори.

При растежа си кристалите се ограждат със стени, които съответствуват на равнинни мрежи с най-голяма ретикулярна плътност. Според принципа на Тибе-Кюри-Вулф скоростта на растежа на отделните кристални стени зависи от техните повърхностни енергии. При растежа включването на примеси се разглежда като абсорбционен процес, който намалява скоростта на растеж на стените.

По експериментален път е доказано, че физико-химичните условия и примесите в разтвора влияят на кристалния хабитус. Формата на кристала до голяма степен зависи от състава на подхранващата среда и от нейната симетрия.

Например, в солев разтвор на натриев хлорид да поставим свободно да нараства кристалче от халит, окачено на конец. Около кристалчето се образуват потоци с различна концентрация.

13 от 15

В резултат на това едноименните стени на кристалчето няма да бъдат еднакви по форма и големина и ще се получи реален кристал. Ако кристала расте на дъното на съда ще се получи вдлъбнат кристал и вместо кубични кристали ще се получат кристални плочки.

При бърза кристализация и повишен вискозитет на течната фаза най-често се образуват не доизградени, израснали само по върховете (роговете) кристали. Те се наричат кристални скелети и имат малки размери.

Този процес се наблюдава при изливане на лавата на земната повърхност, при образуването на снежинките и при перестите образувания по стъклата на прозорците през зимата.

14 от 15

Изпозвана литература:Учебник по Материалознание за електрониката – С.Лецковска;П.Рахнев 2008 г.

15 от 15