Чудесные кристаллы

Рачков В. К.

Если же изменить число электронов в атоме, то он выйдет из состояния равновесия. Если, например, удалить один или несколько электронов, то положительный заряд атома станет больше отрицательного и весь атом в целом окажется заряженным положительно. Такой атом называется положительным ионом. Или наоборот, если добавить один или несколько электронов, то атом приобретет отрицательный заряд и превратится в отрицательный ион.

Как располагаются атомы в веществе? Расположены ли они в определенном порядке или беспорядочно, хаотично? Ответить на этот вопрос было трудно. Ведь атомы и молекулы настолько малы, что их невозможно увидеть даже в самый мощный микроскоп. Но ученые обошлись и без этого. Им помогли рентгеновские лучи, которые показали, как расположены атомы в разных веществах.

Рис. 2.

Во все стороны тянутся ровные ряды атомов — так устроена пространственная решетка графита

В кристаллических веществах частицы расположены геометрически правильно, по строгим законам. Если бы мы могли уменьшить свой рост до величины атома и проникнуть внутрь кристалла, то увидели бы, что вокруг нас во все стороны, не только вправо и влево, вперед и назад, но и вверх и вниз тянутся ровные бесконечные ряды атомов. Эти правильные ряды атомов в пространстве называются пространственными решетками, так как они действительно напоминают решетки (рис. 2).

С помощью рентгеновских лучей люди узнали, что у разных кристаллических веществ пространственные решетки разные. Каждое кристаллическое вещество можно отличить от другого кристаллического вещества по его пространственной решетке. В одних кристаллах очень простые решетки, в других — сложные.

Теперь мы можем сказать, что кристаллы — это тела, в которых атомы (молекулы, ионы) расположены в пространственных решетках строгой геометрической формы.

Рентгеновские лучи обнаружили кристаллическое строение не только в известных до того времени кристаллах, но и во многих других телах. Даже сажа, человеческий волос, шерсть, шелк и т. п. оказались построенными из кристаллов.

Но во всех ли веществах атомы расположены геометрически правильно? Конечно, нет. Существуют и такие твердые тела, в которых атомы расположены в беспорядке, как в газе или в жидкостях. Подобные тела называются аморфными, что означает в переводе с греческого «бесформенный». К такой группе тел относятся стекло, смола, столярный клей.

Однако и в аморфных телах атомы с течением времени могут в одном месте или сразу в нескольких местах собраться в правильную решетку. Тогда в этих местах появляются микроскопически маленькие кристаллики. Постепенно они вырастают и заполняют всю массу тела: аморфное тело закристаллизовалось. Так можно наблюдать помутнение старого стекла. Оно становится мутным, потому что в нем образуется множество мелких непрозрачных кристаллов.

Кристаллические тела бывают двух видов. Кристаллы, имеющие природную форму многогранников — кубов, параллелепипедов, призм, пирамид, называются монокристаллами или просто кристаллами. Тела, не имеющие многогранной формы, а состоящие из множества мелких, сросшихся между собой кристалликов, называются поликристаллами.

Кристаллы различных веществ отличаются друг от друга по форме (рис. 3). Кристаллы кварца имеют форму шестигранных призм, алмаза — восьмигранника, а граната — двенадцатигранника. Столбики берилла никогда не спутаете с пластинками слюды. Самая простая форма у кристаллов поваренной соли — форма куба.

_{Рис. 3. Кристаллы различных веществ отличаются друг от друга по своей форме:}

_{а — кристалл поваренной соли; б — магнетит; в — кварц; г — берилл; д — лейцит; е — корунд}

Но в природе редко встречаются кристаллы в виде правильных многогранников, чаще они неправильной формы. Это объясняется тем, что от действия воды, ветра, морозов кристаллы растрескиваются; в твердых породах кристаллы мешают друг другу расти; различные

растворы разъедают кристаллы. Но все-таки свойства кристаллов остаются прежними. А что самое замечательное — остаются постоянными углы между одними и теми же гранями кристалла. Это свойство кристаллов называется законом постоянства углов, который объясняется внутренним строением кристаллов, т. е. тем, что частицы вещества расположены в геометрически правильной пространственной решетке. От ее формы и зависит форма кристалла. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим ячейку пространственной решетки кристалла поваренной соли (рис. 4). Этот кристалл состоит из молекул, каждая из которых содержит положительный ион натрия и отрицательный ион хлора. Поскольку разноименно заряженные тела притягиваются друг к другу, а одноименно заряженные отталкиваются, молекулы поваренной соли группируются так, чтобы расстояния между одноименными ионами были как можно большими, а между разноименными — как можно меньшими.

Поэтому ячейка пространственной решетки поваренной соли представляет собой куб, по углам которого, чередуясь в шахматном порядке, располагаются ионы натрия и хлора, потому что такое расположение уравновешивает электрические силы ионов.

_{Рис. 4. Самая простая форма у кристалла поваренной соли — форма куба}

Образованная таким образом ячейка кристалла является его зародышем. Если поместить ее в среду, насыщенную ионами натрия и хлора, то ячейка со всех сторон начнет обрастать все новыми и новыми молекулами. При этом разноименные ионы будут чередоваться в таком же шахматном порядке. Следовательно, при росте кристалла его грани будут передвигаться параллельно самим себе, а значит, углы между гранями кристалла не изменятся.

Таким же образом происходит образование и рост не только кристаллов поваренной соли, но и всех других кристаллических тел.

Проще всего получить кристаллы из насыщенных растворов. Такой раствор легко приготовить, если взять стакан горячей воды и насыпать в него любой порошок кристаллического вещества: сахара или соли, медного купороса или соды. При этом нужно размешивать порошок до тех пор, пока он не перестанет растворяться. Если раствор охладить, то растворимость вещества уменьшится и раствор станет пересыщенным. А это значит, что вещества в растворе оказалось больше, чем его может раствориться при данной температуре. Поэтому лишнее вещество выделяется из раствора и оседает на дне стакана в виде кристаллов. Чтобы получить кристаллы большей величины, надо полученный осадок опустить в новый пересыщенный раствор. Проделывая это несколько раз, можно получить кристаллы значительных размеров.

Пересыщенный раствор можно получить и другим способом, оставив насыщенный раствор в открытом сосуде с широким дном и низкими стенками. Вода из такого сосуда будет испаряться, а растворенные вещества останутся и раствор окажется пересыщенным. Кристаллы можно получить также из твердых и газообразных веществ. Так, из охлажденных водяных паров образуются кристаллики снега и льда. Примером образования кристаллов из твердого вещества может служить кристаллизация аморфных тел.

В настоящее время выращивание кристаллов из растворов превратилось в целую техническую отрасль. Созданы заводы и фабрики, на которых в больших количествах выращивают крайне нужные для нашего народного хозяйства кристаллические вещества.

Какими же еще свойствами обладают кристаллы?

Если ударить по кристаллу, то он расколется на маленькие кристаллики — осколки, которые по форме окажутся такими же, как и большой кристалл до удара. Кристалл поваренной соли, например, расколется на правильные кубики, а кристаллы слюды можно расщепить только в одном направлении — в виде тонких лепестков.

Это свойство кристаллов называется спайностью, а плоскости, по которым кристалл раскалывается, — плоскостями спайности. Поэтому кристаллы легко отличить от аморфных тел, прочность которых одинакова по всем направлениям.