Розділ 1 Кристалографія і її зв'язок з іншими науками

Назва науки «кристалографія» походить від двох грецьких слів: «кристалос» - лід і «графо» - пишу, тобто кристалографія виникла як наука, що вивчає кристали. На перших етапах свого розвитку кристалографія була частиною мінералогії, але в середині минулого століття вона виділилася в окрему дисципліну й з того часу розвивається самостійно.

Кристалографія наших днів визначається як наука, що вивчає закони утворення, форму й структуру кристалів, класифікацію кристалів за структурними ознаками, фізичні властивості кристалів.

Звичайно кристалографію поділяють на три великі розділи:

1) геометричну кристалографію;

2) хімічну (кристалохімію);

3) фізичну (кристалофізику).

Кристалографія є не тільки теоретичною наукою, але й допомагає вирішенню найважливіших практичних проблем. Це вивчення законів росту кристалів і одержання штучних кристалів, які застосовуються у різних галузях.

У цей час промисловість виготовляє штучні кристали корунду для різців, точних вимірювальних приладів, а також різні кристали для квантових генераторів; кристали алмазу, кварцу, оптичного флюориту, кальциту, сильвіну, слюди, що широко застосовуються в оптиці, електротехніці, радіотехніці, при обробці металів.

Особливості геометрично правильних в оптиці форм кристалічних багатогранників і структур підкоряються математичним закономірностям.

Кристалографію, що вивчає геометрію зовнішньої форми кристалів і їхню внутрішню будову, називають геометричною кристалографією.

Фізика, як відомо, вивчає властивості газів, рідин і твердих тіл. Характерними представниками останніх є кристали. Тому фізика твердого тіла тісно переплітається з фізичною кристалографією.

Утворення й ріст кристалів знаходять своє пояснення у фізичній хімії. Нарешті, структурний аналіз з'ясовує просторове розташування й взаємну орієнтацію атомів (іонів). Тим самим дається багатий матеріал для стереохімії (науки про просторове розташування атомів і іонів у молекулах).

Математика, фізика, хімія - це ті основи, на яких базується сучасна кристалографія.

Етапи розвитку

Виникнення кристалографії як самостійної науки належить до кінця ХVII століття. Починаючи з 1615 р., виявлена сталість кутів між лучинками сніжинок (Кеплер), у кристалах кварцу (Стенсен), кальциту - СаСО₃, гіпсу - СаSO₄ × 2Н₂О (Левенгук).

У 1749 р. цей закон був установлений М.В.Ломоносовим для селітри (КNO₃), піриту (Fe₂), алмазу й інших мінералів. М.В. Ломоносов в 1749 р. у статті «Про народження й природу селітри» запропонував гіпотезу, у якій кристал складався з кульових корпускул, що дуже близька до сучасних теорій кристалохімії про щільне упакування куль.

Перший емпіричний закон геометричної кристалографії - закон сталості двогранних кутів у кристалі - був відкритий в 1783 р. Ромі Делілем.

У 1774-1801 роках Гаюї відкрив другий емпіричний закон геометричної кристалографії - закон раціональності відношень параметрів.

У 1808 р. під впливом Гаюї хіміком Дальтоном встановлений закон кратних відношень (закон цілих чисел). У цей час з'являються перші наукові припущення про те, що правильна зовнішня форма кристалів є результатом правильної внутрішньої будови, описуваної кристалічними ґратками. Гаюї перший сформулював також поняття про симетрію кристалів.

У 1804-1809 роках Вейс розвинув положення Гаюї про симетрію, установивши емпірично наявність різних осей симетрії, а в 1815 р. запропонував розподіл на шість систем (сингоній).

У 1848 р. Огюст Браве математичним шляхом показав, що в будь-яких кристалічних ґратках з нескінченної кількості паралелепіпедів, у вершинах яких перебувають вузли ґраток, завжди можна обрати такий, за допомогою якого може бути охарактеризовано всі ґратки в цілому. Виявилося, що існує лише 14 видів просторових ґраток (ґраток Браве), що дозволяють шляхом одних паралельних перенесень (трансляцій) описати будь-які кристалічні ґратки.

У 1867 р. А.В. Гадолін на основі геометричних подань довів існування 32 класів симетрії кристалічних багатогранників.

У 1890 р. Є.С. Федоров уперше представив математичний висновок загального числа можливих випадків взаємного просторового розподілу структурних одиниць кристала.

Виявилося, що число просторових груп кристалів дорівнює 230. Експериментально відкриття Є.С.Федорова підтвердилося за допомогою рентгенівсько- структурного аналізу після відкриття рентгенівських променів.

Відкриття рентгенівських методів дослідження сильно відбилося й на розвитку кристалографії. Від кристалографії утворилася нова наука - кристалохімія, що вивчає зв'язок структури й внутрішньої будови кристалів. Одним із перших росіян-кристалохіміків був Г.В. Вульф.

У 1895 р. Г.В. Вульф сформулював закон, відповідно до якого всяка речовина у твердому (кристалічному) стані прагне за своїми внутрішніми властивостями набути плоскогранної форми (на відміну від рідин, що прагнуть набутити форми кулі). Цей закон ґрунтується на загальному термодинамічному положенні про те, що енергетично найбільш вигідною формою конденсованої матерії є така форма, при якій вільна поверхнева енергія мінімальна.

Розвиток сучасної кристалохімії тісно пов'язаний з іменами В.М. Гольдшмідта, Ф. Махачкі, Г. Штрунца, академіка Н.В. Бєлова. Майже всі тверді речовини (мінерали, гірські породи, різні руди, цемент, кераміка, продукти хімічної промисловості й ін.) є кристалічними.

Кристали

Кристалами називаються тверді тіла, що мають природну форму багатогранника й характеризуються закономірним розташуванням у просторі елементарних частинок (атомів, іонів, молекул).

У давні часи вважали, що кристали трапляються в природі рідко, у дійсності ж, якщо подивитися через лупу, то можна легко переконатися, що дуже багато каменів, форма яких неправильна, складаються з окремих кристаликів. Якщо ж розглядати неправильні виділення мінералів під мікроскопом, то кристалічних утворень виявиться ще більше.

Прикладами кристалів можуть бути кубики повареної солі (NaCl), загострені на кінцях шестигранні призми гірського кришталю (Si₂), восьмигранники (октаедри) алмазу (С), дванадцятигранники гранату й ін.

Величина подібних утворень іноді досягає людського зросту. Довжина одного кристала може досягати декількох метрів (лід – H₂O, гіпс - СаSO₄×2Н₂О). У 1958 р. був знайдений гігантський кристал кварцу вагою близько 70 т, довжиною 7,5 м і шириною 1,6 м. Однак звичайно доводиться мати справи із дрібними, найчастіше мікроскопічними кристаликами.

Сніг, поварена сіль, цукровий пісок, багато ліків, сажа, віск, роговиця ока складаються із дрібних кристаликів. Можна виявити ще більше таких тіл, якщо скористатися допомогою мікроскопа. Так, наприклад, метали й сплави, кам'яні будівельні матеріали, цемент, цегла, пісок, глина, вапняки, доломіти, кам'яна сіль, гіпс - все це складається із кристалічних зерен. Те саме можна сказати й про переважну більшість гірських порід, що складають земну кору.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: