Какие вещества состоят из кристаллов. Природные кристаллы - разновидности, свойства, добыча и применение. Кристаллы и знаки зодиака

КРИСТАЛЛЫ (от греч. krystallos - кристалл; первоначально - лед),твердые тела, обладающие трехмерной периодич. атомной (или молекулярной) структурой и, при определенных условиях образования, имеющие естеств. форму правильных симметричных многогранников

СТРУКТУРА КРИСТАЛЛА

Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы могут иметь от

четырех до нескольких сотен граней.

Кристалл представляет собой правильную трехмерную решетку, составленную из атомов или молекул. Структура кристалла – это пространственное расположение его атомов (или молекул).

Трехмерная кристаллическая структура представляет решетку, построенную на трех координатных осях x, y, z, Элементарная ячейка кристалла - это параллелепипед, построенный на векторах трансляции a, b, c. Такая ячейка называется примитивной. В результате повтора элементарной ячейки в пространстве получается пространственная простая решетка - так называемая решетка Браве.( Огюст Браве́ - французскийфизики один из основателейкристаллографии. Положил начало геометрической теории структурыкристаллов: он нашёл (1848г.) основные виды пространственных решёток. Существует четырнадцать типов решеток Браве. Эти решетки отличаются друг от друга видом элементарных ячеек.

ОБРАЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ

Кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. К кристаллизации из расплава относится и процесс образования вулканических пород. Магма, проникающая в трещины земной коры и при охлаждении магмы или лавы атомы и ионы разных элементов притягиваются друг к другу, образуя кристаллы различных минералов. Увеличиваясь в размере, они мешают друг другу расти, и поэтому гладкие наружные грани у них образуются редко.Рост кристаллов из растворов осуществляется при температурах ниже температуры плавления, поэтому в выращенных такими методами кристаллах отсутствуют дефекты, характерные для кристаллов, выращенных из расплава. Кристаллизацию из растворов можно осуществлять за счет изменения температуры раствора, за счет изменения состава раствора, а также использовать кристаллизацию при химической реакции. Метод выращивания кристаллов из паров широко используется для выращивания как массивных кристаллов, так и тонких (поликристаллических или аморфных) покрытий, нитевидных и пластинчатых кристаллов. Конкретный метод выращивания выбирают в зависимости от материала.

Виды кристаллов

Следует разделить идеальный и реальный кристалл.

Идеальный кристалл

Является, по сути, математическим объектом, имеющим полную симметрию, ровные гладкие грани.

Реальный кристалл

Всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и деформаций.

ПРИМЕНЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор из кристаллов делают амулеты и обереги.Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации.Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами . Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи. Полупроводниковые приборы изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия.Кристаллы используются также в некоторых лазерах для усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.Искусственные кристаллы. С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До 20 в. такие попытки были безуспешны. Но в 1902 удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Позднее, в конце 1940-х годов были синтезированы изумруды, а в 1955 фирма "Дженерал электрик" и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов. Многие технологические потребности в кристаллах явились стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и электрическими свойствами. Труды исследователей не пропали даром, и были найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. В лаборатории кристаллы выращиваются в тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные свойства, но в принципе лабораторные кристаллы образуются так же, как и в природе - из раствора, расплава или из паров.

В недрах нашей планеты скрыты несметные сокровища. Большая часть драгоценных и полудрагоценных камней имеют гладкую поверхность с четкими гранями, которые придают им определенные очертания симметрии. С XVIII века такие тела называют кристаллами, хотя у древних римлян и греков этот термин применялся по отношению к горному хрусталю. В буквальном переводе, слово «кристаллус» означает «замерзший». В те времена считалось, что это уплотненный лед. Развенчал этот миф доказав, что горный хрусталь тяжелее воды, поэтому никак не может быть замерзшей водой.

Что такое кристалл

Кристаллы - это твердые тела с атомами, расположенными в определенном порядке, образуя трехмерно-периодическую пространственную укладку. Внешне такие тела имеют правильные и симметричные множественные грани.

Первым, кто придал более широкое понятие слову «кристалл», был Капеллер. Хотя понимание и закон постоянств углов был установлен еще Нильсом Стенсеном в 1669 году.

Современное понятие сформировано в Международном союзе кристаллографов, и трактуется как тело, имеющее преимущественно острую дифракционную форму.

В понятие кристалл входит не только алмаз и другие минералы с определенной структурой, но и сахар, даже замерзающая вода.

Классификация

Какие бывают кристаллы? В современном мире все кристаллы разделены на 32 типа и сгруппированы в 6 видов. Также такие твердые тела разделяют на:

• натуральные, то есть извлеченные из недр земли;
• искусственные, то есть созданные руками человека (самый яркий пример - кристаллы Сваровски).

Выделяют также реальные и идеальные кристаллы. Последний вид имеет идеальную симметрию, без дефектов. У реального кристалла обязательно есть какой-либо дефект, то есть, наблюдаются неровности и деформации.

Существует классификация, разделяющая кристаллы на уровне атомов и групп молекул. В данном случае выделяют монокристаллы, которые имеют многогранную форму и не состоят из отдельных частей. Поликристаллы - это несколько монокристаллов, сросшихся вместе.

Какие бывают кристаллы еще? Драгоценные и недрагоценные, то есть, классифицируемые по эстетико-экономическому критерию.

Алмаз

Самый известный и дорогой кристалл в мире. При нормальных условиях этот минерал может существовать вечно, но если его поместить в инертный газ или вакуум, то он превратится в графит.

Добыча алмазов на промышленном уровне ведется на всех континентах. Хотя их происхождение и возраст так и не удалось установить. Известны даже минералы внеземного происхождения, которые попали на землю, сформировавшись при ударном метаморфизме в процессе падения метеоритов.

В подавляющем большинстве алмазы, добываемые на нашей планете, имеют желтый или коричневый цвет. Но встречаются и достаточно уникальные - зеленые, розовато-лиловые и голубые, даже черные. Самые известные - «Портер-Родс» голубого цвета и Дрезденский зеленый. Самыми ценными считаются те, которые имеют уникальный окрас, в особенности рубиново-красные, вишневые, голубые и золотистые.

В природной среде алмазы встречаются всевозможных форм: от круглых и овальных до пятигранных.

Одним из самых дорогих считается красный алмаз, которых в мире насчитывается всего лишь 50 (с идеальной чистотой). Самый дорогой весом в 5,11 каратов называется «Красный щит». Наименование дано по форме кристалла, в начале нашего века он был продан с аукциона за 8 миллионов долларов.

Аквамарин

Какие бывают кристаллы, очень похожие на лед? Это аквамарин. Минерал является разновидностью берилла, и его название переводится как «морская вода». По форме кристаллы напоминают длинностолбчатые и шестигранные призмы с сильным стеклянным блеском. Минерал очень хрупкий и его легко раздавить.

В ювелирном искусстве аквамарин получил популярность только в начале XX века, когда в моду пришел стиль - арт-деко. Месторождения этого минерала есть на всей планете, добывают его из пегматитов, которые расположены в крупнозернистых гранитах.

Самый огромный минерал был найден в 1910 году, его вес составлял 110,5 килограммов.

Аметист

Какие виды кристаллов бывают еще? Аметист относят к полудрагоценным камням или поделочным, в зависимости от цвета. Если окрас непрозрачный, то это поделочный камень, соответственно, прозрачный ценится у ювелиров.

Бывает фиолетового, вишневого, синего, красного цвета. Уникальная особенность этого кварца в том, что оттенок меняется в зависимости от освещения. Некоторые аметисты, найденные в осадочных породах, выцветают под воздействием солнечных лучей.

Бирюза

Какие бывают кристаллы? Название этого минерала знают все - бирюза или камень счастья. Он пользуется популярностью с древних времен.

По форме минерал представлен в виде скрытокристаллической плотной массы. В камне присутствуют мелкие вкрапления округлой формы. На срезе видны жилки бурого или черного цвета. Окрас минерала варьируется от небесно-голубого до блекло-зеленого.

Изумруд

Какие кристаллы бывают в природе еще? Изумруд - драгоценный минерал из берилловой группы, относится к самоцветам первого порядка. Крупные (от 5 карат) и не имеющие дефектов изумруды стоят дороже алмазов.

У минерала цвет варьируется от желтовато-зеленого до травянисто-зеленоватого, главное условие - наличие зеленого оттенка. Камни, добываемые в Южноафриканских странах, имеют примесь оксида железа, поэтому имеют синеватый оттенок.

Один из самых известных в мире - «Девонширский изумруд», его вес составляет 304 грамма. А самый известный в России - «Коковинский» изумруд весом немного более 400 граммов. Добыт на Урале в 1833 году.

Малахит

Какие бывают кристаллы в мире еще, кроме перечисленных? Малахит - это ценный поделочный минерал зеленого цвета. Формы камня в природе разнообразны. Ярко выраженную кристаллическую форму имеют редкие экземпляры минерала, в больших количествах очень редко встречается в одном месте. На территории России практически все запасы минерала исчерпаны. На протяжении длительного времени малахитовую руду использовали для получения меди.

Горный хрусталь

Какого цвета бывают кристаллы? Существуют даже бесцветные, со стеклянным блеском, и речь в данном случае идет о горном хрустале. Это чистый диоксид кремния - бесцветная разновидность кварца. Форма у минерала может быть трапециевидной или призматической.

В эту группу включено несколько разновидностей: волосатик, раухтопаз, аметист, цитрин и морион.

Минерал пользуется спросом не только у ювелиров, но также используется в радиотехнике. Крупные размеры природного материала достаточно дорого стоят. Главное - не путать горный хрусталь с тем, что продается в магазинах. Для получения стеклянного блеска при изготовлении «хрустальной» посуды в стекло добавляется барий и оксид свинца.

Крокоит

Какие формы кристаллов бывают? К самым уникальным можно отнести крокоит. Внешне он напоминает высушенные лепестки шафрана. Относится к красной свинцовой руде из класса хроматов.

Минерал отнесен к коллекционным материалам, так как имеет уникальный цвет, форму и очень редко встречается, является спутником

Самые редкие виды кристаллов

Мусгравит. Обнаружили его примерно 50 лет назад в Австралии. На сегодняшний день нашли только 14 экземпляров. Расцветки у него разнообразные: от светло-желтого с зеленым оттенков до фиолетово-пурпурного. Один карат зеленого мусгравита стоит 6 тысяч долларов.

Грандидьерит. Очень редкий кристалл с голубым или зеленым оттенком. Уникальная особенность камня - способность менять окрас. На сегодняшний день в мире огранили только 20 минералов, соответственно и цена на такие изделия очень высокая - 30 000 долларов/1,8 млн руб. за 1 карат.

Танзанит. Какие бывают кристаллы? Фото этого камня можно увидеть в фильме «Титаник», где он был представлен в виде голубого бриллианта. Ценность минерала в его окраске, которая изменяется в зависимости от освещения, во-вторых, на сегодняшний день найдено только одно месторождение - в Африке, запасы которого иссякнут через 20 лет.

Тааффеит. Очень редкий кристалл, стоимость за карат составляет от 500 до 20 000 долларов (30 000 - 1,2 млн руб.). На сегодняшний день существует только 4 месторождения: в Танзании, на Шри-Ланке и в России (Восточная Сибирь и Карелия). Цвет камня варьируется от бледно-розового до лавандового.

Кристаллы искусственного происхождения

Пожалуй, самые известные и дорогие камни искусственного происхождения продаются под маркой Swarovski. На сегодняшний день в компании широкий ассортимент, представленный более чем 100 тысячами позиций. Кристаллами этого производителя инкрустируют не только ювелирные изделия, но и украшают предметы гардероба, обувь и интерьер.

Какие бывают кристаллы Сваровски? Согласно линейке производителя, большая часть кристаллов представлена в виде конусов, внутренние грани которого максимально раскрывают яркость, блеск и цвет камня. Компания предлагает самую широкую палитру цветов, представлены практически все цвета в чистом виде, некоторые имеют сатиновый или радужный эффект.

На втором месте по полярности идут кристаллы Прециоза (Чехия). Они не уступают по качеству, цвету и форме Сваровски. Из них получаются красивейшие ювелирные изделия.

Корейские кристаллы несколько уступают двум предыдущим, так как механической шлифовке подвергаются только две грани - нижняя и верхняя, остальные формируются в процессе стекольного литься. Цветовая палитра не очень широкая, но основные цвета присутствуют.

На рынке также представлены кристаллы китайского производства. Они не дорогие, но и качество у них достаточно низкое, основной материал не отличается высокой степенью прозрачности.

КРИСТАЛЛЫ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ
Кристаллом (от греч. krystallos - "прозрачный лед") вначале называли прозрачный кварц (горный хрусталь), встречавшийся в Альпах. Горный хрусталь принимали за лед, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Первоначально главную особенность кристалла видели в его прозрачности и это слово употребляли в применении ко всем прозрачным природным твердым телам. Позднее стали изготавливать стекло, не уступавшее в блеске и прозрачности природным веществам. Предметы из такого стекла тоже называли "кристальными". Еще и сегодня стекло особой прозрачности называется хрустальным, "магический" шар гадалок - хрустальным шаром. Удивительной особенностью горного хрусталя и многих других прозрачных минералов являются их гладкие плоские грани. В конце 17 в. было подмечено, что имеется определенная симметрия в их расположении. Было установлено также, что некоторые непрозрачные минералы также имеют естественную правильную огранку и что форма огранки характерна для того или иного минерала. Возникла догадка, что форма может быть связана с внутренним строением. В конце концов кристаллами стали называть все твердые вещества, имеющие природную плоскую огранку. Заметной вехой в истории кристаллографии явилась книга, написанная в 1784 французским аббатом Р. Гаюи. Он выдвинул предположение, что кристаллы возникают в результате правильной укладки крохотных одинаковых частиц, которые он назвал "молекулярными блоками". Гаюи показал, каким образом можно получить гладкие плоские грани кальцита, укладывая такие "кирпичики". Различия в форме разных веществ он объяснил разницей как в форме "кирпичиков", так и в способе их укладки. Со времен Гаюи было принято как гипотеза, что в правильной форме кристалла находит отражение упорядоченное внутреннее расположение частиц, но это было подтверждено лишь в 1912, когда М.фон Лауэ в Мюнхене установил, что рентгеновские лучи дифрагируют на атомных плоскостях внутри кристалла. Падая на фотографическую пластинку, дифрагированные лучи создают на ней геометрический узор из темных пятен. По положению и интенсивности таких пятен можно рассчитать размеры структурной единицы и определить расположение атомов в ней. Имея в виду возможность прямого исследования внутренней структуры, многие занимающиеся кристаллографией стали употреблять термин "кристалл" в применении ко всем твердым веществам с упорядоченной внутренней структурой. Нужны лишь благоприятные условия, полагали они, чтобы внутренняя упорядоченность проявилась в виде правильной наружной огранки. Некоторые ученые предпочитают называть твердые вещества с внешне не проявляющейся внутренней упорядоченностью "кристаллическими", а под "кристаллами" понимать, как это было когда-то, твердые вещества с природной огранкой.
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
Атомы, из которых состоят газы, жидкости и твердые вещества, имеют разную степень упорядоченности. В газе атомы и небольшие группы атомов, соединенные в молекулы, находятся в постоянном беспорядочном движении. Если охлаждать газ, то достигается температура, при которой молекулы сближаются друг с другом, насколько это возможно, и образуется жидкость. Но атомы и молекулы жидкости все-таки могут скользить относительно друг друга. При охлаждении некоторых жидкостей, например воды, достигается температура, при которой молекулы застывают в относительной неподвижности кристаллического состояния. Эта температура, разная для всех жидкостей, называется температурой замерзания. (Вода замерзает при 0° С; при этом молекулы воды упорядоченно соединяются друг с другом, образуя правильную геометрическую фигуру.) У каждой частицы вещества (атома или молекулы), находящегося в кристаллическом состоянии, окружение точно такое же, как и у любой другой частицы того же типа во всем кристалле. Другими словами, ее окружают вполне определенные частицы, находящиеся на вполне определенных расстояниях от нее. Именно это упорядоченное трехмерное расположение характерно для кристаллов и отличает их от других твердых веществ.
ОБРАЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ
Вообще говоря, кристаллы образуются тремя путями: из расплава, из раствора и из паров. Примером кристаллизации из расплава может служить образование льда из воды, так как вода, в сущности, не что иное, как расплавленный лед. К кристаллизации из расплава относится и процесс образования вулканических пород. Магма, проникающая в трещины земной коры или вытесняемая в виде лавы на ее поверхность, содержит многие элементы в разупорядоченном состоянии. При охлаждении магмы или лавы атомы и ионы разных элементов притягиваются друг к другу, образуя кристаллы различных минералов. В таких условиях возникает много зародышей кристаллов. Увеличиваясь в размере, они мешают друг другу расти, а поэтому гладкие наружные грани у них образуются редко.

Кристаллы в природе образуются также из растворов, примером чему могут служить сотни миллионов тонн соли, выпавшей из морской воды. Такой процесс можно продемонстрировать в лаборатории с водным раствором хлорида натрия. Если дать воде возможность медленно испаряться, то в конце концов раствор станет насыщенным и дальнейшее испарение приведет к выделению соли. Положительно заряженные ионы натрия притягивают отрицательно заряженные ионы хлора, в результате чего образуется зародыш кристалла хлорида натрия, который выделяется из раствора. При дальнейшем испарении другие ионы пристраиваются к образовавшемуся ранее зародышу, и постепенно растет кристалл с характерной внутренней упорядоченностью и гладкими наружными гранями.

Кристаллы образуются также непосредственно из пара или газа. При охлаждении газа электрические силы притяжения объединяют атомы или молекулы в кристаллическое твердое вещество. Так образуются снежинки; воздух, содержащий влагу, охлаждается, и прямо из него вырастают снежинки той или иной формы.
СТРУКТУРА КРИСТАЛЛА
Кристалл представляет собой правильную трехмерную решетку, составленную из атомов или молекул. Структура кристалла - это пространственное расположение его атомов (или молекул). Геометрия такого расположения подобна рисунку на обоях, в которых основной элемент рисунка повторяется многократно. Одинаковые точки можно расположить на плоскости пятью разными способами, допускающими бесконечное повторение. Для пространства же имеется 14 способов расположения одинаковых точек, удовлетворяющих требованию, чтобы у каждой из них было одно и то же окружение. Это пространственные решетки, называемые также решетками Браве по имени французского ученого О.Браве, который в 1848 доказал, что число возможных решеток такого рода равно 14 (рис. 1-1, 1-2).

Требование того, чтобы каждый узел решетки имел одинаковое атомное окружение, применительно к кристаллам налагает ограничения на сам основной элемент рисунка. При повторении он должен заполнять все пространство, не оставляя пустых узлов. Было установлено, что существует лишь 32 варианта расположения объектов вокруг некоторой точки (например, атомов вокруг узла решетки), удовлетворяющих этому требованию. Это так называемые 32 пространственные группы. В сочетании с 14 пространственными решетками они дают 230 возможных вариантов расположения объектов в пространстве, называемых пространственными группами. Поскольку структура кристалла определяется не только пространственным расположением атомов, но и их типом, число структур очень велико. Три кристаллические структуры, представленные на рис. 2, неодинаковы, хотя и относятся к одной и той же пространственной группе.

Общими для всех кристаллов являются 14 пространственных решеток, наименьшие формообразующие ячейки которых показаны на рис. 1. Элементарная ячейка любого кристалла подобна одной из них, но ее размеры определяются размерами, числом и расположением атомов. Элементарная ячейка в виде параллелепипеда, вообще говоря, аналогична "кирпичику" Гаюи, т.е. базисному элементу, при повторении которого образуется кристалл. Рентгеновский анализ позволяет с большой точностью определять длину сторон ячейки и углы между сторонами. Элементарные ячейки очень малы и имеют порядок нанометра (10-9 м). Сторона кубической элементарной ячейки хлорида натрия равна 0,56 нм. Таким образом, в крохотной крупинке обычной поваренной соли содержится примерно миллион элементарных ячеек, уложенных одна к другой. Методом дифракции рентгеновских лучей (рентгенография) можно определить не только абсолютные размеры элементарной ячейки, но также пространственную группу и даже расположение атомов в пространстве, т.е. структуру кристалла. Важную роль в исследовании кристаллических структур сыграли также методы дифракции электронов (электронография), дифракции нейтронов (нейтронография) и инфракрасной спектроскопии.
МОРФОЛОГИЯ КРИСТАЛЛОВ
Кристаллы имеют некую внутреннюю симметрию, которая не обнаруживается в бесформенной крупинке. Симметрия кристаллов получает наружное выражение только тогда, когда они имеют возможность свободно расти без каких-либо помех. Но даже хорошо организованные кристаллы редко имеют совершенную форму, и нет двух кристаллов, которые были бы совершенно одинаковы. Форма кристалла зависит от многих факторов, один из которых - форма элементарной ячейки. Если такой "кирпичик" повторить одинаковое число раз параллельно каждой из его сторон, то получится кристалл, форма и относительные размеры которого точно такие же, как у элементарной ячейки. Близкая к этому картина характерна для многих кристаллических веществ. Но на форму оказывают влияние и такие факторы, как температура, давление, чистота, концентрация и направление движения раствора. Поэтому кристаллы одного и того же вещества могут обнаруживать большое разнообразие форм. Различие форм связано с тем, как именно укладываются одинаковые "кирпичики". Аналогия между элементарными ячейками и кирпичами очень полезна (рис. 3). Укладывая кирпичи так, чтобы их соответствующие стороны были параллельны, можно построить стену (рис. 3,а), длина, высота и толщина которой будут зависеть только от числа кирпичей, уложенных в данном направлении. Если же в определенном порядке удалять кирпичи, то можно получить миниатюрные лестничные марши (рис. 3,б,в) с наклоном, зависящим от соотношения чисел кирпичей в подступенке и наступи ступеньки лестницы. Если на такую лестницу наложить линейку, то она образует угол, определяемый размерами кирпича и способом укладки. Углы наклона x и y симметричны независимо от относительных длин s и f (рис. 3,г).

Точно так же и кристалл может принимать ту или иную форму, если в строго определенном порядке пропускаются некоторые ряды или группы элементарных ячеек (рис. 4). Косые грани кристалла подобны лестницам, сложенным из кирпичей, но "кирпичики" здесь столь малы, что грани кристалла выглядят, как гладкие поверхности. Углы между соответствующими гранями кристалла постоянны, независимо от его размера. Это установил в 1669 датчанин Н.Стено на примере кристаллов кварца. Тем самым он показал, что форма является характеристикой кристаллического вещества. Ныне известно, что форма кристалла зависит от размеров и формы элементарной ячейки, и положение Стено приняло обобщенную форму закона, согласно которому углы между соответствующими гранями кристаллов одного и того же вещества постоянны.

Размеры и форма граней изменяются от кристалла к кристаллу. Тем не менее, имеется некая внешняя симметрия, присущая всем хорошо ограненным кристаллам. Она обнаруживается в повторении углов и похожести граней, одинаковых в смысле внешнего вида, дефектов травления и особенностей роста. Если кристалл имеет почти совершенную форму, то его симметричные грани тоже подобны по размерам и форме. До появления рентгеновской кристаллографии самым важным делом занимавшихся кристаллографией было измерение углов между гранями кристаллов. Вычерчивая на основе таких угловых измерений грани кристалла в стереографической или гномонической проекции, можно выявить симметричное расположение граней независимо от размера и формы. По такой проекции можно вычислить отношения осей, а затем выполнить чертеж кристалла.
Элементы симметрии. Задолго до того, как 32 типа симметричных расположений точечных групп были определены рентгеновскими методами, они были выявлены путем исследования морфологии, т.е. формы и структуры кристаллов. На основании вида и расположения граней, а также углов между ними кристаллы приписывались одному из 32 кристаллографических классов. Поэтому пространственные группы и кристаллографические классы - это как бы синонимы, и существуют три основных элемента симметрии: плоскость, ось и центр (рис. 5).

Плоскость симметрии. Многие хорошо известные нам предметы обладают симметрией относительно плоскости. Например, стул или стол можно представить себе разделенными на две одинаковые части. Точно так же плоскость симметрии делит кристалл на две части, каждая из которых является зеркальным отображением другой. (Плоскость симметрии иногда называют плоскостью зеркального отображения.)
Ось симметрии. Ось симметрии - это воображаемая прямая, поворотом вокруг которой на часть полного оборота можно привести объект к совпадению с самим собой. В кристаллах возможны только пять видов осевой симметрии: 1-го порядка (эквивалентная отсутствию вращения), 2-го порядка (повторение через 180°), 3-го порядка (повторение через 120°), 4-го порядка (повторение через 90°) и 6-го порядка (повторение через 60°).
Центр симметрии. Кристалл имеет центр симметрии, если любая прямая, мысленно проведенная через него, на противоположных сторонах поверхности кристалла проходит через одинаковые точки. Таким образом, на противоположных сторонах кристалла находятся одинаковые грани, ребра и углы. Имеются 32 возможные комбинации плоскостей, осей и центров симметрии в кристаллах; каждой такой комбинацией определяется кристаллографический класс. Один класс не имеет симметрии; говорят, что он имеет одну ось вращения 1-го порядка.
Кристаллографические системы. На рис. 1 представлены семь базисных ячеек решеток разной формы. Ромбоэдрическая и гексагональная решетки определяются одними и теми же осями. Таким образом, при наличии 32 симметрий точечных групп имеются только шесть основных форм элементарных ячеек. Соответственно форме основной "строительной" единицы 32 кристаллографических класса разделяются на шесть кристаллографических систем. Каждая кристаллографическая система имеет собственную систему координат, которыми определяются элементарная ячейка, а следовательно, и грани кристалла. На рис. 1 это стороны a, b и c элементарной ячейки. Принято через c обозначать вертикальную сторону, через b - горизонтальную в плоскости чертежа и через a - горизонтальную сторону, перпендикулярную плоскости чертежа. Прямые, на которых лежат эти стороны, служат линиями отсчета и называются кристаллографическими осями. Угол между b и c обозначается a, между a и c - b, а между a и b - g. Названия кристаллографических систем, относительные длины и угловые соотношения между соответствующими кристаллографическими осями таковы: Триклинная: a не равно b не равно c, a не равно b не равно g. Моноклинная: a не равно b не равно c, a = g = 90°, b > 90°. Орторомбическая: a не равно b не равно c, a = b = g = 90°. Тетрагональная: a = b не равно c, a = b = g = 90°. Поскольку a и b в этой системе равны и равноценны, их обычно обозначают через a1, a2. Сторона c может быть больше либо меньше a. Гексагональная: a = b не равно c, a = b = 90°, g = 120°. Элементарная ячейка гексагональных кристаллов обычно рассматривается как тройная и определяется тремя горизонтальными осями a1, a2, a3, составляющими угол 120° друг с другом и 90° с условно вертикальной осью c. Кубическая (изометрическая): a = b = c, a = b = g = 90°. На рис. 6 показаны разнообразные формы, которые могут иметь кристаллы, относящиеся к разным кристаллографическим системам.

Формы кристаллов. Хотя с первого взгляда все грани, определяющие форму кристалла, могут показаться одинаковыми, при тщательном исследовании обнаруживаются небольшие различия. Это могут быть различия в блеске, нерегулярностях роста, дефектах травления или полосчатости. Тем не менее, некоторые грани оказываются совершенно одинаковыми. Такие грани состоят из одинаковых и одинаково расположенных атомов и соответствуют определенной форме кристаллов. Распределение граней разных форм выявляет симметрию, так как все грани одной формы имеют одинаковое отношение к элементу симметрии. Некоторые кристаллы имеют грани только одной формы, а другие - грани многих форм. На рис. 7,а,б,в показаны три различные формы кубической системы, а на рис. 7,г - комбинация этих трех форм.

ОПТИЧЕСКАЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЯ
Важное значение в описании и идентификации кристаллов имеют их оптические свойства. Когда свет падает на прозрачный кристалл, он частично отражается, а частично проходит внутрь кристалла. Свет, отражающийся от кристалла, придает ему блеск и цвет, а свет, проходящий внутрь кристалла, создает эффекты, которые определяются его оптическими свойствами.
Показатель преломления. При переходе наклонного луча света из воздуха в кристалл его скорость распространения уменьшается; падающий луч отклоняется, или преломляется. Чем больше плотность кристалла и чем больше угол падения луча (i), тем больше угол преломления (r). Отношение sin i к sin r есть величина постоянная. Это обычно записывают в виде равенства sin i/sin r = n; константа n называется показателем преломления. Это самая важная из оптических характеристик кристалла, и ее можно очень точно измерить. См. также ОПТИКА. С позиций оптики все прозрачные вещества можно разделить на две группы: изотропные и анизотропные. К изотропным относятся кристаллы кубической системы и некристаллические вещества, например стекло. В изотропных веществах свет распространяется во всех направлениях с одинаковой скоростью, и поэтому такие вещества характеризуются одним показателем преломления. Группу анизотропных веществ составляют кристаллы всех других кристаллографических систем. В веществах этой группы скорость света, а следовательно, и показатель преломления непрерывно изменяются при переходе от одного кристаллографического направления к другому. Когда свет входит в анизотропный кристалл, он разделяется на два луча, колеблющихся под прямым углом друг к другу и распространяющихся с разными скоростями. Такое явление называется двойным лучепреломлением; всякий анизотропный кристалл характеризуется двумя показателями преломления. Для гексагональных и тетрагональных кристаллов указывают максимальный и минимальный, т.е. "главные" показатели преломления. Один из этих главных показателей преломления соответствует лучу света, колеблющемуся параллельно оси c, а с другой - лучу света, колеблющемуся под прямым углом к этой оси. В орторомбических, моноклинных и триклинных кристаллах имеются три главных показателя преломления: максимальный, минимальный и промежуточный, определяемые лучами света, колеблющимися в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Поскольку показатели преломления зависят от химического состава и строения материала, они являются характеристическими величинами для каждого кристаллического твердого вещества, и их измерение служит эффективным методом его идентификации. Пользуясь простым рефрактометром, ювелир или специалист по драгоценным камням может измерить показатель преломления драгоценного камня, не вынимая его из оправы. С помощью поляризационного микроскопа минералог без особого труда определяет тип минерала, измеряя его показатели преломления и другие оптические характеристики на мелких крупинках.
См. также ДРАГОЦЕННЫЕ КАМНИ .
Плеохроизм. В анизотропных кристаллах свет, колеблющийся в разных кристаллографических направлениях, может поглощаться по-разному. Одно из возможных следствий такого явления, называемого плеохроизмом, - изменение цвета кристалла при изменении направления колебаний. В других кристаллах свет, колеблющийся в одном кристаллографическом направлении, может распространяться почти без потерь интенсивности, а под прямым углом к нему почти полностью поглощаться. На различиях в поглощении света тонкими ориентированными кристаллами основано действие таких поляризационных светофильтров, как поляроид.
ПРИМЕНЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ
Природные кристаллы всегда возбуждали любопытство у людей. Их цвет, блеск и форма затрагивали человеческое чувство прекрасного, и люди украшали ими себя и жилище. С давних пор с кристаллами были связаны суеверия; как амулеты, они должны были не только ограждать своих владельцев от злых духов, но и наделять их сверхъестественными способностями. Позднее, когда те же самые минералы стали разрезать и полировать, как драгоценные камни, многие суеверия сохранились в талисманах "на счастье" и "своих камнях", соответствующих месяцу рождения. Все природные драгоценные камни, кроме опала, являются кристаллическими, и многие из них, такие, как алмаз, рубин, сапфир и изумруд, попадаются в виде прекрасно ограненных кристаллов. Украшения из кристаллов сейчас столь же популярны, как и во время неолита. Опираясь на законы оптики, ученые искали прозрачный бесцветный и бездефектный минерал, из которого можно было бы шлифованием и полированием изготавливать линзы. Нужными оптическими и механическими свойствами обладают кристаллы неокрашенного кварца, и первые линзы, в том числе и для очков, изготавливались из них. Даже после появления искусственного оптического стекла потребность в кристаллах полностью не отпала; кристаллы кварца, кальцита и других прозрачных веществ, пропускающих ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, до сих пор применяются для изготовления призм и линз оптических приборов. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи. Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный.
См. также
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ;
ТРАНЗИСТОР . Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ-диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.
См. также
ЛАЗЕР ;
КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ .
Искусственные кристаллы. С давних пор человек мечтал синтезировать камни, столь же драгоценные, как и встречающиеся в природных условиях. До 20 в. такие попытки были безуспешны. Но в 1902 удалось получить рубины и сапфиры, обладающие свойствами природных камней. Позднее, в конце 1940-х годов были синтезированы изумруды, а в 1955 фирма "Дженерал электрик" и Физический институт АН СССР сообщили об изготовлении искусственных алмазов. Многие технологические потребности в кристаллах явились стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и электрическими свойствами. Труды исследователей не пропали даром, и были найдены способы выращивания больших кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. В лаборатории кристаллы выращиваются в тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные свойства, но в принципе лабораторные кристаллы образуются так же, как и в природе - из раствора, расплава или из паров. Так, пьезоэлектрические кристаллы сегнетовой соли выращиваются из водного раствора при атмосферном давлении. Большие кристаллы оптического кварца выращиваются тоже из раствора, но при температурах 350-450° C и давлении КРИСТАЛЛЫ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ140 МПа. Рубины синтезируют при атмосферном давлении из порошка оксида алюминия, расплавляемого при температуре 2050° C. Кристаллы карбида кремния, применяемые в качестве абразива, получают из паров в электропечи.
См также АБРАЗИВЫ ; ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА .
ЛИТЕРАТУРА
Современная кристаллография. М., 1979-1981

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Среди всех чудес природы мир камней и минералов отличается фантастическим разнообразием и гармонией сочетания цвета и формы. Совершенство контрастирует с хрупкостью, а геометрия форм способна завораживать. Природа — самый талантливый художник, ее произведения бесценны, они наделены древней энергией, силой и божественной красотой. Мир камней представлен тысячами видов форм и окрасок. А структуру минерала зачастую можно увидеть только под микроскопом, так как кристаллические образования бывают настолько малы, что не видны невооруженному глазу.

Разнообразие кристаллов настолько же велико, насколько велико разнообразие человеческих лиц. Как и мы, кристаллы обладают не только индивидуальным внешним обликом, но и внутренней энергией. Каждый камень имеет свой характер и силу. Окраска минералов многообразна и изменчива, это связано прежде всего с вхождением различных элементов в кристаллическую решетку. Каждый минерал образуется в результате синтеза, который происходит по строгим законам физики и химии.

Фантазия природы дарит кристаллам причудливые формы, будь то пучок стеблей мезолита, песчаная роза гипса, загадочный лабиринт висмута или целая вселенная внутри жеоды агата. Неудивительно, что эти сокровища становятся желанными объектами коллекционирования. В этом деле я не стала исключением. Набор моих минералов вряд ли можно назвать коллекцией, но в нем присутствуют дорогие мне камни, которые находятся со мной долгое время, подпитывают меня силами и вдохновением.

А сегодня мне хочется рассказать об основных и наиболее распространенных видах кристаллов: друзах, жеодах и монокристаллах.

Друза (в переводе с немецкого druse означает «щетка»)
— это множество сросшихся кристаллов. Однако не все кристаллические сростки принято считать друзой. Под друзами обычно понимаются сросшиеся кристаллы, хаотично расположенные на одном основании. Размеры и количество кристаллов в друзе могут варьироваться. Например, друза, размер кристаллов которой составляет несколько миллиметров называется щеткой . А друза с плоским основанием и кристаллами, направленными в стороны от центра называется цветком . Такие образования выстилают стенки пустот, нарастают на стенках трещин и встречаются в открытых полостях пород. Агрегаты в виде друз кристаллов характерны для многих минералов — кварца, кальцита, флюорита, пирита, барита, полевых шпатов, гранатов и др.

Друза в более глобальном понимании — это множество кристаллов, сосуществующих вместе в гармонии и мире. Это олицетворение развитого общества, где каждый его член уникален и совершенен, но все они живут на общем основании, решая совместные задачи. Каждый кристалл воздействует на соседние как своей собственной энергией, так и той, что он принял от своих близких. Заряжая друг друга, кристаллы друзы излучают мощную энергию в окружающее пространство. Друзы прекрасно подходят для очистки помещения, поскольку они поглощают, трансформируют и излучают энергию.

Жеода (от греческого геодес , что означает «земляной», «землеподобный»)
— это геологические образования, пустоты в горных породах, стенки которых обычно выложены друзами кристаллов или сферолитовыми структурами. Форма жеоды может быть любая, но чаще она округлая или эллипсоидальная. Размеры их могут быть от нескольких миллиметров до нескольких метров. Самые большие жеоды могут достигать величины более 1 метра и именуются пещерами . Маленькие же, величиной менее 1 см называются миндалинами . Особенно часто встречаются жеоды, состоящие из минералов группы кварца (аметист, горный хрусталь, агат, цитрин, халцедон и др.), но характерны и для многих других минералов, отлагающихся в пустотах. Самая большая аметистовая жеода (Императрица Уругвая) весит 2,5 тонны и более 3 метров в величину.

Благодаря своей округлой форме жеоды собирают энергию внутрь, структурируют, очищают и излучают ее вовне через кристаллы. За счет вогнутой формы и множества кристаллов энергия усиливается, но в отличие от единичных кристаллов и друз она излучается более мягко. Жеоды считаются камнями шаманов, их используют для получения видений и вхождения в состояние измененного состояния. Жеода прекрасна не только для украшения дома, но и для очистки пространства от негативной энергии. Как и друзы жеоды можно и нужно заряжать энергией солнца, луны или свечи (огня).

Монокристалл
— это отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку. Внешняя форма монокристалла обусловлена его решёткой и условиями (в основном это скорость и однородность) кристаллизации. Медленно выращенный монокристалл почти всегда приобретает хорошо выраженную естественную огранку. А при большой скорости кристаллизации вместо монокристалла образуются однородные поликристаллы (или кристаллические зерна), состоящие из множества мелких монокристаллов. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить единичные кристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза, флюорита и др.

Монокристаллы являются прекрасными концентраторами, проводниками и преобразователями энергии. Двухконечные монокристаллы в отличие от кристаллов с одной вершиной могут одновременно проводить энергию в оба направления. В литотерапии монокристаллы используют для восстановления энергетических каналов, для четкого направления энергии камня к определенным органам. Монокристаллы способны вывести негативную и одновременно наполнить новой положительной энергией. Они отлично подходят для восстановления и структурирования личности, объединения сознания и духа.

Самым распространенным состоянием всех существующих веществ Земли и Космоса является кристаллическое состояние. Что это такое? На какие типы подразделяются кристаллы? Как можно вырастить кристалл в домашних условиях, читайте в статье.

Определение

Кристалл - это тело твердой консистенции многогранной формы. Его возникновение - результат расположения частиц: атомов, молекул, ионов в определенном порядке. Их задачей является образование рядов, плоских сеток и пространственных решеток.

Многогранные кристаллы могут быть:

• в виде кубиков - пириты;
• призм с заостренными концами - горный хрусталь;
• двенадцатигранников - гранат;
• восьмигранников - железная руда (магнетит);
• драгоценных камней - алмазы, топазы, рубины и другие.

Размеры этих образований бывают достаточно большие.

Кристалл - это тело, вершина которого должна соответствовать атому, иону, молекуле. Ребро, соответственно, - каждому ряду частиц, а грань - сетке. Если во много раз увеличить реальные кристаллы, то видно, что вершина, ребро и грань состоят из множества частиц, рядов, сеток, которые располагаются параллельно.

Какие бывают кристаллы?

Специалисты выявили разные типы кристаллов:

• Идеальные - представляют собой абстрактную модель, обладающую правильной формой, полной симметрией и ровными гранями. Другими словами, понятие идеального кристалла включает в себя полный набор лучших свойств и качеств, которыми он характеризуется.

• Реальные кристаллы - это действительно существующие в природе тела, у которых внутренняя структура может иметь дефекты, небезупречными бывают грани, а симметрия и вовсе понижена. Но реальный кристалл, несмотря на все недостатки, наделен главным свойством, делающим его кристаллом, - расположением частиц в закономерном порядке.

Выращивание кристалла из соли

Из соли можно вырастить кристаллы и в домашних условиях. Для этого понадобится соль, стеклянная емкость, нить, карандаш, вода. Итак, как вырастить кристалл соли?

1. В стакан с водой соль всыпают порциями и тщательно перемешивают, пока она не растворится полностью.
2. Жидкость ставят на огонь и прогревают до 90°С. Воду доводят до кипения, но не кипятят. Раствор охлаждают и процеживают - в нем не должно быть осадка.
3. Затем нить привязывают к карандашу, а к ней - кристаллик соли или пуговицу, которую предварительно нужно окунуть в соляной раствор и высушить.
4. Кончик нити с привязанной наживкой опускают в емкость с растворенной солью так, чтобы он не касался дна и стенок.
5. Емкость накрывают чистой салфеткой и помещают в теплое место. Температура должна быть постоянной.

Время, в течение которого будет расти кристалл, разное. Оно зависит от его желаемой величины.

Пространственная кристаллическая решетка

Если вместо частиц - ионов и атомов - поставить точки, то строение кристалла представляет собой пространство, которое заполнено точками, расположенными в закономерном порядке. Если их соединить линиями, получится пространственная решетка, состоящая из следующих элементов:

• узлов, которыми называются точки размещения частиц кристалла;
• рядов, представленных совокупностью узлов, которые через одинаковые расстояния периодически повторяются (узлы лежат вдоль прямых линий);
• промежутков, которыми называется расстояние от одного до другого равнозначного узла (эти промежутки ничтожно малы);
• плоской сетки, представляющей собой узлы и ряды, которые располагаются в единой плоскости.

Решетки бывают разными. Это зависит от того, какова природа частиц кристалла и связь между ними. Виды кристаллические решетки бывают:

• Ионные - узлы решеток содержат ионы, которые бывают положительными и отрицательными. Между собой они связаны взаимодействием, которое называется электростатическим. Ионы бывают простыми и сложными. В узлах хлорида натрия они простые, а сульфата калия - сложные. В таких кристаллах ионы связаны между собой прочно, а вещества отличаются твердостью, тугоплавкостью, они нелетучие и растворимы в воде.
• Металлические - такие решетки в своем составе имеют положительные ионы, свободные электроны и атомы металлов. Решетки образуются такими веществами, которые характеризуются металлической связью. Они свойственны простым металлам и их сплавам. Металлы, как правило, имеют разную температуру плавления, но все без исключения обладают металлическим блеском, пластичностью, ковкостью и хорошей электро- и теплопроводностью.

• Атомные - для узлов характерно наличие отдельных атомов, соединенных между собой так называемыми ковалентными связями. Решетку такого типа имеет алмаз, графит, кварц, песок, горный хрусталь и др. Эти вещества прочные и твердые, обладают высокой температурой плавления и кипения.
• Молекулярные - это решетки, узлы которых содержат молекулы, связанные между собой слабым взаимодействием, называемым межмолекулярным, хотя атомы в молекулах соединены прочно. Кристаллы с молекулярной кристаллической решеткой обладают маленькой твердостью и прочностью, низкой температурой плавления, а также кипения. Многим молекулярным веществам свойственно жидкое и газообразное состояние, они летучи и могут иметь запах. К веществам с такой связью относится вода, аммиак, нафталин, кислоты, глюкоза, сахар и т. п.

Причины изменения формы природных кристаллов

Свою форму кристаллы меняют по разным причинам. Одной из них является нарушение условий, в которых они образуются. Так, если магма будет застывать медленно, то у зерен кварца будут неправильные, криволинейные контуры. Другой пример, когда коренные породы разрушаются, их обломки сносятся водой. Поэтому часто в песках обнаруживаются кристаллы таких пород, как кварц, магнетит, гранат.

Форма таких недоразвитых кристаллов уродливая, их грани обломанные. Кристалл - это геометрически правильная форма, которая распространяется не только на поверхность кристалла, но и на внутреннее его строение. Между частицами здесь имеется расстояние, они не заполняют все пространство, то есть их расположение имеет определенный порядок, присущий только данному веществу.

На территории бывшего Советского Союза в 1958 году ученые нашли кристалл кварца гигантского размера. Его длина составляла 7,5 м, ширина - 1,5 м и масса - 70 т. Попадались кристаллы берилла массой 18 т и длиной 5 м. Хотя во время находок чаще встречаются кристаллики микроскопических размеров.

В восточной части Оренбургской области посчастливилось найти горный хрусталь, кристалл которого имел длину 170 см, ширину - 80 см, массу - 784 кг. Его иронично назвали «Малюткой». В настоящее время этот кристалл расположен у входа в Уральский музей геологии в городе Екатеринбурге.