Кристаллы как растут: Как образуются кристаллы — причины образования, видео выращивания на дому

Как образуются кристаллы — причины образования, видео выращивания на дому

Кристаллы возникают при переходе вещества из любого агрегатного состояния в твердое. Главным условием образования кристаллов является понижение температуры до определенного уровня, ниже которого частицы (атомы, ионы), потеряв избыток теплового движения, проявляют присущие им химические свойства и группируются в пространственную решетку.

Содержание

• Способы и факторы зарождения кристаллов
• Как вырастить кристалл из соли дома

Способы и факторы зарождения кристаллов

При температурах, измеряемых тысячами градусов, ни одно из известных в природе веществ в кристаллическом состоянии существовать не может. Вторым важным условием является давление. Температура и давление – это термодинамические условия существования кристаллического вещества. Высоко нагретое вещество при охлаждении может проходить стадии газообразной смеси, жидкости, расплава, твердого состояния. Поэтому возможны три способа образования кристаллов.

1. Кристаллизация путем возгонки – переход непосредственно из газообразного состояния к твердому. В этом случае кристаллы образуются прямо из пара, минуя жидкую фазу. Примером могут служить возгонка и перекристаллизация йода. В природе этот процесс происходит в кратерах, вулканических трещинах (налеты нашатыря, серы и др.). Зимой при ясной морозной погоде в воздухе образуются снежинки.
2. Раскристаллизация в твердом состоянии – переход из твердого состояния в твердое. Здесь возможны два процесса. Первый – кристаллическое вещество может образовываться из аморфного. Так, с течением времени раскристаллизовываются стекла и содержащие стекло вулканические породы. Второй процесс – перекристаллизация: структура одних веществ разрушается и образуются новые кристаллы с иной структурой. Явления перекристаллизации широко распространены в природе и ведут к образованию новых минералов, горных пород и руд. Все метаморфические горные породы в той или иной степени являются перекристаллизованными. Под влиянием температуры, давления и других факторов известняк, например, переходит в мрамор, глинистые породы – в филлиты и кристаллические сланцы, кварцевые песчаники – в кварциты.
3. Кристаллизация из расплавов и растворов – основной способ образования кристаллов в природе. Так образуются из огненно-жидкого силикатного расплава (магмы) массивные кристаллические породы – граниты. На дне озер, заливов и в море отлагаются кристаллы солей. Из расплавов и растворов выращиваются искусственные кристаллы (например, технические и драгоценные камни: пьезокварц, карборунд, рубин, алмаз, сапфир и др.).

Таким образом, основное условие зарождения – переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов – переохлаждение или перенасыщение. Зарождение кристаллов может идти самостоятельно. Но иногда для роста кристаллов достаточным бывает наличие мельчайших кристалликов самого кристаллизуемого вещества или близких к нему по строению частиц  других твердых веществ. Процесс образования кристаллов проходит скачкообразно, с выделением энергии, с перегруппировкой частиц, с резким изменением первоначальных свойств. Кристаллизационная способность у различных веществ неодинакова, она определяется количеством центров кристаллизации, образующихся в единицу времени в единице объема, и скоростью роста кристаллов. При большой скорости образования центров кристаллизации возникает много мелких кристаллов, при малом количестве центров возникают крупные кристаллы.

Как вырастить кристалл из соли дома

Можно самостоятельно проводить опыты по выращиванию кристаллов. Предварительно приготовляется измельченная в порошок навеска той или иной соли (квасцы, медный купорос и др.). Навеску насыпать в химически стеклянный или фарфоровый стакан и налить с помощью градуированной мензурки требуемое количество воды. Покрыв круглым (часовым) стеклом стакан, нагрейте его содержимое, чтобы ускорить растворение соли в воде. Затем полученный раствор профильтруйте.

Таблица 1 — Растворимость солей (в граммах) в 100 см³ воды.

Кристаллы растут » Детская энциклопедия (первое издание)

Строение и свойства кристаллов

Выращивание кристаллов

Как образуются кристаллы?

Когда испаряется («высыхает») соленая вода в кастрюле или сладкий чай в стакане, на стенках кастрюли или на дне стакана остается белый налет. В лупу можно разглядеть в нем мелкие блестящие кристаллики соли или сахара.

Если медленно испарять раствор квасцов или медного купороса, то через несколько дней из раствора вырастут довольно большие кристаллы.

Нетрудно сделать опыт выращивания кристаллов из расплава. Насыпьте в стеклянную колбу белого порошка водного гипосульфита натрия (фиксажа), который можно купить в магазине фотографических принадлежностей. Осторожно нагрейте колбу. Гипосульфит расплавится и превратится в жидкость. Заткните колбу ватой и быстро остудите ее под струей холодной воды. Если не трясти колбу, гипосульфит будет остывать, не кристаллизуясь. Когда он совсем остынет, бросьте в колбу крупинку твердого гипосульфита. Эта крупинка начнет быстро расти, от нее вытянутся иголки, лучи, лепестки; такие же иглы, пластинки, звезды, многогранники возникнут и в других местах колбы. Они будут быстро расти во все стороны, сталкиваться друг с другом, и через несколько минут вся жидкость затвердеет. Эти звездочки и многогранники — кристаллы гипосульфита, выросшие из расплава.

Узорная шестилучевая звездочка снежинки поражает своей симметрией.

Кристаллы могут образоваться и из пара. В морозном воздухе пар, который выдыхает человек, оседает белыми хлопьями. Они представляют собой скопления мелких кристаллов снега или льда, образовавшихся и выросших на морозе из водяного пара. Иней — это тоже закристаллизовавшиеся пары воды. Облака, которые мы видим на небе, — это скопление водяных капель или кристалликов снега; а снежные кристаллики вырастают либо из этих капель, либо из водяных паров, содержащихся в атмосфере.

Обледенение самолетов в арктических полетах — это тоже процесс роста кристаллов. В холодных верхних слоях атмосферы водяные пары могут долго сохраняться, не кристаллизуясь, но лишь только в эти пары врежется летящий самолет, как сейчас же начнется быстрый рост ледяных кристаллов, и в несколько минут самолет окажется облепленным грудой кристаллов льда.

Скорость роста кристалла по разным направлениям различна, так же как различны все другие свойства кристалла. В этом легко убедиться на опыте. Если обломать у кристалла все углы, обточить грани или выточить из кристалла шарик и поместить его в остывающий раствор или расплав того же вещества, кристалл начнет расти. Если бы скорость роста кристалла не зависела от направления, то шарик, вырастая, увеличивал бы свой объем, не изменяя формы. Он по-прежнему оставался бы шариком. Но опыт показывает, что это не так. На растущем кристаллическом шарике появляются крохотные плоские пятнышки — ровные площадки граней; в одних направлениях кристалл растет, в других он может растворяться. Постепенно увеличиваясь, расширяясь, грани встречаются друг с другом, и в конце концов весь шар превратится в многогранник; при этом разные грани растут с разной скоростью, почему и возникают различные формы кристаллов.

Таким образом, кристалл, лишенный своей многогранной формы, не теряет способности самоограняться. Многогранная форма кристалла зависит от того, что кристалл растет неравномерно, с различной скоростью по разным направлениям.

Итак, кристаллы растут. И замечательно, что они всегда растут в виде правильных симметричных многогранников, если только им ничто не мешает при росте. Как же растут кристаллы в природе?

В глубинах нашей планеты находится магма, т. е. сложный раствор-расплав множества различных веществ, дающий при остывании разные минералы с различным кристаллическим строением.

Почему же из однородной магмы получаются разные минералы? Каждое химическое вещество затвердевает или плавится при определенной температуре. Например, если вы будете нагревать кристалл льда, то до 0° кристалл остается неизменным. Но как только температура достигает 0°, кристалл  вдруг начнет плавиться, причем, сколько бы мы ни грели дальше, температура льда не будет повышаться, пока весь кристалл не расплавится. Лишь когда весь кристалл превратится в воду, температура воды начнет повышаться. Если же мы будем охлаждать воду, то точно при 0° жидкость закристаллизуется, и ее температура будет неизменной, пока вся вода не превратится н лед, после чего температура снова начнет падать.

Также и любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре, характерной для него, например для кварца 1713° и т. д.

У некристаллических тел нет постоянной температуры плавления (а следовательно, и температуры кристаллизации), при нагревании они размягчаются постепенно. В стекле уже и до нагревания все атомы расположены беспорядочно. При охлаждении расплавленное стекло становится все более вязким и застывает постепенно.

Кристалл кварца в Минералогическом музее Академии наук СССР.

Кристаллическое же вещество затвердевает сразу при определенной температуре кристаллизации.

Когда в глубинах земли магма постепенно застывает, химические вещества, составляющие ее, затвердевают не все сразу, а поочередно, потому что температура кристаллизации их различна. Поэтому магма распадается на разнородные, почти всегда состоящие из кристаллов минералы.

Мы говорили, что кристаллы всегда растут в виде правильных многогранников, если только им ничто не мешает при росте. Но ведь если много кристаллов растет вместе, то, увеличиваясь, они начинают сталкиваться, теснить друг друга. Если кристалл столкнулся с соседним кристаллом, дальше в эту сторону он уже расти не может, а в другие стороны он еще будет расти, пока ему опять не встретится помеха. В результате кристалл вырастает в одни стороны больше, чем в другие: получаются неправильные многогранники, бесформенные зерна. Вот почему в горных породах или в твердых металлах кристаллические «зерна» обычно имеют неправильные очертания. Отдельные кристаллики хорошо видны в микроскоп и даже простым глазом, но правильных многогранников среди них очень мало, а чаще и совсем нет.

Но почему же мы все-таки говорим, что характерным свойством кристаллов является их многогранная форма?

Потому, что если бы это же самое кристаллическое зерно росло не в тесноте, а так, чтобы ему ничто не мешало, то оно приняло бы форму правильного многогранника. Неправильная форма — это вынужденная форма кристалла. Кристаллу не удалось вырасти многогранным потому, что соседние кристаллы мешали ему расти свободно.

Кристаллы, растущие в больших пустотах и трещинах в земле, не теснят друг друга: именно там образуются великолепные громадные Многогранники горного хрусталя, берилла, полевых шпатов и других минералов. В таких «хрустальных погребах» Северного Урала найдены, например, кристаллы горного хрусталя идеально правильной формы весом до 500 кГ. А летом 1945 г. на Волыни был найден кристалл кварца весом около 10 Т. Его длина 2,7 м, ширина 1,5 м.

В музее Горного института в Ленинграде хранится кристалл горного хрусталя высотой почти в метр; он долгое время служил тумбой у ворот одного из домов г. Свердловска. На Алтае был найден кристалл берилла длиной в 1,3 ж.

Озера и моря — это природные лаборатории, в которых происходит рост кристаллов из растворов. Южный Урал, Донбасс, Западная Сибирь, Закавказье, Средняя Азия изобилуют соляными озерами, в воде которых растворено множество солей. Летом, когда под лучами палящего солнца вода озер быстро испаряется, из раствора начинают выделяться кристаллы соли, совсем так же, как оседает соляная накипь на дне и стенках кастрюли.

Эти кристаллы плавают на поверхности озера, отлагаются на берегах, оседают на дне. Так путем кристаллизации из раствора возникают месторождения солей.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Строение и свойства кристаллов

Выращивание кристаллов

Смитсоновское образование — минералы, кристаллы и драгоценные камни

Минералы: строительные блоки

Рожденные из жидкости, тепла и давления, минералы поражают нас своими захватывающими дух цветами и формами и поражают своей полезностью. Они выкованы под землей, где силы, действовавшие миллиарды лет, продолжают производить новые минералы. Минерал – это встречающееся в природе неорганическое (неживое) твердое вещество, имеющее определенный химический состав.

При поиске минералов в своей среде учащиеся могут найти один образец минерала, например, мрамор, представляющий собой чистый кальцит. Однако они, вероятно, найдут горные породы, представляющие собой смеси двух или более минералов. Например, гранит с его крошечными разноцветными зернами состоит из кварца, полевого шпата и слюды.

Кристаллы: форма

Большинство минералов встречаются в природе в виде кристаллов. Каждый кристалл имеет упорядоченную внутреннюю структуру атомов с характерным способом включения новых атомов в эту структуру, чтобы повторять ее снова и снова. Форма полученного кристалла — кубическая (как у соли) или шестигранная (как у снежинки) — отражает внутреннее расположение атомов. По мере роста кристаллов различия в температуре и химическом составе вызывают удивительные изменения. Но студенты редко найдут у себя во дворе минеральные кристаллы идеальной формы, которые они видят в музее. Это связано с тем, что для того, чтобы легко показать свою геометрическую форму и плоские поверхности, кристаллам нужны идеальные условия для роста и пространство для роста. Когда много разных кристаллов растет рядом друг с другом, они сливаются вместе, образуя конгломератную массу. Так обстоит дело с большинством горных пород, таких как упомянутый выше гранит, который состоит из множества крошечных минеральных кристаллов. Образцы музейного качества, показанные на изображениях здесь, выросли в просторных условиях, что позволило свободно формировать геометрические формы.

Внутреннее расположение атомов определяет все химические и физические свойства минералов, включая цвет. Свет взаимодействует с разными атомами, создавая разные цвета. Многие минералы в чистом виде бесцветны; однако примеси атомной структуры вызывают цвет. Кварц, например, обычно бесцветен, но встречается в диапазоне цветов от розового до коричневого и темно-фиолетового аметиста, в зависимости от количества и типа примесей в его структуре. В бесцветном состоянии кварц напоминает лед. На самом деле корень слова «хрусталь» происходит от греческого слова «9».0016 krystallos -лед — потому что древние греки считали чистый кварц льдом, застывшим настолько сильно, что он не мог растаять.

Ученые обычно описывают кристаллы как «растущие», хотя они и не живые. В подземных садах они ветвятся и ощетиниваются, когда триллионы атомов соединяются в регулярные трехмерные узоры. Каждый кристалл начинается с малого и растет по мере добавления новых атомов. Многие растут из воды, богатой растворенными минералами, но они также растут из расплавленной породы и даже пара. Под влиянием различных температур и давлений атомы объединяются в удивительное множество кристаллических форм. Именно это разнообразие и совершенство формы и симметрии издавна привлекали ученых к изучению минералов.
Симметрия – это регулярный повторяющийся рисунок составных частей. Симметрия присутствует в природе повсюду: парные крылья бабочки, мутовки и лепестки подсолнуха, рисунок снежинки, лапки паука, и минералы не являются исключением. В кристаллах эти повторяющиеся узоры встречаются в основной атомной структуре и отражают узор граней кристалла. Вы часто можете увидеть характерную симметрию минерального кристалла невооруженным глазом, но если кристалл крошечный, вам может понадобиться рассмотреть его с помощью увеличительного стекла или микроскопа (как будет продемонстрировано в плане урока 2). Поначалу может быть сложно распознать симметричные узоры в кристаллах, но опыт помогает: чем больше образцов вы смотрите, тем больше симметрии — и кристаллов — вы узнаете. Однако некоторые образцы не имеют хорошо сформированных кристаллов, и их трудно классифицировать даже специалистам.

Как формируются и растут кристаллы?

Кристалл или кристаллическое твердое вещество представляет собой твердый материал, компоненты которого, такие как атомы, молекулы или ионы, расположены в высокоупорядоченной микроскопической структуре, образуя кристаллическую решетку, простирающуюся во всех направлениях. Кроме того, макроскопические монокристаллы обычно идентифицируются по их геометрической форме, состоящей из плоских граней с определенной, характерной ориентацией.

Научное изучение кристаллов и их образования известно как кристаллография. Процесс образования кристаллов посредством механизмов роста кристаллов называется кристаллизацией или затвердеванием. Слово «кристалл» происходит от древнегреческого слова κρύσταλλος (krustallos), означающего как «лед», так и «горный хрусталь», от κρύος (kruos) «ледяной холод, мороз».

Большинство минералов встречаются в природе в виде кристаллов. Каждый кристалл имеет упорядоченную внутреннюю структуру атомов с характерным способом включения новых атомов в эту структуру, чтобы повторять ее снова и снова. Форма полученного кристалла — кубическая (как у соли) или шестигранная (как у снежинки) — отражает внутреннее расположение атомов. По мере роста кристаллов различия в температуре и химическом составе вызывают удивительные изменения. Но студенты редко найдут у себя во дворе минеральные кристаллы идеальной формы, которые они видят в музее. Это связано с тем, что для того, чтобы легко показать свою геометрическую форму и плоские поверхности, кристаллам нужны идеальные условия для роста и пространство для роста. Когда много разных кристаллов растет рядом друг с другом, они сливаются вместе, образуя конгломератную массу. Так обстоит дело с большинством горных пород, таких как упомянутый выше гранит, который состоит из множества крошечных минеральных кристаллов. Образцы музейного качества, показанные на изображениях здесь, выросли в просторных условиях, что позволило свободно формировать геометрические формы.

Внутреннее расположение атомов определяет все химические и физические свойства минералов, включая цвет. Свет взаимодействует с разными атомами, создавая разные цвета. Многие минералы в чистом виде бесцветны; однако примеси атомной структуры вызывают цвет. Кварц, например, обычно бесцветен, но встречается в диапазоне цветов от розового до коричневого и темно-фиолетового аметиста, в зависимости от количества и типа примесей в его структуре. В бесцветном состоянии кварц напоминает лед. На самом деле корень слова «кристалл» происходит от греческого слова krystallos — лед, потому что древние греки считали, что чистый кварц — это лед, застывший настолько сильно, что не может растаять.

Ученые обычно описывают кристаллы как «растущие», даже если они не живые. В подземных садах они ветвятся и ощетиниваются, когда триллионы атомов соединяются в регулярные трехмерные узоры. Каждый кристалл начинается с малого и растет по мере добавления новых атомов. Многие растут из воды, богатой растворенными минералами, но они также растут из расплавленной породы и даже пара. Под влиянием различных температур и давлений атомы объединяются в удивительное множество кристаллических форм. Именно это разнообразие и совершенство формы и симметрии издавна привлекали ученых к изучению минералов. Симметрия – это регулярный повторяющийся рисунок составных частей. Симметрия присутствует в природе повсюду: парные крылья бабочки, мутовки и лепестки подсолнуха, рисунок снежинки, лапки паука, и минералы не являются исключением. В кристаллах эти повторяющиеся узоры встречаются в основной атомной структуре и отражают узор граней кристалла. Вы часто можете увидеть характерную симметрию минерального кристалла невооруженным глазом, но если кристалл крошечный, вам может понадобиться рассмотреть его с помощью увеличительного стекла или микроскопа (как будет продемонстрировано в плане урока 2). Распознавание симметричных структур в кристаллах может быть трудным поначалу, но опыт помогает: чем больше образцов вы смотрите, тем больше симметрии и кристаллов вы узнаете. Однако некоторые образцы не имеют хорошо сформированных кристаллов, и их трудно классифицировать даже специалистам.

Кристаллическая структура

Схема расположения атомов в кристаллическом, поликристаллическом и аморфном веществе.

Научное определение «кристалла» основано на микроскопическом расположении атомов внутри него, называемом кристаллической структурой. Кристалл – это твердое тело, в котором атомы образуют периодическое расположение.

Не все твердые тела являются кристаллами. Например, когда жидкая вода начинает замерзать, фазовый переход начинается с маленьких кристаллов льда, которые растут, пока не сливаются, образуя поликристаллическую структуру. В последней глыбе льда каждый из маленьких кристаллов (называемых «кристаллитами» или «зернами») является настоящим кристаллом с периодическим расположением атомов, но весь поликристалл не имеет периодического расположения атомов, потому что периодическая структура ломается по границам зерен. Большинство макроскопических неорганических твердых тел являются поликристаллическими, включая почти все металлы, керамику, лед, камни и т. д. Твердые тела, которые не являются ни кристаллическими, ни поликристаллическими, например стекло, называются аморфными твердыми телами, также называемыми стекловидными, стекловидными или некристаллическими. Они не имеют периодического порядка, даже микроскопически. Между кристаллическими твердыми телами и аморфными твердыми телами есть явные различия: в первую очередь, процесс формирования стекла не высвобождает скрытую теплоту плавления, а образование кристалла выделяет.

Кристаллическая структура (расположение атомов в кристалле) характеризуется элементарной ячейкой, небольшой воображаемой коробкой, содержащей один или несколько атомов в определенном пространственном расположении. Элементарные ячейки уложены друг на друга в трехмерном пространстве, образуя кристалл.

Симметрия кристалла ограничена требованием идеальной укладки элементарных ячеек без зазоров. Существует 219 возможных кристаллических симметрий, называемых кристаллографическими пространственными группами. Они сгруппированы в 7 кристаллических систем, таких как кубическая кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать кубы или прямоугольные коробки, такие как галит, показанный справа) или гексагональная кристаллическая система (где кристаллы могут образовывать шестиугольники, такие как обычный водяной лед).

Грани и формы кристаллов

Кристаллы обычно узнаются по форме, состоящей из плоских граней с острыми углами. Эти характеристики формы не являются необходимыми для кристалла — кристалл научно определяется его микроскопическим расположением атомов, а не его макроскопической формой, — но характерная макроскопическая форма часто присутствует и ее легко увидеть.

Иоэдрические кристаллы — это кристаллы с четко выраженными плоскими гранями правильной формы. Квадратные кристаллы этого не делают, обычно потому, что кристалл представляет собой одно зерно в поликристаллическом твердом теле.

Плоские грани (также называемые гранями) идиоморфного кристалла ориентированы определенным образом относительно основного расположения атомов кристалла: это плоскости с относительно низким индексом Миллера. Это происходит потому, что некоторые ориентации поверхности более стабильны, чем другие (более низкая поверхностная энергия). По мере роста кристалла новые атомы легко прикрепляются к более шероховатым и менее стабильным частям поверхности, но менее легко к плоским, стабильным поверхностям. Следовательно, плоские поверхности стремятся стать больше и сглаженнее, пока вся поверхность кристалла не будет состоять из этих плоских поверхностей. (См. схему справа.)

Один из старейших методов в науке о кристаллографии состоит в измерении трехмерных ориентаций граней кристалла и использовании их для определения основной симметрии кристалла.

Привычка кристалла — это его видимая внешняя форма. Это определяется кристаллической структурой (которая ограничивает возможную ориентацию граней), специфической кристаллохимией и связями (которые могут отдавать предпочтение одним типам граней по сравнению с другими), а также условиями, в которых образовался кристалл.

Встречается в природе

Горные породы

Кристаллы кальцита внутри раковины цистоидного Echinosphaerites aurantium (средний ордовик, Эстония). Предоставлено: Марк А. Уилсон

По объему и весу самые большие концентрации кристаллов на Земле являются частью ее твердой породы. Кристаллы, обнаруженные в горных породах, обычно имеют размер от долей миллиметра до нескольких сантиметров в поперечнике, хотя иногда встречаются исключительно крупные кристаллы. По состоянию на 1999 год самым большим в мире известным природным кристаллом является кристалл берилла из Малакиалины, Мадагаскар, 18 м (59футов) в длину и 3,5 м (11 футов) в диаметре и весом 380 000 кг (840 000 фунтов).

Некоторые кристаллы образовались в результате магматических и метаморфических процессов, что привело к образованию больших масс кристаллической породы. Подавляющее большинство изверженных горных пород образовано из расплавленной магмы, и степень кристаллизации зависит прежде всего от условий, в которых они затвердели. Такие горные породы, как гранит, охлаждавшиеся очень медленно и под большим давлением, полностью кристаллизовались; но многие виды лавы изливались на поверхность и очень быстро охлаждались, и в этой последней группе обычно встречается небольшое количество аморфного или стекловидного вещества. Другие кристаллические породы, метаморфические породы, такие как мраморы, слюдяные сланцы и кварциты, перекристаллизовываются. Это означает, что сначала они были обломочными породами, такими как известняк, сланец и песчаник, и никогда не находились ни в расплавленном состоянии, ни полностью в растворе, но условия метаморфизма с высокой температурой и давлением воздействовали на них, стирая их первоначальную структуру и вызывая рекристаллизацию в твердое состояние.

Другие кристаллы горных пород образовались в результате осаждения из жидкостей, обычно воды, с образованием друз или кварцевых жил. Эвапориты, такие как галит, гипс и некоторые известняки, отлагались из водного раствора, в основном за счет испарения в засушливом климате.

Снежные хлопья Авторы и права: Wilson Bentley

Лед

Лед на водной основе в виде снега, морского льда и ледников является очень распространенным проявлением кристаллического или поликристаллического вещества на Земле. Одна снежинка обычно представляет собой монокристалл, а кубик льда — поликристалл.

Органогенные кристаллы

Многие живые организмы способны образовывать кристаллы, например, кальцит и арагонит в случае большинства моллюсков или гидроксилапатит в случае позвоночных.

Кристаллизация

Кристаллизация – это процесс формирования кристаллической структуры из жидкости или из материалов, растворенных в жидкости. (Реже кристаллы могут осаждаться непосредственно из газа; см. осаждение тонких пленок и эпитаксия.)

Кристаллизация — сложная и широко изучаемая область, поскольку в зависимости от условий одна и та же жидкость может затвердевать во множестве различных возможных форм. Он может образовывать монокристалл, возможно, с различными возможными фазами, стехиометриями, примесями, дефектами и габитусами. Или он может образовывать поликристалл с различными размерами, расположением, ориентацией и фазой зерен. Окончательная форма твердого тела определяется условиями, при которых жидкость затвердевает, такими как химический состав жидкости, давление окружающей среды, температура и скорость изменения всех этих параметров.

Конкретные промышленные методы производства крупных монокристаллов (называемых булями) включают процесс Чохральского и метод Бриджмена. Могут использоваться и другие менее экзотические методы кристаллизации, в зависимости от физических свойств вещества, включая гидротермальный синтез, сублимацию или просто кристаллизацию на основе растворителя.

Крупные монокристаллы могут образовываться в результате геологических процессов. Например, кристаллы селенита высотой более 10 метров найдены в Пещере кристаллов в Найке, Мексика. Подробнее о геологическом образовании кристаллов см. выше.

Кристаллы также могут образовываться в результате биологических процессов, см. выше. И наоборот, у некоторых организмов есть специальные методы предотвращения кристаллизации, например, антифризные белки.

Дефекты, примеси и двойникование

Двойниковая группа кристаллов пирита.

Идеальный кристалл имеет каждый атом в идеальном, точно повторяющемся узоре. Однако в действительности большинство кристаллических материалов имеют различные кристаллографические дефекты, места, где рисунок кристалла прерывается. Типы и структуры этих дефектов могут оказывать сильное влияние на свойства материалов.

Некоторые примеры кристаллографических дефектов включают вакансионные дефекты (пустое место, где должен поместиться атом), междоузельные дефекты (лишний атом, втиснутый туда, где он не помещается) и дислокации (см. рисунок справа). Дислокации особенно важны в материаловедении, потому что они помогают определить механическую прочность материалов.

Другим распространенным типом кристаллографического дефекта является примесь, означающая, что в кристалле присутствует «неправильный» тип атома. Например, идеальный кристалл алмаза будет содержать только атомы углерода, а настоящий кристалл, возможно, также будет содержать несколько атомов бора. Эти примеси бора изменяют цвет алмаза на слегка голубой. Точно так же единственная разница между рубином и сапфиром заключается в типе примесей, присутствующих в кристалле корунда.

В полупроводниках особый тип примеси, называемый легирующей примесью, резко изменяет электрические свойства кристалла. Полупроводниковые устройства, такие как транзисторы, стали возможными благодаря тому, что различные полупроводниковые примеси помещались в разные места по определенным схемам.

Двойникование — это нечто среднее между кристаллографическим дефектом и границей зерна. Подобно границе зерен, граница двойников имеет разные ориентации кристаллов с двух сторон. Но в отличие от границы зерна, ориентации не случайны, а связаны определенным образом, зеркально.

Мозаичность — это разброс ориентаций кристаллических плоскостей. Предполагается, что мозаичный кристалл состоит из более мелких кристаллических единиц, которые несколько смещены друг относительно друга.

Квазикристаллы

Материал Гольмий-Магний-Цинк (Ho-Mg-Zn) образует квазикристаллы

Квазикристалл состоит из массивов упорядоченных, но не строго периодических атомов. У них есть много общих свойств с обычными кристаллами, например, отображение дискретного рисунка при дифракции рентгеновских лучей и способность образовывать формы с гладкими плоскими гранями.

Квазикристаллы наиболее известны своей способностью проявлять пятикратную симметрию, которая невозможна для обычного периодического кристалла (см. кристаллографическую теорему ограничения).

Международный союз кристаллографов изменил определение термина «кристалл», включив в него как обычные периодические кристаллы, так и квазикристаллы («любое твердое тело, имеющее по существу дискретную дифракционную диаграмму»).

Квазикристаллы, впервые обнаруженные в 1982 году, на практике встречаются довольно редко. Известно, что только около 100 твердых тел образуют квазикристаллы по сравнению с примерно 400 000 периодических кристаллов, измеренных на сегодняшний день. Нобелевская премия по химии 2011 года была присуждена Дэну Шехтману за открытие квазикристаллов.

Кристаллография

Кристаллография — это наука об измерении кристаллической структуры (другими словами, расположения атомов) кристалла. Одним из широко используемых методов кристаллографии является дифракция рентгеновских лучей.