Conferencia 16
Propiedades físicas de los cristales.
La física del estado sólido es el estudio de la estructura y propiedades físicas de los sólidos. Establece la dependencia de las propiedades físicas de la estructura atómica de una sustancia, desarrolla métodos para obtener y estudiar nuevos materiales cristalinos con características específicas.
Las propiedades físicas de los cristales están determinadas por:
1) naturaleza elementos químicos, incluido en los cristales;
2) tipo de enlace químico;
3) la naturaleza geométrica de la estructura, es decir, la disposición relativa de los átomos en la estructura cristalina;
4) imperfección de la estructura, es decir presencia de defectos.
Por otro lado, es por las propiedades físicas de los cristales que normalmente juzgamos el tipo de enlace químico.
La resistencia de los cristales se puede juzgar más fácilmente por sus propiedades mecánicas y térmicas. Cuanto más fuerte es el cristal, mayor es su dureza y mayor su punto de fusión. Si estudiamos el cambio de dureza con un cambio de composición en una serie de sustancias del mismo tipo y comparamos los datos obtenidos con valores correspondientes Para las temperaturas de fusión, entonces se puede notar un "paralelismo" en el cambio en estas propiedades.
Permítanme recordarles que el rasgo más característico de las propiedades físicas de los cristales es su simetría y anisotropía. Un medio anisotrópico se caracteriza por la dependencia de la propiedad medida de la dirección de medición.
Ya hemos dicho que la química cristalina está muy relacionada con la cristalografía y la física. Es por eso, la tarea principal de la física de los cristales(la rama de la cristalografía que estudia propiedades físicas cristales) es el estudio de las regularidades de las propiedades físicas de los cristales a partir de su estructura, así como la dependencia de estas propiedades de influencias externas.
Las propiedades físicas de las sustancias se pueden dividir en dos grupos: propiedades sensibles a la estructura y propiedades insensibles a la estructura. Los primeros dependen de la estructura atómica de los cristales, los segundos principalmente de la estructura electrónica y del tipo de enlace químico. Un ejemplo de las primeras son las propiedades mecánicas (masa, densidad, capacidad calorífica, punto de fusión, etc.), un ejemplo de las segundas es la conductividad térmica y eléctrica, las propiedades ópticas y otras.
Así, se observará una buena conductividad eléctrica de los metales, debido a la presencia de electrones libres, no solo en los cristales, sino también en los metales fundidos.
La naturaleza iónica del enlace se manifiesta, en particular, en el hecho de que muchas sales, por ejemplo, los haluros de metales alcalinos, se disuelven en disolventes polares y se disocian en iones. Sin embargo, el hecho de la falta de solubilidad aún no puede servir como prueba de la presencia de un enlace apolar en un compuesto. Así, la energía de enlace, por ejemplo, de los óxidos es mucho mayor que la energía de enlace de los haluros alcalinos, que la constante dieléctrica del agua ya no es suficiente para separar los iones del cristal.
Además, algunos compuestos, predominantemente con un tipo de enlace homeopolar, bajo la influencia de una constante dieléctrica alta de un disolvente polar, pueden disociarse en iones en solución, aunque en estado cristalino pueden no ser compuestos iónicos (por ejemplo, HCl, HBr).
En compuestos heterodésmicos, algunas propiedades, p. fuerza mecánica Las conexiones dependen solo de un tipo de conexión (la más débil).
Por tanto, un cristal puede considerarse, por un lado, como un medio discontinuo (discreto). Por otro lado, una sustancia cristalina puede considerarse como un medio anisotrópico continuo. En este caso, las propiedades físicas que aparecen en una determinada dirección no dependen de las traslaciones. Esto hace posible describir la simetría de propiedades físicas utilizando grupos de simetría puntual.
Al describir la simetría de un cristal, tenemos en cuenta únicamente la forma externa, es decir, consideramos la simetría de figuras geométricas. P. Curie demostró que la simetría de las figuras materiales se describe mediante un número infinito de grupos de puntos, que en el límite tienden a los siete grupos de simetría límite previamente considerados (familias de un cono giratorio, un cono fijo, un cilindro giratorio, un retorcido cilindro, cilindro fijo, familia de bolas con puntos de superficie giratoria, familia de bolas fijas).
Grupos de puntos límite - Grupos de Curie - se llaman grupos de puntos que contienen ejes de órdenes infinitos. Sólo hay siete grupos de límites: ¥, ¥mm, ¥/m, ¥22, ¥/mm, ¥/¥, ¥/¥mm.
La conexión entre el grupo puntual de simetría de un cristal y la simetría de sus propiedades físicas fue formulada por el físico alemán F. Neumann: un material, con respecto a sus propiedades físicas, exhibe simetría del mismo tipo que su forma cristalográfica. Esta posición se conoce como principio de Neumann.
Un alumno de F. Neman, el físico alemán W. Voigt, aclaró significativamente este principio y lo formuló de la siguiente manera: un grupo de simetría de cualquier propiedad física debe incluir todos los elementos del grupo de simetría puntual de un cristal.
Consideremos algunas propiedades físicas de los cristales.
Densidad cristalina.
La densidad de una sustancia depende de la estructura cristalina de la sustancia, su composición química, el coeficiente de empaquetamiento atómico, las valencias y los radios de las partículas que la componen.
La densidad cambia con los cambios de temperatura y presión, porque estos factores provocan la expansión o contracción de una sustancia.
La dependencia de la densidad de la estructura se puede demostrar utilizando el ejemplo de tres modificaciones de Al2SiO5:
· andalucita (r = 3,14 – 3,16 g/cm3);
· silimanita (r = 3,23 – 3,27 g/cm3);
· cianita (r = 3,53 – 3,65 g/cm3).
A medida que aumenta el coeficiente de empaquetamiento de la estructura cristalina, aumenta la densidad de la sustancia. Por ejemplo, durante la transición polimórfica del grafito al diamante con un cambio en el número de coordinación de los átomos de carbono de 3 a 4, la densidad aumenta correspondientemente de 2,2 a 3,5 g/cm3).
La densidad de los cristales reales suele ser menor que la densidad calculada (de los cristales ideales) debido a la presencia de defectos en sus estructuras. La densidad del diamante, por ejemplo, oscila entre 2,7 y 3,7 g/cm3. Por lo tanto, al reducir la densidad real de los cristales, se puede juzgar el grado de defecto.
La densidad también cambia con un cambio en la composición química de una sustancia durante las sustituciones isomorfas, cuando se pasa de un miembro de una serie isomorfa a otro. Por ejemplo, en la serie olivino. (magnesio, fe2+ )2[ SiO4 ] la densidad aumenta a medida que los cationes Mg2+ son reemplazados por Fe2+ de r = 3,22 g/cm3 para forsterita magnesio2 [ SiO4 ] hasta r = 4,39 g/cm3 para fayalita.
Dureza.
La dureza se refiere al grado de resistencia de un cristal a las influencias externas. La dureza no es una constante física. Su valor depende no sólo del material en estudio, sino también de las condiciones de medición.
La dureza depende de:
· tipo de estructura;
· factor de embalaje (gravedad específica);
·carga de los iones que forman el cristal.
Por ejemplo, los polimorfos de CaCO3 (calcita y aragonita) tienen densidades de 3 y 4, respectivamente, y se distinguen por diferentes densidades de sus estructuras:
· para la estructura de calcita con CSFa = 6 - r = 2,72;
· para la estructura del aragonito con CSFa = 9 - r = 2,94 g/cm3).
En una serie de cristales construidos de manera idéntica, la dureza aumenta al aumentar las cargas y disminuir el tamaño de los cationes. La presencia en las estructuras de aniones bastante grandes, como moléculas de F-, OH- y H2O, reduce la dureza.
Las caras de diferentes formas cristalinas tienen diferentes densidades reticulares y difieren en su dureza. Así, las caras del octaedro (111), que tienen una mayor densidad reticular respecto a las caras del cubo (100), presentan la mayor dureza en la estructura del diamante.
Capacidad de deformarse.
La capacidad de un cristal para sufrir deformación plástica está determinada, en primer lugar, por la naturaleza del enlace químico entre sus elementos estructurales.
Enlace covalente, que tiene una direccionalidad estricta, se debilita drásticamente incluso con desplazamientos insignificantes de átomos entre sí. Por tanto, los cristales con enlace de tipo covalente (Sb, Bi, As, se, etc.) no presentan la capacidad de sufrir deformación plástica.
Conexión metálica no tiene carácter direccional y cambia débilmente cuando los átomos se desplazan entre sí. Esto determina alto grado plasticidad de los metales (maleabilidad). Los metales más maleables son aquellos cuyas estructuras se construyen según la ley del empaquetamiento cúbico, que tiene cuatro direcciones de capas compactas. Metales menos maleables con empaquetadura hexagonal cerrada, con una dirección de las capas más densas. Así, entre las modificaciones polimórficas del hierro, a-Fe y b-Fe casi no tienen maleabilidad (red tipo I), mientras que g-Fe con empaquetamiento cúbico cerrado (red cúbica centrada en las caras) es un metal maleable como Cu, Pt, Au, Ag, etc.
Enlace iónico no tiene carácter direccional. Por tanto, los cristales iónicos típicos (NaCl, CaF2, CaTe, etc.) son tan frágiles como los cristales con un enlace covalente. Pero al mismo tiempo tienen una plasticidad bastante alta. El deslizamiento en ellos se produce según determinadas direcciones cristalográficas. Esto se explica por el hecho de que en la estructura cristalina se pueden distinguir (110) redes formadas por iones Na+ solos o por iones Cl-. Durante la deformación plástica, una malla plana se mueve con respecto a su vecina de tal manera que los iones Na+ se deslizan a lo largo de los iones Cl-. La diferencia en las cargas de los iones en las redes vecinas evita la ruptura y permanecen paralelas a su posición original. El deslizamiento a lo largo de estas capas se produce con una alteración mínima en la disposición de los átomos y es el más fácil.
Propiedades térmicas de los cristales.
La conductividad térmica está estrechamente relacionada con la simetría. Esto se puede demostrar más claramente en el siguiente experimento. Cubrimos con una fina capa de parafina las caras de tres cristales: un cubo, un prisma hexagonal y un paralelepípedo recto. Usando la punta de una fina aguja caliente, tocamos cada una de las caras de estos cristales. A partir de los contornos de los puntos de fusión, se puede juzgar la velocidad de propagación del calor en los planos de las caras en varias direcciones.
En un cristal cúbico, los contornos de los puntos de fusión en todas las caras tendrán la forma de un círculo, lo que indica la misma velocidad de propagación del calor en todas direcciones desde el punto de contacto con la aguja caliente. La forma de las manchas en la idea de círculos en todas las caras de un cristal cúbico está relacionada con su simetría.
La forma de los puntos en las caras superior e inferior del prisma hexagonal también tendrá la forma de un círculo (la velocidad de propagación del calor en el plano perpendicular al eje principal del cristal de categoría media es la misma en todas las direcciones). En las caras de un prisma hexagonal, los puntos de fusión tendrán forma de elipses, ya que los ejes de segundo orden discurren perpendiculares a estas caras.
En todas las caras de un paralelepípedo recto (cristal de sistema ortogonal), los puntos de fusión tendrán forma de elipse, ya que los ejes de segundo orden discurren perpendiculares a estas caras.
Entonces, la velocidad de propagación del calor a través del cuerpo cristalino depende directamente del elemento de simetría lineal a lo largo del cual se propaga. En cristales cúbicos la superficie de distribución de calor tendrá forma de esfera. En consecuencia, en cuanto a la conductividad térmica, los cristales cúbicos son isotrópicos, es decir, iguales en todas las direcciones. Superficie de conductividad térmica cristales de categoría media expresado por un elipsoide de revolución (paralelo al eje principal). EN cristales de las categorías más bajas y todas las superficies de conductividad térmica tienen forma de elipsoide.
La anisotropía de la conductividad térmica está estrechamente relacionada con la estructura de la sustancia cristalina. Por tanto, las redes y filas atómicas más densas corresponden a grandes valores de conductividad térmica. Por lo tanto, los cristales en capas y en cadena tienen grandes diferencias en las direcciones de conductividad térmica.
La conductividad térmica también depende del grado de defecto del cristal: para los cristales más defectuosos es menor que para los sintéticos. Una sustancia en estado amorfo tiene una conductividad térmica menor que los cristales de la misma composición. Por ejemplo, la conductividad térmica del vidrio de cuarzo es significativamente menor que la conductividad térmica de los cristales de cuarzo. El uso generalizado de cristalería de cuarzo se basa en esta propiedad.
Propiedades ópticas.
Cada sustancia con una estructura cristalina específica se caracteriza por propiedades ópticas únicas. Las propiedades ópticas están estrechamente relacionadas con la estructura cristalina de los sólidos y su simetría.
En cuanto a las propiedades ópticas, todas las sustancias se pueden dividir en ópticamente isotrópicas y anisotrópicas. Los primeros incluyen cuerpos amorfos y cristales. categoría más alta, al segundo - todo lo demás. En medios ópticamente isotrópicos, una onda de luz, que es un conjunto de oscilaciones armónicas transversales de naturaleza electromagnética, se propaga a la misma velocidad en todas direcciones. En este caso, las oscilaciones del vector de intensidad del campo eléctrico y magnético también se producen en todas las direcciones posibles, pero en un plano perpendicular a la dirección del haz. En su dirección se transfiere energía luminosa. Este tipo de luz se llama natural o no polarizado(Figura a, b).
En medios ópticamente anisotrópicos, las velocidades de propagación de las ondas en diferentes direcciones pueden ser diferentes. Bajo ciertas condiciones, el llamado luz polarizada, para el cual todas las oscilaciones del vector del campo eléctrico y magnético ocurren en una dirección estrictamente definida (Figura c, d). El comportamiento de dicha luz polarizada en cristales se basa en la técnica de estudios ópticos de cristales utilizando un microscopio polarizador.
Birrefringencia de la luz en cristales.
polarizados linealmente con planos de oscilación mutuamente perpendiculares. La descomposición de la luz en dos haces polarizados se llama birrefringencia o birrefringencia.
La birrefringencia de la luz se observa en cristales de todos los sistemas, a excepción del cúbico. En los cristales de las categorías inferior y media, la birrefringencia se produce en todas las direcciones, con excepción de una o dos direcciones, llamadas ejes ópticos.
El fenómeno de la birrefringencia está asociado a la anisotropía de los cristales. La anisotropía óptica de los cristales se expresa en el hecho de que la velocidad de propagación de la luz en ellos es diferente en diferentes direcciones.
EN cristales de grado medio Entre las muchas direcciones de la anisotropía óptica, hay una única dirección: eje óptico, coincidiendo con el eje principal de simetría de tercer, cuarto, sexto orden. La luz viaja en esta dirección sin dividirse.
EN cristales de la categoría más baja Hay dos direcciones en las que la luz no se divide. Las secciones de cristal perpendiculares a estas direcciones coinciden con secciones ópticamente isotrópicas.
Influencia de las características estructurales sobre las propiedades ópticas.
En estructuras cristalinas con capas de átomos muy juntos, la distancia entre los átomos dentro de una capa excede la distancia entre los átomos más cercanos ubicados en capas adyacentes. Este orden conduce a una polarización más sencilla si el vector de tensión del campo eléctrico de la onda luminosa es paralelo al plano de las capas.
Propiedades electricas.
Todas las sustancias se pueden dividir en conductores, semiconductores y dieléctricos.
Algunos cristales (dieléctricos) se polarizan bajo la influencia de influencias externas. La capacidad de los dieléctricos para polarizarse es una de sus propiedades fundamentales. La polarización es un proceso asociado con la creación de dipolos eléctricos en un dieléctrico bajo la influencia de un campo eléctrico externo.
En cristalografía y física del estado sólido, los fenómenos piezoelectricidad y piroelectricidad.
Efecto piezoeléctrico – Cambio en la polarización de algunos cristales dieléctricos durante la deformación mecánica. La magnitud de las cargas resultantes es proporcional a la fuerza aplicada. El signo de la carga depende del tipo de estructura cristalina. El efecto piezoeléctrico se produce sólo en cristales que carecen de centro de inversión, es decir, que tienen direcciones polares. Por ejemplo, cristales de cuarzo SiO2, esfalerita (ZnS).
Efecto piroeléctrico – la aparición de cargas eléctricas en la superficie de algunos cristales cuando se calientan o enfrían. El efecto piroeléctrico se produce sólo en cristales dieléctricos con una única dirección polar, cuyos extremos opuestos no pueden combinarse mediante ninguna operación de un grupo de simetría determinado. La aparición de cargas eléctricas sólo puede ocurrir a lo largo de ciertos direcciones polares. Las caras perpendiculares a estas direcciones reciben cargas de distinto signo: una es positiva y la otra negativa. El efecto piroeléctrico puede ocurrir en cristales que pertenecen a una de las clases de simetría polar: 1, 2, 3, 4, 6, m, mm2, 3m, 4mm, 6mm.
De la cristalografía geométrica se deduce que las direcciones que pasan por el centro de simetría no pueden ser polares. Las direcciones perpendiculares a planos de simetría o ejes de orden par tampoco pueden ser polares.
Hay dos subclases en la clase de piroeléctricos. El primero incluye piroeléctricos lineales, en los que, en un campo externo, la polarización eléctrica depende linealmente de la intensidad del campo eléctrico. Por ejemplo, turmalina NaMgAl3B3.Si6(O, OH)30.
Los cristales de la segunda subclase se denominan ferroeléctricos. En ellos, la dependencia de la polarización de la intensidad del campo externo no es lineal y la polarizabilidad depende de la intensidad del campo externo. La dependencia no lineal de la polarización de la intensidad del campo eléctrico se caracteriza por un bucle de histéresis. Esta característica de los ferroeléctricos sugiere que retienen la polarización eléctrica en ausencia de un campo externo. Gracias a esto, los cristales de sal de Rochelle (de ahí el nombre ferroeléctricos) resultaron ser guardianes fiables. energía eléctrica y grabadores de señales eléctricas, lo que permite su uso en “celdas de memoria” de una computadora.
Propiedades magnéticas.
Esta es la capacidad de los cuerpos para interactuar con un campo magnético, es decir, magnetizarse cuando se colocan en un campo magnético. Dependiendo del valor de la susceptibilidad magnética, se distinguen cristales diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos y antiferromagnéticos.
Las propiedades magnéticas de todas las sustancias dependen no sólo de las características de su estructura cristalina, sino también de la naturaleza de sus átomos (iones), es decir, el magnetismo está determinado por la estructura electrónica de las capas y núcleos, así como por el movimiento orbital de electrones a su alrededor (espines).
Cuando un átomo (ion) se introduce en un campo magnético, la velocidad angular de los electrones en órbita cambia debido al hecho de que al movimiento de rotación inicial de los electrones alrededor del núcleo se superpone un movimiento de rotación adicional, como resultado de lo cual el El átomo recibe un momento magnético adicional. Además, si todos los electrones con espines opuestos en un átomo se agrupan en pares (Figura A), entonces los momentos magnéticos de los electrones resultarán compensados y su momento magnético total será igual a cero. Estos átomos se denominan diamagnéticos y las sustancias que los componen se denominan materiales diamagnéticos. Por ejemplo, gases inertes, metales del subgrupo B: Cu, Ag, Au, Zn, Cd, la mayoría de los cristales iónicos (NaCl, CaF2), así como sustancias con un enlace covalente predominante: Bi, Sb, Ga, grafito. En cristales con estructuras en capas, la susceptibilidad magnética para las direcciones que se encuentran en la capa excede significativamente a la de las direcciones perpendiculares.
al llenar capas de electrones En los átomos, los electrones tienden a estar desapareados. Por lo tanto hay un gran número de sustancias, los momentos magnéticos de los electrones, en cuyos átomos, están ubicados aleatoriamente y en ausencia de externos campo magnético En ellos no se produce la orientación espontánea de los momentos magnéticos (Figura B). El momento magnético total debido a los electrones que no están unidos en pares e interactúan débilmente entre sí será constante, positivo o ligeramente mayor que el de los dieléctricos. Estos átomos se llaman magnéticos y las sustancias se llaman paramagnético. Cuando se introduce un paraimán en un campo magnético, los espines desorientados adquirirán cierta orientación, como resultado de lo cual se observan tres tipos de orden de los momentos magnéticos no compensados: tres tipos de fenómenos: ferromagnetismo (Figura B), antiferromagnetismo (Figura D) y ferrimagnetismo (Figura D).
Propiedades ferromagnéticas Poseen sustancias cuyos momentos magnéticos de los átomos (iones) se dirigen paralelos entre sí, como resultado de lo cual el campo magnético externo puede intensificarse millones de veces. El nombre del grupo está asociado a la presencia de elementos del subgrupo de hierro Fe, Ni, Co.
Si los momentos magnéticos de los átomos individuales son antiparalelos e iguales, entonces el momento magnético total de los átomos es cero. Estas sustancias se llaman antiferromagnetos. Estos incluyen óxidos de metales de transición: MnO, NiO, CoO, FeO, muchos fluoruros, cloruros, sulfuros, seleniuros, etc.
Cuando los momentos antiparalelos de los átomos de la estructura cristalina son desiguales, el momento total resulta distinto de cero y dichas estructuras tienen magnetización espontánea. Propiedades similares tener ferritas(Fe3O4, minerales del grupo granate).
Al observar varios cristales, vemos que todos tienen formas diferentes, pero cada uno de ellos representa un cuerpo simétrico. De hecho, la simetría es una de las principales propiedades de los cristales. Llamamos simétricos a los cuerpos que están formados por partes iguales e idénticas.
Todos los cristales son simétricos. Esto significa que en cada poliedro cristalino se pueden encontrar planos de simetría, ejes de simetría, centros de simetría y otros elementos de simetría para que partes idénticas del poliedro encajen entre sí. Introduzcamos otro concepto relacionado con la simetría: la polaridad.
Cada poliedro cristalino tiene un determinado conjunto de elementos de simetría. El conjunto completo de todos los elementos de simetría inherentes a un cristal determinado se denomina clase de simetría. Su número es limitado. Matemáticamente Se ha comprobado que existen 32 tipos de simetría en los cristales.
Consideremos con más detalle los tipos de simetría en un cristal. En primer lugar, los cristales pueden tener ejes de simetría de sólo 1, 2, 3, 4 y 6 órdenes. Obviamente, los ejes de simetría de orden 5, 7 y superiores no son posibles, porque con tal estructura, las filas y redes atómicas no llenarán el espacio continuamente y aparecerán espacios entre las posiciones de equilibrio de los átomos; Los átomos no estarán en las posiciones más estables y la estructura cristalina colapsará.
En un poliedro cristalino puedes encontrar diferentes combinaciones de elementos de simetría: algunos tienen pocos, otros tienen muchos. Según la simetría, principalmente según los ejes de simetría, los cristales se dividen en tres categorías.
La categoría más alta incluye los cristales más simétricos; pueden tener varios ejes de simetría de orden 2, 3 y 4, ningún eje de sexto orden, pueden tener planos y centros de simetría. Estas formas incluyen cubo, octaedro, tetraedro, etc. Todas tienen una característica común: son aproximadamente iguales en todas las direcciones.
Los cristales de categoría media pueden tener ejes de 3, 4 y 6 órdenes, pero sólo uno a la vez. Puede haber varios ejes de orden 2; son posibles planos de simetría y centros de simetría. Las formas de estos cristales: prismas, pirámides, etc. característica común: una marcada diferencia a lo largo y ancho del eje principal de simetría.
Los cristales de la categoría más alta incluyen: diamante, cuarzo, granate de germanio, silicio, cobre, aluminio, oro, plata, estaño gris, tungsteno, hierro; a la categoría media: grafito, rubí, cuarzo, zinc, magnesio, estaño blanco, turmalina, berilo; hasta el más bajo: yeso, mica, sulfato de cobre, sal de Rochelle, etc. Por supuesto, esta lista no incluye todos los cristales existentes, sino solo los más famosos.
Las categorías a su vez se dividen en siete sistemas. Traducido del griego, "singonía" significa "ángulo similar". Los cristales con ejes de simetría idénticos y, por tanto, con ángulos de rotación similares en la estructura, se combinan en un sistema cristalino.
En primer lugar, cabe mencionar dos propiedades básicas de los cristales. Uno de ellos es la anisotropía. Este término significa un cambio de propiedades según la dirección. Además, los cristales son cuerpos homogéneos. La homogeneidad de una sustancia cristalina radica en que sus dos secciones Misma forma y la misma orientación tienen las mismas propiedades.
Hablemos primero de las propiedades eléctricas. En principio, las propiedades eléctricas de los cristales se pueden considerar en el ejemplo de los metales, ya que los metales, en uno de sus estados, pueden ser agregados cristalinos. Los electrones, que se mueven libremente en el metal, no pueden salir; esto requiere energía. Si en este caso se gasta energía radiante, el efecto de la abstracción de electrones provoca el llamado efecto fotoeléctrico. Un efecto similar se observa en monocristales. Un electrón arrancado de la órbita molecular, que permanece dentro del cristal, provoca en este último una conductividad metálica (efecto fotoeléctrico interno). En condiciones normales (sin irradiación), estas conexiones no son conductoras de corriente eléctrica.
El comportamiento de las ondas de luz en los cristales fue estudiado por E. Bertolin, quien fue el primero en observar que las ondas se comportan de manera no estándar al atravesar un cristal. Un día Bertalin estaba dibujando los ángulos diédricos del larguero de Islandia, luego puso el cristal sobre los dibujos, entonces el científico vio por primera vez que cada línea se bifurcaba. Estuvo convencido varias veces de que todos los cristales de espato bifurcan la luz, solo entonces Bertalin escribió un tratado "Experimentos con un cristal islandés birrefringente, que llevaron al descubrimiento de una refracción maravillosa y extraordinaria" (1669). El científico envió los resultados de sus experimentos a científicos y academias individuales en varios países. Las obras fueron aceptadas con total desconfianza. La Academia de Ciencias de Inglaterra asignó un grupo de científicos para comprobar esta ley (Newton, Boyle, Hooke, etc.). Esta comisión autorizada reconoció el fenómeno como accidental y la ley como inexistente. Los resultados de los experimentos de Bertalin fueron olvidados.
Sólo 20 años después, Christiaan Huygens confirmó la exactitud del descubrimiento de Bertalin y descubrió él mismo la birrefringencia en el cuarzo. Muchos científicos que estudiaron posteriormente esta propiedad confirmaron que no solo el espato de Islandia, sino también muchos otros cristales bifurcan la luz.
Los cristales de la más alta categoría, como el diamante, la sal gema, el alumbre, el granate y la fluorita, no dividen la luz. En general, la anisotropía de muchas propiedades en ellos es más débil que en otros cristales y algunas propiedades son isotrópicas. En todos los cristales de las categorías inferior y media, si son transparentes, se observa una doble refracción de la luz.
La refracción se produce debido a diferencias en la velocidad de la luz en diferentes medios. Entonces, en el vidrio la velocidad de la luz es 1,5 veces menor que en el aire, por lo tanto el índice de refracción es 1,5.
La causa de la birrefringencia es la anisotropía de la velocidad de la luz en los cristales. En un medio isotrópico, las ondas divergen igualmente en todas direcciones, como a lo largo de los radios de una bola. En los cristales, las ondas de luz y sonido no divergen en círculos y la velocidad de estas ondas y, por tanto, los índices de refracción, son diferentes en diferentes direcciones.
Imaginemos que en un cristal un rayo de luz se divide en dos, uno se comporta como uno “ordinario”, es decir va en todas direcciones a lo largo de los radios de la bola, el otro, "extraordinario", va a lo largo de los radios del elipsoide. En tal cristal sólo hay una dirección en la que no hay birrefringencia. Los rayos ordinarios y extraordinarios van juntos, el rayo de luz no se divide en dos. Se llama eje óptico. Así se comportan los cristales de categoría media en relación con la luz, por eso se les llama ópticamente uniaxiales. En los cristales de la categoría más baja, la luz también experimenta una doble refracción, pero ambos rayos se comportan como si fueran extraordinarios, ambos tienen índices de refracción diferentes en todas direcciones y ambos se propagan a lo largo de los radios del elipsoide. Los cristales de la categoría más baja se denominan ópticamente biaxiales. Los cristales de la categoría más alta, donde la luz diverge igualmente a lo largo de los radios de la bola en todas direcciones, se denominan ópticamente isotrópicos.
Al atravesar un cristal birrefringente, la onda de luz no sólo se bifurca, sino que cada uno de los rayos formados también se polariza, descomponiéndose en dos planos perpendiculares entre sí. La onda se comporta de manera similar porque debe pasar a través de la red atómica, cuyas filas se encuentran ante ella. Por lo tanto, se divide en el cristal en dos ondas, en las que los planos de vibración son mutuamente perpendiculares.
Propiedades de los sólidos como la elasticidad, la resistencia y la tensión superficial están determinadas por las fuerzas de interacción entre los átomos y la estructura de los cristales. Al estudiar las fuerzas de interacción interatómica, es posible, por ejemplo, determinar el valor del módulo de elasticidad, la resistencia a la tracción del material, la energía de enlace del cristal y el coeficiente de tensión superficial.
De esta forma se evalúan las características de cualquier sólido, pero es más fácil hacerlo con cristales iónicos ideales. En la red de tales cristales, se alternan periódicamente iones positivos y negativos. Para evaluar, en primer lugar, es necesario averiguar la fuerza de un enlace interatómico único, que en los cristales iónicos está determinada por la fuerza de interacción entre dos iones.
La dependencia de las fuerzas de interacción interatómica de la distancia entre los centros de los átomos en los sólidos es la siguiente:
1) Las fuerzas de atracción y repulsión actúan simultáneamente entre los átomos. La fuerza resultante de la interacción interatómica es la suma de estas dos fuerzas.
2) A medida que la distancia entre los átomos disminuye, las fuerzas repulsivas aumentan mucho más rápido que las fuerzas atractivas, por lo que hay una cierta distancia en la que las fuerzas atractivas y repulsivas se equilibran y la fuerza resultante se vuelve igual a cero. En un cristal abandonado a su suerte, los iones se encuentran exactamente a una distancia r0 entre sí. Si la distancia entre átomos es menor que la de equilibrio (r menor que r0), entonces predominan las fuerzas repulsivas; si (r es mayor que r0), entonces predominan las fuerzas atractivas.
Estas propiedades de las fuerzas interatómicas nos permiten considerar convencionalmente las partículas que forman un cristal como bolas elásticas sólidas que interactúan entre sí. La deformación por tracción del cristal conduce a un aumento en la distancia entre los centros de las bolas vecinas y al predominio de fuerzas de atracción, y la deformación por compresión conduce a una disminución de esta distancia y al predominio de fuerzas repulsivas.
Se suele denominar resistencia a la tracción a la mayor tensión que un material puede soportar sin romperse. Cuando se estira una muestra, su resistencia a la tracción está determinada por el valor máximo de la fuerza de atracción interatómica resultante por unidad de área de sección transversal perpendicular a la dirección de tensión.
La fuerza resultante de la interacción interatómica alcanza su valor máximo cuando los centros de los átomos están a una distancia r1 entre sí. A medida que la extensión aumenta, las fuerzas de interacción se vuelven tan pequeñas que los enlaces entre los átomos se rompen.
Carrete pequeño pero precioso.
(Lea sobre la investigación de Torricelli
El notable pensador, escritor y científico francés Blaise Pascal, contemporáneo de Torricelli, se dio cuenta de que, a partir de tales vasos comunicantes, era fácil crear una poderosa grúa o prensa hidráulica "líquida".
Para ello, el diámetro de uno de los tubos comunicantes debe ser mucho menor que el del otro. Luego, con la ayuda de una presión relativamente pequeña aplicada a un tubo pequeño, ¡puedes mover una masa pesada de líquido en otro recipiente!
El principio propuesto por Pascal es la base de las máquinas y aparatos hidráulicos más modernos, que permiten obtener presiones muy altas, necesarias, en particular, para la combinación "forzada" de hidrógeno con metales.
Así, sin conocer aún la estructura atómica y molecular de los cuerpos, los científicos del pasado descubrieron características asombrosas del comportamiento de las sustancias que sólo pudieron explicarse en el siglo XX...
Para probar las propiedades mecánicas de un material para estructuras complejas, se estira en estado caliente.
En un sólido, los átomos apenas cambian de lugar a menos, por supuesto, que lo calienten. El calentamiento aumenta enormemente la velocidad y el rango de movimiento de los átomos cerca de las posiciones de equilibrio. En alta temperatura un sólido puede fundirse o incluso evaporarse.
Un grupo especial de sólidos son los cristales, donde los átomos están distribuidos en un estricto orden geométrico. Hay muchas posibilidades para disponer los átomos en filas y filas regulares y formar con ellos diversas figuras geométricas, aunque, como demostró el científico ruso E. S. Fedorov en el siglo pasado, las estructuras más estables de la red cristalina son exactamente 230. Todas Las pruebas posteriores de la teoría de Fedorov demostraron que en la naturaleza no existen otras estructuras cristalinas estables que no hayan sido predichas por Fedorov.
Frecuencia estricta estructura interna Los cristales han demostrado ser muy útiles para la tecnología moderna.
Un electrón libre creado en un cristal bajo la influencia de la temperatura o la luz puede recorrer distancias mucho más largas que en un sólido ordinario, lo cual es muy importante a la hora de crear dispositivos para la ingeniería de radio.
¡Existe una variedad de cristales que existen en la naturaleza! Nieve tumbada invierno temprano entre arbustos y árboles, también está formado por pequeños cristales.
La luz penetra más profundamente en un cristal que en un cuerpo sólido de la misma composición química, pero que consta de muchos grupos atómicos aleatorios ubicados aleatoriamente entre sí. Y esta propiedad se usa ampliamente en óptica: las mejores lentes y prismas están hechos, por supuesto, de cristales.
Se han descubierto cristales en los que, tras aplicar presión, surgen cargas eléctricas de signos opuestos en diferentes caras. Y viceversa: después de pasar una corriente eléctrica, estos cristales pueden encogerse o expandirse considerablemente.
Cristales tan asombrosos, llamados cristales piezoeléctricos, ahora se utilizan ampliamente en la tecnología electrónica; después de todo, incluso la presión de una onda sonora provoca la aparición y la corriente de cargas eléctricas en ellas, que pueden detectarse y transmitirse fácilmente a través de cables...
Propiedades de los cristales
Un estudio en profundidad de las propiedades de cristales tan útiles ha demostrado que en ellos es posible un movimiento de átomos bastante libre. Además, en los cristales se encontraron diversas imperfecciones, alteraciones en la estructura correcta de la red cristalina, huecos y cambios atómicos. Aprovechando estas alteraciones estructurales, impurezas extrañas, inclusiones de metales extraños o gases pueden penetrar bastante profundamente en el cristal, especialmente cuando se obtiene a partir de una masa fundida o una solución de la sustancia original.
Es por eso que la resistencia de los cristales reales suele ser decenas o incluso cientos de veces menor que la resistencia que deberían tener según los cálculos teóricos.
Bigotes de cristal, ampliados 150 veces. Los bigotes de cristal tejidos con fibras de grafito, vidrio y polímeros permitieron obtener nuevos materiales ligeros y muy duraderos.
Hace unos veinte años, en varios laboratorios de todo el mundo, investigadores cuidadosos descubrieron bajo el microscopio que pequeñas "antenas" crecen espontáneamente en la superficie de muchos cristales. Pero a escala atómica, se trata de rascacielos, cuya altura es decenas y cientos de veces mayor que el ancho de la base.
La formación de diminutas antenas (o, como se las llama ahora, bigotes) ocurre debido a movimientos sutiles de átomos a lo largo de la superficie del cristal. Después de todo, los átomos de la superficie están entrelazados con enlaces electrónicos solo en un lado: desde las profundidades del cristal, y esto a veces les da la oportunidad de separarse de sus vecinos y moverse. Estos átomos errantes comienzan a adherirse a una protuberancia aleatoria en la superficie y la rodean. El crecimiento ascendente de la protuberancia se produce, por regla general, en espiral. Se forma una torre cónica, que recuerda a un monumento a la Tercera Internacional dirigido hacia el cielo, símbolo de la hermandad de los pueblos, cuyo diseño fue realizado en los años veinte de nuestro siglo por el destacado artista y diseñador Vladimir Tatlin. Recientemente, el diseño de este monumento pudo verse en las salas del Museo Bellas Artes a ellos. Pushkin en Moscú.
Interesante mecanismo de crecimiento. cristales de antenas, pero lo más inusual resultó ser... la ausencia total de defectos en ellos. La fuerza de los diminutos cristales era cientos de veces mayor que la fuerza de los cristales masivos en cuya superficie crecían, y era totalmente consistente con la fuerza teórica.
Recuerdo cuando, a principios de los años sesenta, apareció en una de las revistas mi reseña del trabajo sobre cristales de bigotes, numerosos visitantes comenzaron a llegar a nuestro laboratorio. Algunos estaban interesados en las propiedades únicas de los nuevos materiales, otros estaban preocupados por la posibilidad de un crecimiento "no planificado" de cristales en los circuitos de radio, donde tales zarcillos podrían provocar fallas repentinas en los dispositivos electrónicos.
El descubrimiento de los cristales de bigotes trajo una gran alegría a todos los que necesitan materiales estructurales resistentes y livianos. Los cristales en forma de hilos comenzaron a tejerse en fibras poliméricas y a combinarse con metales para producir cuerdas, cintas y tuberías de una resistencia y durabilidad sin precedentes.
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Son comunespropiedades de los cristales
Introducción
Los cristales son sustancias sólidas que tienen una forma externa natural de poliedros simétricos regulares basada en su estructura interna, es decir, en una de varias disposiciones regulares específicas de las partículas que componen la sustancia.
La física del estado sólido se basa en el concepto de cristalinidad de la materia. Todas las teorías sobre las propiedades físicas de los sólidos cristalinos se basan en la idea de la periodicidad perfecta de las redes cristalinas. Utilizando esta idea y los conceptos resultantes sobre la simetría y anisotropía de los cristales, los físicos desarrollaron una teoría de la estructura electrónica de los sólidos. Esta teoría permite dar una clasificación estricta de los sólidos, determinando su tipo y propiedades macroscópicas. Sin embargo, nos permite clasificar solo sustancias conocidas y estudiadas y no nos permite predeterminar la composición y estructura de nuevas sustancias complejas que tendrían un conjunto determinado de propiedades. Este último problema es especialmente importante para la práctica, ya que su solución permitiría crear materiales a medida para cada caso concreto. En condiciones externas adecuadas, las propiedades de las sustancias cristalinas están determinadas por su composición química y el tipo de red cristalina. El estudio de la dependencia de las propiedades de una sustancia de su composición química y estructura cristalina generalmente se divide en las siguientes etapas separadas: 1) estudio general de los cristales y el estado cristalino de la materia 2) construcción de la teoría de los enlaces químicos y sus aplicación al estudio de varias clases de sustancias cristalinas 3) estudio de patrones generales de cambios en la estructura de sustancias cristalinas cuando cambia su composición química, 4) establecimiento de reglas que permiten predeterminar la composición química y estructura de sustancias que tienen una cierto conjunto de propiedades físicas.
Básicopropiedades de los cristales- anisotropía, homogeneidad, capacidad de autocombustión y presencia de un punto de fusión constante.
1. Anisotropía
anisotropía cristalina autocombustible
Anisotropía: se expresa en el hecho de que las propiedades físicas de los cristales no son las mismas en diferentes direcciones. Las cantidades físicas incluyen los siguientes parámetros: resistencia, dureza, conductividad térmica, velocidad de la luz, conductividad eléctrica. Un ejemplo típico Una sustancia con anisotropía pronunciada es la mica. Las placas de mica cristalina se dividen fácilmente solo a lo largo de los planos. En direcciones transversales, es mucho más difícil partir las placas de este mineral.
Un ejemplo de anisotropía es el cristal del mineral disteno. En la dirección longitudinal, la distena tiene una dureza de 4,5, en la dirección transversal - 6. El mineral disteno (Al 2 O), se caracteriza por durezas muy diferentes en direcciones desiguales. A lo largo de la extensión, los cristales de disteno se rayan fácilmente con la hoja de un cuchillo; en la dirección perpendicular a la extensión, el cuchillo no deja marcas.
Arroz. 1 cristal de diteno
Cordierita mineral (Mg 2 Al 3). Mineral, aluminosilicato de magnesio y hierro. El cristal de cordierita aparece de diferente color en tres direcciones diferentes. Si corta un cubo con aristas de dicho cristal, notará lo siguiente. Perpendicularmente a estas direcciones, luego a lo largo de la diagonal del cubo (de arriba hacia arriba hay un color azul grisáceo, en la dirección vertical, color azul índigo, y en la dirección transversal al cubo, amarillo).
Arroz. 2 Cubos cortados en cordierita.
Un cristal de sal de mesa en forma de cubo. A partir de dicho cristal, se pueden cortar varillas en varias direcciones. Tres de ellas son perpendiculares a las caras del cubo, paralelas a la diagonal.
Cada uno de los ejemplos es excepcional en su especificidad. Pero mediante una investigación precisa, los científicos llegaron a la conclusión de que todos los cristales son anisotrópicos de una forma u otra. Además, las formaciones sólidas amorfas pueden ser homogéneas e incluso anisotrópicas (la anisotropía, por ejemplo, se puede observar cuando se estira o comprime el vidrio), pero los cuerpos amorfos no pueden adoptar por sí mismos una forma multifacética, bajo ninguna circunstancia.
Arroz. 3 Detección de anisotropía de conductividad térmica en cuarzo (a) y su ausencia en vidrio (b)
Como ejemplo (Fig. 1) de las propiedades anisotrópicas de sustancias cristalinas, cabe mencionar en primer lugar la anisotropía mecánica, que consiste en lo siguiente. Todo sustancias cristalinas no dividir igualmente en diferentes direcciones (mica, yeso, grafito, etc.). Las sustancias amorfas se dividen por igual en todas las direcciones, porque el amorfismo se caracteriza por la isotropía (equivalencia): las propiedades físicas se manifiestan por igual en todas las direcciones.
La anisotropía de la conductividad térmica se puede observar fácilmente en el siguiente experimento sencillo. Aplique una capa de cera coloreada en la cara de un cristal de cuarzo y lleve una aguja calentada en una lámpara de alcohol al centro de la cara. El círculo de cera derretido resultante alrededor de la aguja tomará la forma de una elipse en el borde del prisma o la forma de un triángulo irregular en una de las caras de la cabeza de cristal. En una sustancia isotrópica, por ejemplo el vidrio, la forma de la cera derretida siempre será la de un círculo regular.
La anisotropía también se manifiesta en el hecho de que cuando cualquier disolvente interactúa con un cristal, la velocidad reacciones químicas diferentes en diferentes direcciones. Como resultado, cada cristal, cuando se disuelve, eventualmente adquiere su propia forma característica.
En última instancia, la razón de la anisotropía de los cristales es que con una disposición ordenada de iones, moléculas o átomos, las fuerzas de interacción entre ellos y las distancias interatómicas (así como algunas cantidades que no están directamente relacionadas con ellos, por ejemplo, la conductividad eléctrica o la polarizabilidad) resultan ser desiguales en diferentes direcciones. La razón de la anisotropía de un cristal molecular también puede ser la asimetría de sus moléculas; me gustaría señalar que todos los aminoácidos, excepto el más simple, la glicina, son asimétricos.
Cualquier partícula de cristal tiene una composición química estrictamente definida. Esta propiedad de las sustancias cristalinas se utiliza para obtener sustancias químicamente puras. Por ejemplo, cuando el agua de mar se congela, se vuelve fresca y potable. Ahora adivina si el hielo marino es fresco o salado.
2. Uniformidad
La homogeneidad se expresa en el hecho de que cualesquiera volúmenes elementales de una sustancia cristalina, igualmente orientados en el espacio, son absolutamente idénticos en todas sus propiedades: tienen el mismo color, masa, dureza, etc. Por tanto, cada cristal es un cuerpo homogéneo, pero al mismo tiempo anisótropo. Un cuerpo se considera homogéneo si a distancias finitas de cualquier punto existen otros que le son equivalentes no sólo físicamente, sino también geométricamente. En otras palabras, están en el mismo entorno que los originales, ya que la colocación de partículas materiales en el espacio cristalino está "controlada" por la red espacial, podemos suponer que la cara del cristal es una red nodal plana materializada, y la El borde es una fila nodal materializada. Como regla general, las caras de cristal bien desarrolladas están determinadas por redes nodales con la mayor densidad de nodos. El punto en el que se encuentran tres o más caras se llama vértice del cristal.
La homogeneidad no es sólo inherente a los cuerpos cristalinos. Las formaciones sólidas amorfas también pueden ser homogéneas. Pero los cuerpos amorfos no pueden adoptar por sí mismos una forma multifacética.
Se están realizando desarrollos que pueden aumentar el coeficiente de uniformidad cristalina.
Este invento ha sido patentado por nuestros científicos rusos. La invención se refiere a la industria azucarera, en particular a la producción de masa cocida. La invención proporciona un aumento en el coeficiente de uniformidad de los cristales en masa cocida y también ayuda a aumentar la tasa de crecimiento de los cristales en la etapa final de crecimiento debido a un aumento gradual en el coeficiente de sobresaturación.
Desventajas método conocido son el bajo coeficiente de uniformidad de los cristales en la masa cocida de la primera cristalización, la importante duración de obtención de la masa cocida.
El resultado técnico de la invención es aumentar el coeficiente de uniformidad de los cristales en la masa cocida de primera cristalización e intensificar el proceso de obtención de masa cocida.
3. Capacidad de autocontrol
La capacidad de autocortarse se expresa en el hecho de que cualquier fragmento o bola mecanizado a partir de un cristal en un entorno apropiado para su crecimiento con el tiempo queda cubierto con bordes característicos de un cristal determinado. Esta característica está relacionada con la estructura cristalina. Una bola de cristal, por ejemplo, no tiene esa característica.
Las propiedades mecánicas de los cristales incluyen propiedades asociadas con efectos mecánicos sobre ellos como impacto, compresión, tensión, etc. (escisión, deformación plástica, fractura, dureza, fragilidad).
La capacidad de autolimitarse, es decir. bajo ciertas condiciones, adquiere una forma natural multifacética. Esto también revela su correcta estructura interna. Es esta propiedad la que distingue una sustancia cristalina de una amorfa. Un ejemplo ilustra esto. Se sumergen dos bolas talladas en cuarzo y vidrio en una solución de sílice. Como resultado, la bola de cuarzo quedará cubierta de bordes y la de vidrio permanecerá redonda.
Los cristales del mismo mineral pueden tener Diferentes formas, tamaño y número de caras, pero los ángulos entre las caras correspondientes siempre serán constantes (Fig. 4 a-d): esta es la ley de constancia de los ángulos de las facetas en los cristales. En este caso, el tamaño y la forma de las caras de diferentes cristales de la misma sustancia, la distancia entre ellos e incluso su número pueden cambiar, pero los ángulos entre las caras correspondientes en todos los cristales de la misma sustancia permanecen constantes en las mismas condiciones. de presión y temperatura. Los ángulos entre las caras del cristal se miden utilizando un goniómetro (transportador). La ley de constancia de los ángulos de las facetas se explica por el hecho de que todos los cristales de una sustancia son idénticos en su estructura interna, es decir. tienen la misma estructura.
Según esta ley, los cristales de una determinada sustancia se caracterizan por sus ángulos específicos. Por tanto, midiendo los ángulos es posible comprobar que el cristal en estudio pertenece a una sustancia concreta.
Los cristales formados idealmente exhiben simetría, lo cual es extremadamente raro en los cristales naturales debido al rápido crecimiento de las caras (Fig. 4e).
Arroz. Cuarta ley de constancia de los ángulos de las facetas en los cristales (a-d) y el crecimiento de las caras principales 1, 3 y 5 de un cristal que crece en la pared de una cavidad cristalina (e)
La escisión es una propiedad de los cristales en la que se dividen o se dividen a lo largo de ciertas direcciones cristalográficas, lo que da como resultado la formación de planos uniformes llamados planos de escisión.
Los planos de división están orientados paralelos a las caras reales o posibles del cristal. Esta propiedad depende enteramente de la estructura interna de los minerales y se manifiesta en aquellas direcciones en las que las fuerzas de adhesión entre las partículas materiales de las redes cristalinas son mínimas.
Según el grado de perfección se pueden distinguir varios tipos de escote:
Muy perfecto: el mineral se divide fácilmente en placas u hojas delgadas individuales, es muy difícil dividirlo en otra dirección (micas, yeso, talco, clorita);
Arroz. 5 Clorito (Mg, Fe) 3 (Si, Al) 4 O 10 (OH) 2 (Mg, Fe) 3 (OH) 6)
Perfecto: el mineral se divide con relativa facilidad, principalmente a lo largo de los planos de escisión, y los trozos rotos a menudo se parecen a cristales individuales (calcita, galena, halita, fluorita).
Arroz. 6 calcita
Medio: cuando se divide, se forman planos de escisión y fracturas desiguales en direcciones aleatorias (piroxenos, feldespatos).
Arroz. 7 Feldespatos ((K, Na, Ca, a veces Ba) (Al 2 Si 2 o AlSi 3 ) O 8))
Imperfecto: los minerales se dividen en direcciones arbitrarias con la formación de superficies de fractura desiguales que son difíciles de detectar (azufre nativo, pirita, apatita, olivino).
Arroz. 8 cristales de Apatita (Ca 5 3 (F, Cl, OH))
En algunos minerales, cuando se agrietan, solo se forman superficies irregulares, en este caso se habla de una escisión muy imperfecta o de su ausencia (cuarzo).
Arroz. 9 Cuarzo(SiO 2)
El escote puede aparecer en una, dos, tres y rara vez en más direcciones. Para caracterizarlo con más detalle, indique la dirección en la que discurre la escisión, por ejemplo, según un romboedro - en calcita, según un cubo - en halita y galena, según un octaedro - en fluorita.
Los planos de división deben distinguirse de las superficies del cristal: los planos suelen tener un brillo más fuerte, forman una serie de planos paralelos entre sí y, a diferencia de las superficies del cristal, en las que no podemos observar sombras.
Por tanto, la escisión se puede rastrear en una (mica), dos (feldespatos), tres (calcita, halita), cuatro (fluorita) y seis (esfalerita). El grado de perfección de la escisión depende de la estructura de la red cristalina de cada mineral, ya que la ruptura a lo largo de algunos planos (redes planas) de esta red debido a enlaces más débiles ocurre mucho más fácilmente que en otras direcciones. En caso de fuerzas de adhesión iguales entre partículas de cristal, no se produce escisión (cuarzo).
Fractura: la capacidad de los minerales de dividirse no a lo largo de planos de escisión, sino a lo largo de una superficie compleja e irregular.
La separación es la propiedad de algunos minerales de dividirse con la formación de planos paralelos, aunque la mayoría de las veces no del todo uniformes, no determinados por la estructura de la red cristalina, que a veces se confunde con escisión. A diferencia de la escisión, la separación es una propiedad de sólo algunos especímenes individuales de un mineral determinado, y no de la especie mineral en su conjunto. La principal diferencia entre separación y escisión es que los chips resultantes no se pueden dividir en fragmentos más pequeños ni siquiera con chips paralelos.
Simetría- el patrón más general asociado con la estructura y propiedades de una sustancia cristalina. Es uno de los conceptos fundamentales generalizadores de la física y las ciencias naturales en general. "La simetría es la propiedad de las figuras geométricas de repetir sus partes, o, más precisamente, su propiedad en diferentes posiciones de alinearse con la posición original". Para facilitar el estudio, se utilizan modelos de cristal que transmiten las formas de cristales ideales. Para describir la simetría de los cristales, es necesario determinar los elementos de simetría. Así, un objeto simétrico es aquel que puede combinarse consigo mismo mediante determinadas transformaciones: rotaciones y/o reflexiones (Figura 10).
1. El plano de simetría es un plano imaginario que divide el cristal en dos partes iguales, siendo una de las partes, por así decirlo, una imagen especular de la otra. Un cristal puede tener varios planos de simetría. El plano de simetría se designa con la letra latina P.
2. El eje de simetría es una línea, cuando se gira 360° alrededor de la cual el cristal repite su posición inicial en el espacio el enésimo número de veces. Denotado por la letra L. n: determina el orden del eje de simetría, que en la naturaleza solo puede ser de segundo, tercer, cuarto y sexto orden, es decir L2, L3, L4 y L6. No hay ejes de quinto o superior orden en los cristales, y los ejes de primer orden no se tienen en cuenta.
3. Centro de simetría: un punto imaginario ubicado dentro del cristal en el que las líneas que conectan los puntos correspondientes en la superficie del cristal se cruzan y bisecan1. El centro de simetría se designa con la letra C.
Toda la variedad de formas cristalinas que se encuentran en la naturaleza se une en siete sistemas (sistemas): 1) cúbico; 2) hexagonales; 3) tetragonal (cuadrado); 4) trigonal; 5) rómbico; 6) monoclinal y 7) triclínico.
4. Punto de fusión constante
La fusión es la transición de una sustancia del estado sólido al líquido.
Se expresa en el hecho de que cuando se calienta un cuerpo cristalino, la temperatura aumenta hasta un cierto límite; Con un calentamiento adicional, la sustancia comienza a derretirse y la temperatura permanece constante durante algún tiempo, ya que todo el calor destruye la red cristalina. Se cree que la razón de este fenómeno es que la mayor parte de la energía calefactora suministrada a un cuerpo sólido se destina a reducir los enlaces entre las partículas de la sustancia, es decir, para destruir la red cristalina. Al mismo tiempo, aumenta la energía de interacción entre partículas. La sustancia fundida tiene una gran reserva. energía interna que en estado sólido. La parte restante del calor de fusión se gasta en realizar trabajos para cambiar el volumen del cuerpo durante su fusión. La temperatura a la que comienza la fusión se llama punto de fusión.
Al fundirse, el volumen de la mayoría de los cuerpos cristalinos aumenta (entre un 3 y un 6%) y al solidificarse disminuye. Pero hay sustancias cuyo volumen disminuye al fundirse y al solidificarse aumenta.
Estos incluyen, por ejemplo, agua y hierro fundido, silicio y algunos otros. Por eso el hielo flota en la superficie del agua y el hierro fundido sólido flota en su propia masa fundida.
Las sustancias amorfas, a diferencia de las cristalinas, no tienen un punto de fusión claramente definido (ámbar, resina, vidrio).
Arroz. 12 ámbar
La cantidad de calor necesaria para fundir una sustancia es igual al producto del calor específico de fusión por la masa de la sustancia.
El calor específico de fusión muestra cuánto calor se necesita para transformación completa 1 kg de una sustancia de sólido a líquido, tomado según la velocidad de fusión.
La unidad SI de calor específico de fusión es 1J/kg.
Durante el proceso de fusión, la temperatura del cristal permanece constante. Esta temperatura se llama punto de fusión. Cada sustancia tiene su propio punto de fusión.
El punto de fusión de una sustancia determinada depende de la presión atmosférica.
En los cuerpos cristalinos en el punto de fusión, la sustancia se puede observar simultáneamente en estado sólido y líquido. En las curvas de enfriamiento (o calentamiento) de sustancias cristalinas y amorfas, se puede ver que en el primer caso hay dos inflexiones bruscas, correspondientes al inicio y al final de la cristalización; en el caso de enfriar una sustancia amorfa, tenemos una curva suave. Por esta característica es fácil distinguir las sustancias cristalinas de las amorfas.
Bibliografía
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2. Manual de Geología (http://www.geolib.net/crystallography/vazhneyshie-svoystva-kristallov.html)
3. “Universidad Federal de los Urales que lleva el nombre del primer presidente de Rusia, B.N. Yeltsin", sección Cristalografía geométrica (http://media.ls.urfu.ru/154/489/1317/)
4. Capítulo 1. Cristalografía con los fundamentos de la química cristalina y la mineralogía (http://kafgeo.igpu.ru/web-text-books/geology/r1-1.htm)
5. Solicitud: 2008147470/13, 01/12/2008; CIP C13F1/02 (2006.01) C13F1/00 (2006.01). Titular(es) de la patente: Estado institución educativa educación profesional superior Academia Tecnológica Estatal de Voronezh (RU) (http://bd.patent.su/2371000-2371999/pat/servl/servlet939d.html)
6. Universidad Pedagógica Estatal de Tula que lleva el nombre de L.N. Departamento de Ecología de Tolstoi Golynskaya F.A. “El concepto de minerales como sustancias cristalinas” (http://tsput.ru/res/geogr/geology/lec2.html)
7. Curso de formación en informática “Geología General” Curso de conferencias. Conferencia 3 (http://igd.sfu-kras.ru/sites/igd.institute.sfu-kras.ru/files/kurs-geologia/%D0% BB % D0% B5% D0% BA % D1% 86% D0% B8% D0% B8/%D0% BB % D0% B5% D0% BA % D1% 86% D0% B8% D1% 8F_3.htm)
8. Clase de física (http://class-fizika.narod.ru/8_11.htm)
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La humanidad moderna redescubrió los cristales recién en el siglo XVII. Se considera que la fecha de nacimiento de la cristalografía, la ciencia que estudia los cristales, es 1669.
Aunque la cristalografía científica se originó en el siglo XVII, bases teóricas La estructura de los cristales y los métodos para estudiarlos no se establecieron hasta el siglo XIX. En el siglo XX, estos descubrimientos encontraron una implementación práctica en diversas áreas de la vida humana. Los cristales se han vuelto ampliamente utilizados en diversos campos de la ciencia y la tecnología. El futuro también es suyo.
Los cristales nos rodean por todos lados. Son la base del mundo físico. Casi todos los minerales están compuestos por ellos, incluidos el basalto, el granito, la piedra caliza y el mármol. Todos los metales y la mayoría de los no metales están hechos de ellos: caucho, huesos, cabello, celulosa y mucho más.
Vivimos en un mundo de cristales. Casas, barcos, autobuses, aviones, cohetes, cuchillos y tenedores... - todo se compone de ellos.
Incluso consumimos sustancias cristalinas en los alimentos: sal, azúcar, sin mencionar los medicamentos en tabletas y polvos que tomamos durante la enfermedad.
No hay lugar en la Tierra donde no haya cristales. Y están muy extendidos en el Universo, ya que le sirven de base material.
En 1669, el médico danés N. Stenon hizo un importante descubrimiento: estableció que en los cristales formados por una misma sustancia, los ángulos entre caras adyacentes son siempre los mismos, independientemente de la forma y tamaño del cristal.
Esto significa que cada cristal tiene un ángulo único entre sus caras.
Este descubrimiento entró en la cristalografía como la ley de los ángulos constantes. Así, si se conoce el ángulo entre las caras, entonces se puede determinar la sustancia del cristal sin recurrir a análisis químicos o físicos. Basta compararlos con los ángulos de cristales conocidos.
Además, el mismo Stenon fue el primero en proponer una versión sorprendente de que los cristales no crecen desde el interior, como se observa en las plantas, sino desde el exterior, superponiendo nuevas partículas en los planos exteriores.
Los cristales están formados por átomos, iones y moléculas. Estas partículas están dispuestas en un orden estrictamente definido, formando una red espacial. Los átomos y los iones se mantienen en ellos mediante fuerzas de atracción y repulsión. No se quedan quietos, sino que fluctúan continuamente.
Cada cristal tiene su propia forma característica, dependiendo no sólo del entorno en el que creció, sino también de la estructura de la red espacial. La forma de la red también determina las propiedades del propio cristal. En este sentido, el ejemplo más indicativo es el diamante y el grafito, cuyas redes espaciales están formadas por átomos del mismo elemento: el carbono.
El grafito es un mineral negro, blando y dúctil, conductor de electricidad y resistente al fuego. Y todo porque su red está formada por capas, cuya conexión no es tan fuerte como entre los átomos individuales dentro de esta capa. Estas capas se pueden mover fácilmente entre sí con una ligera presión, que es lo que observamos cuando escribimos con un lápiz. Como ya hemos adivinado, es grafito.
Pero el diamante es todo lo contrario del grafito. Es transparente, superior en resistencia a otros cristales, pero no conduce corriente y se quema fácilmente en una corriente de oxígeno. Pesa casi el doble que el grafito. Su cuadrícula espacial es la “culpable” de todo esto. Es tridimensional y cada átomo que contiene está estrechamente conectado con otros cuatro.
Los cristales son sólidos y pueden ser líquidos si sus moléculas tienen la capacidad de orientarse en una dirección “de repente” o en grupos-capas o de otras formas.
Finalmente, los "cristales" pueden ser puramente energéticos e invisibles, pero la ciencia de la cristalografía aún no se ha ocupado de tales "fantasmas".
En un cristal, las caras se cruzan a lo largo de las aristas y las aristas se cruzan en los vértices. Las caras, aristas y vértices son elementos de facetado obligatorios.
Las principales características de los cristales son la homogeneidad y la planitud. Así, si los cristales tienen caras planas, entonces su composición es homogénea. Y viceversa: si la sustancia cristalina es homogénea, entonces tiene caras planas.
Los cristales pueden emitir sonidos, como el canto de la arena. Este fenómeno llama la atención de un viajero que se encuentra entre las dunas de arena del desierto de Karakum u otros desiertos.
De repente, de la nada, se escuchan sonidos confusos de cantos, pero no hay nadie alrededor, solo arena. Hacen sonidos cuando la pendiente arenosa comienza a deslizarse con un viento débil.
Las arenas cantantes no sólo se encuentran en los desiertos. A menudo surgen melodías armoniosas al caminar sobre la arena mojada de la playa.
El viajero ruso A. Eliseev dejó sus impresiones del Sahara:
"... en el aire caliente se escuchaban unos sonidos encantadores, bastante altos, melodiosos, no exentos de armonía, con un fuerte tinte metálico. Se escuchaban por todas partes, como si fueran producidos por espíritus invisibles del desierto...
El desierto estaba en silencio, pero los sonidos volaban y se fundían en la cálida atmósfera, apareciendo desde algún lugar arriba y desapareciendo como en el suelo... Ahora alegres, ahora lastimeros, ahora agudos y ruidosos, ahora tiernos y melódicos, parecían el Hablamos de seres vivos, pero no con los sonidos del desierto muerto...
Ninguna ninfa de la antigüedad podría encontrar algo más sorprendente y maravilloso que estos misteriosos cantos de las arenas."
Todo aquel que ha escuchado los cantos de las arenas queda sorprendido por este fenómeno, y muchos han intentado explicarlo. Por ejemplo, los antiguos egipcios creían que esos sonidos eran producto de los espíritus del desierto, y tenían razón.
Los científicos modernos creen que la causa de la aparición de sonidos puede estar oculta en la estructura misma del grano de arena. Se sabe que contiene mucho cuarzo y otras sílices.
El cuarzo es un óxido de silicio más abundante en la corteza terrestre. Sus cristales tienen una serie de propiedades excepcionales. Son ricos en formas simples, es decir, cerradas y cerradas. Aquí puede encontrar pirámides, prismas, romboedros: más de quinientas formas simples. El cuarzo se caracteriza por la formación de gemelos: intercrecimientos simétricos de cristales.
Pero no sólo diversidad formas externas El cuarzo es sorprendente. Su cristal no tiene centro de simetría, lo que es señal segura de que tiene propiedades piezoeléctricas.
Por lo tanto, si se comprime un cristal, en sus caras, perpendiculares a la dirección de compresión, aparecen cargas eléctricas opuestas: positivas en una cara y negativas en la otra.
Así se convierte la energía mecánica en energía eléctrica con la ayuda de un cristal de cuarzo. Si quitas la carga mecánica del cristal y comienzas a estirarlo, entonces la polaridad de las cargas en las caras cambia a cargas opuestas. ¡Y esto sucede en un cristal de cuarzo, que en sí mismo es un aislante!
Este fenómeno en los cristales de cuarzo fue descubierto en 1817 por el cristalógrafo francés R. Gayuy, y nuevamente en 1880 por los científicos franceses hermanos Jean y Pierre Curie y lo llamó piezoelectricidad. Posteriormente también descubrieron la reversibilidad de este efecto.
Resultó que un cristal de cuarzo podía encogerse o estirarse si se creaban cargas eléctricas opuestas en sus caras. En este caso, la energía eléctrica se convirtió en energía mecánica.
Es esta propiedad del cristal la que da motivos para creer que el canto de las arenas del desierto está asociado con la presencia de espíritus. Ya que los espíritus del desierto son entidades demoníacas que representan el movimiento caótico de los electrones.
Las entidades demoníacas carecen de núcleo y magnetismo. Representan un vacío rodeado de electrones que se mueven caóticamente. Por tanto, las entidades demoníacas son portadoras de una carga eléctrica, que provoca tensión en la superficie de las moléculas de cristal.
Como consecuencia de este impacto, los cristales de arena se comprimen y descomprimen, provocando vibraciones en el aire, que se manifiestan en forma de sonidos.
El canto de la arena tiene un fuerte impacto en la psique humana y provoca miedo instintivo. La razón de este miedo puede explicarse por el hecho de que alma humana en el canto de las arenas capta el “aliento” de la muerte, cuyo portador es una entidad demoníaca.
El hombre, el animal y la planta, como organismos vivos, no pueden, como entidad demoníaca, soportar la tensión e influir en los cristales, no pueden provocar el canto de las arenas. Dado que el sistema atómico de las células vivas de los cuerpos orgánicos produce vibraciones de diferente frecuencia y inducción electromagnética, lo que hace que el sistema del cuerpo se cierre en el sentido de la influencia eléctrica. Es decir, la energía eléctrica del cuerpo es captada por su propio campo magnético, que la controla.
Y sólo cuando la espiritualidad de una persona disminuye, lo que reduce el potencial del campo magnético de su cuerpo, se puede formar un exceso de energía eléctrica y voltaje adicional. Es esta tensión la que la fuerza demoníaca captura y transfiere. Este exceso de electricidad afecta negativamente principalmente a las estructuras cristalinas del cuerpo humano, y luego sobre los cuerpos cristalinos que lo rodean. Por ejemplo, en Joyas que lleva una persona. Por eso, en la antigüedad, el estado de salud de una persona e incluso su futuro se predecían basándose en el estado de los amuletos. Prestamos atención a la leche, que reacciona con sensibilidad a la presencia de espíritus malignos en la casa.
Como resultado de la investigación, se encontró que el cuarzo en forma de placa cortada del cuerpo de cristal tiene una elasticidad tan grande que puede vibrar a una frecuencia muy alta, comprimiéndose y estirándose sucesivamente cuando cambia la polaridad del campo eléctrico.
El cuarzo puede vibrar en una amplia gama de frecuencias, creando ondas acústicas y eléctricas, es decir, cantando. Cuando una avalancha de arena se desliza desde una duna o un macizo de arena se derrumba, las capas subyacentes de arena experimentan una presión variable por parte de la capa en movimiento. Se comprimen bajo presión y se "enderezan" cuando se reduce la presión. Los cristales de cuarzo presentes en los granos de arena comienzan a vibrar y vibrar generando ondas acústicas. Se producen procesos similares al caminar sobre arena mojada.
Las vibraciones mecánicas de los cristales de cuarzo en los granos de arena provocan la formación de cargas eléctricas en sus caras, cuya polaridad cambia sincrónicamente con vibraciones mecánicas cristales. No sólo surgen ondas acústicas, sino también un campo eléctrico alterno de un determinado espectro de frecuencia.
Cada grano de arena, cada cristal canta su propia canción en su propia frecuencia. Sus votos suman. Y ahora hay canto polifónico, bastante fuerte, el rango de frecuencia es amplio. Esto es lo que oye el oído humano. Pero sólo bajas frecuencias. Nuestro oído no percibe altas frecuencias. Cuando se detiene el movimiento de la arena, las vibraciones mecánicas y eléctricas excitadas de los cristales de cuarzo en los granos de arena se extinguen y el sonido se detiene.
En 1957, el científico soviético K. Baransky descubrió que las ondas acústicas podían excitarse directamente sobre la superficie del cristal, lo que ampliaba aún más el rango de frecuencias generadas. Luego, los científicos estadounidenses aumentaron el límite de frecuencia en otro orden de magnitud.
Si las arenas cantan cuando se las somete a influencias mecánicas y eléctricas, por la misma razón canta la propia Tierra. El corazón ardiente y pulsante del planeta, la influencia de otros planetas y el Sol provocan el movimiento y la vibración de las rocas de la corteza terrestre, haciendo sonar la Tierra. Su canción, imperceptible para el oído humano, viaja muy lejos en el espacio.
La corteza terrestre está en Voltaje constante. Los terremotos ocurren aquí y allá. erupciones volcánicas, liberando zonas peligrosas de sobrecargas de entidades demoníacas: vacíos sin espíritu.
El número de terremotos en la Tierra llega a cien mil por año. Del total de terremotos fuertes terremotos ocurre hasta mil por año.
Desde los centros de deformación de la corteza terrestre, las vibraciones se transmiten a largas distancias. La velocidad de propagación de las ondas es muy alta. En rocas de granito, para ondas longitudinales es de más de 5000 metros por segundo, para ondas transversales es de unos 2509 metros por segundo.
En su camino, las ondas terrestres comprimen las rocas o las estiran, provocando la formación de poderosas cargas eléctricas de diferentes polaridades. Son especialmente grandes en el epicentro de compresión o extensión, donde las rocas terrestres experimentan una deformación muy fuerte, incluso de ruptura.
Las descargas eléctricas en forma de potentes rayos subterráneos se propagan rápidamente a través de zonas de menor resistencia y, a menudo, brotan desde las profundidades de la Tierra hasta la superficie de la Tierra, dejando rocas sólidas derretidas o extraños agujeros redondos.
No hay nada extraño en el hecho de que la Tierra suene. Sus rocas duras, basaltos, granitos, areniscas y otros tienen estructura cristalina. Contienen muchas formaciones de cuarzo. Cuando los cristales se deforman, no sólo surgen ondas acústicas y eléctricas, sino que también ocurren simultáneamente otros procesos físicos y químicos.
El rugido amenazador de las tormentas profundas es “escuchado” por muchos animales, pájaros e insectos. Incluso pueden ser “anunciadores” de una huelga clandestina que se aproxima. Y, por regla general, sólo una persona es sorprendida. Porque dejé de percibirme como parte de la naturaleza y de seguir los procesos que tienen lugar en la naturaleza.
Además de "cantar", los cristales vibran en un cierto rango del espectro de luz, por lo que adquieren su propio color, por ejemplo, piedras de joyería. Las piedras son transparentes y tienen un fuerte brillo, capaces de transmitir y modificar la energía radiante. El color de los minerales está asociado a la inclusión en su red cristalina de iones metálicos, que cambian fácilmente su valencia y son capaces de ceder sus electrones con un aporte mínimo de energía.
Algunos de estos electrones “deambulan” entre los átomos de la red cristalina, interactuando con ellos e intercambiando energía con ellos. Como resultado, surgen perturbaciones locales en la red cristalina en el cristal y cambian continuamente su patrón. Así, el cristal vive intensamente su “vida interior”, cuyas manifestaciones externas constituyen el conjunto de propiedades “mágicas” de las piedras amuleto.
Estos metales, mezclas de compuestos que cambian notablemente la silueta energética del cristal, incluyen hierro, cobre, manganeso, cromo y elementos de tierras raras.
