Резюме Кристалогенеза - възникване, растеж и разрушаване на кристали - Банка с резюмета, есета
Курс "Кристалография и кристалохимия"
"Кристалогенеза - възникване, растеж и разрушаване на кристали"
Образуване на кристали в природата
Причини и условия за образуване на кристали
Механизми на растеж на кристали
Форми на растеж на кристали
Историята на получаването на изкуствени кристали
Библиография
Кристалогенеза - възникване, растеж и разрушаване на кристали
За да се разберат процесите, водещи до зараждането и растежа на кристалите, са необходими знания от областта на физиката, химията, кристалографията и други клонове на науката.
Въпреки това, подходът към изследването на кристалите е различен за различните специалисти: физиците се интересуват от кристалите като материал, използван в инженерството и притежаващ интересни физични свойства; минералолозите, въз основа на изучаването на определени характеристики на кристалите, се опитват да разберат историята на техния произход, растеж и последващи трансформации - да определят температурата, налягането и състава на средата, в която са се родили и растат кристалите, т.е. определя последователността на тези физико-химични процеси, довели до образуването на кристал.
Образуване на кристали в природата
В природата кристалите се образуват по време на различни геоложки процеси от разтвори, стопилки, газ или твърди фази.
Значителна част от минералните видове се получават чрез кристализация от водни разтвори. Примери за утаяване на кристали от разтвор - утаяване на солни кристали в затворени резервоари; растеж на кристали по стените на пукнатини и кухини по време на хидротермални процеси, на големи дълбочини при условия на високи налягания и температури; образуването на отделни кристали от вторични минерали в зоните на окисляване на рудни находища.
Образуване на кристали от стопилка. Ако магмената камера е разположена на голяма дълбочина и нейното охлаждане е бавно, тогава магмата има време да кристализира добре и кристалите растат доста големи и добре фасетирани. Ако магмата замръзне внезапно, могат да се образуват некристални минерали и скали. Внезапното втвърдяване на магмата се случва по време на вулканични изригвания. Втвърдените потоци лава пораждат не кристални, а стъкловидни скали.
Образуването на кристали в резултат на кондензация на газове или пари. Не само водната пара може да кристализира, но и парите на други вещества. Например, кристалите се образуват от газове върху фумароли.
Образуване на кристали по време на прекристализация на твърди вещества. При прехода от твърдо състояние към твърдо състояние се разграничават 2 случая:
1. Кристално вещество се образува от аморфно - например кристалните скали, съдържащи стъкло, кристализират с течение на времето.
2. Прекристализацията е процес, при който структурата на някои вещества се разрушава и се образуват нови кристали с различна структура. Например варовикът под въздействието на високи температури и налягане се превръща в мрамор. Прекристализацията е свързана с такова явление като метосамотоза - превръщането на скала или минерал в друга скала или минерал под въздействието на въвеждане или отстраняване на вещество.
Причини и условия за образуване на кристали
Материалните частици (атоми, молекули, йони), които изграждат газообразни или течни (разтопени) вещества, притежаващи висока кинетична енергия, са в непрекъснато движение. От време на време те се сблъскват, образувайки ембриони - микроскопични фрагменти от бъдещата структура. Най-често такива ембриони се разпадат, което е свързано или с техните собственивибрации, или с бомбардирането им от свободни частици. За началото на кристализацията обаче е необходимо ядрото да достигне критична стойност, т.е. съдържаше такъв брой частици, че добавянето на следващата частица би направило растежа на ядрото енергийно по-благоприятен от неговия разпад. За повечето вещества тази възможност се проявява или с понижаване на температурата, в резултат на което температурните колебания намаляват, или с увеличаване на концентрацията на вещество в разтвор или газ, което води до увеличаване на вероятността частиците да се срещнат една с друга, тоест до появата на ядра.
По този начин растежът на кристалите може да се разглежда като процес, при който най-малките кристални частици - ядра - достигат макроскопични размери. Освен това кристализацията не се извършва в целия обем, а само там, където се появяват ядрата. Факторите, влияещи върху появата на ядра, са не само преохлаждане и увеличаване на концентрацията на разтвора или вискозитета на стопилката, но и наличието на чужди фрагменти от кристали или прахови частици, на повърхността на които се натрупват частици, като по този начин опростява началото на кристализацията.
Процесът на кристализация е енергийно изгоден. Растящият кристал не приема равновесна форма поради факта, че се влияе от различни променящи се условия на кристализация: температура, налягане, гравитация, химичен състав и динамика на средата и др.
Механизми на растеж на кристали
Значителен принос за решаването на въпросите за механизма на растеж на кристалите направиха разработените теории за растежа на идеалните кристали.
В края на XIXв. Американският физик Дж. Гибс (1839-1903), френският физик П. Кюри и българският кристалограф Г.В. Вулф, на термодинамична основа, разработи количествентеория на нуклеацията и растежа на кристалите. Малко по-късно, през 1920 г През 20-ти век немският физик М. Волмер (1885-1965) излага теорията за спонтанното зараждане на кристалите и техния растеж.
Следвайки термодинамичната теория на Гибс от 1927 г., теоретичните разработки на немския физикохимик В. Косел (1888 - 1956) и българския физик И.Н. Stransky (1897 - 1979), който полага основите на молекулярно-кинетичната теория за растежа на кристалите. Те разглеждат растежа на идеален кристал при леко пренасищане, без да вземат предвид несъвършенствата на реалните кристали и влиянието на средата за кристализация. Тази теория обяснява феномена на растежа слой по слой на кристалите от гледна точка на атомно-молекулярното състояние на повърхността на нарастващ кристал, разчитайки на енергийното предимство на прикрепването на отделни частици от веществото към различни позиции върху кристална повърхност без дефекти.
По време на растежа се появяват или атомно гладки, или атомно грапави лица. Атомно гладките лица растат чрез отлагане слой по слой на материя, т.е. тангенциално движение на стъпалата и остават макроскопски плоски по време на растеж. Такъв растеж се нарича тангенциален или слоест. В този случай скоростта на растеж на различните лица ще бъде различна. В резултат на това кристалите ще растат в идеята за полиедър.
Кристалите с атомно грапави повърхности могат да прикрепят частици от макроскопична гледна точка в почти всяка точка на повърхността. Следователно повърхността на лицето в процеса на растеж се движи по нормалата към себе си във всяка своя точка. Този растеж се нарича нормален. В този случай темповете на растеж на кристалните повърхности в различни посоки ще бъдат приблизително еднакви и кристалите ще придобият заоблени форми на кристализационни изотерми. Изследването на кристалната морфология предоставя информация за атомнитепроцеси, протичащи на повърхността на растящ кристал.
Растежът върху атомно грапави равнини и краища на стъпала изисква само потенциални бариери за включването на отделни атоми или молекули. Растежът на атомно гладки повърхности също изисква образуването на стъпала, т.е. за растежа на всеки нов слой е необходима появата на ново ядро на повърхността, а това не винаги е възможно поради липсата на свръхнасищане. В този случай растежът се осъществява само чрез движение на вече съществуващи стъпки. Така първият процес от енергийна гледна точка е по-изгоден.
Освен това ръбовете на истинските кристали почти никога не са идеални. На повърхността им винаги има нарушения - дефекти, поради които възникват винтови и ръбови дислокации. Растежът на лицата се извършва в спирала чрез навиване на един слой върху друг. И такъв растеж може да възникне при произволно малки свръхнасищания и дори от пари. Следователно дислокациите са непрекъснато активен източник на образуване на слоеве и елиминират необходимостта от появата на нарастващо лице на двуизмерни ядра на повърхността.
Подобни идеи обаче се оказват неприложими за силно пренаситени разтвори и стопилки. При условия на високо свръхнасищане са възможни и други механизми на растеж. Изследването на морфологията на растежните повърхности позволява да се направят важни изводи за механизмите на кристализация. Има много методи за изследване на фасетни повърхности, основните от които са оптична и електронна микроскопия; освен това структурата и съставът на повърхността се изследват чрез дифракция на бавни електрони, масспектроскопия, ултравиолетова и рентгенова спектроскопия и др.
Форми за растеж на кристали
При различни отклонения от идеалните условиякристализация (например във вискозна, замърсена или силно пренаситена среда), растат екзотични образувания. Опитът показва, че при ниски пренасищания и преохлаждания на фронта на растеж възникват перфектни - фасетирани - кристални форми. С увеличаване на отклонението от равновесие, кристалите променят външния си вид, превръщайки се в скелети, дендрити (от гръцки. Dendron - дърво), нишковидни образувания или сферични кристали. Тези форми се различават по това, че скелетните кристали са единични кристали, докато дендритите най-често са поликристални агрегати.
Нарушаване на закономерността в подреждането на частиците, изграждащи структурите на реалните кристали, т.е. отклонения от идеалната им структура, пораждат дефекти. За изследователя дефектът е източник на информация за събитията, които са се случили с кристала.
Реалните кристали винаги съдържат структурни дефекти, които оказват значително влияние върху много свойства на твърдите тела. Тези свойства, наречени чувствителни към структурата, включват тези, свързани с движението на атоми или електрони. Това са механични свойства (якост и пластичност), йонна и полупроводникова електропроводимост, луминесценция, фотопроводимост, топлопроводимост, скорост на дифузия и фазови трансформации и редица други.
Дефектите - всякакви отклонения от периодичната структура на кристала - се класифицират според техния размер и дължината на решетъчните области, към които са засегнати. Разграничават се следните видове дефекти на кристалната решетка:
1) Точкови или нулеви дефекти - смущения в периодичността в изолирани една от друга точки на решетката; и в трите измерения те не надвишават едно или повече междуатомни разстояния (параметри на решетката). Точковите дефекти са свободни места, интерстициални атоми,примесни атоми, вградени или в заместващи позиции.
2) Линейните дефекти са едномерни, т.е. разширени в едно измерение: нарушенията на периодичността в едно измерение се простират на разстояния, сравними с размера на кристала, а в другите две те не надвишават няколко параметъра на решетката. Специфични линейни дефекти са дислокациите. Нестабилните линейни дефекти могат да възникнат от вериги от точкови дефекти.
3) Повърхностни или двуизмерни дефекти. Те се простират в две измерения на разстояния, сравними с размера на кристала, а в третото съставляват няколко параметъра на решетката. Това са равнините на побратимяване на близнаци, граници на зърна и блокове, дефекти на подреждане, стени на домейни и самата кристална повърхност.
4) Обемни или триизмерни. Това са кухини, пори, частици от друга фаза, включвания.
В допълнение към горното може да се разграничи специална група дефекти, която е характерна главно за полупроводникови кристали - микродефекти. Под микродефекти се разбират всякакви структурни дефекти с субмикронни размери.
История на получаване на изкуствени кристали
Първият опит за получаване на изкуствени кристали може да се отнесе към Средновековието, към разцвета на алхимията. И въпреки че крайната цел на експериментите на алхимиците беше да се получи злато от прости вещества, може да се предположи, че те се опитват да отглеждат кристали от скъпоценни камъни.
Целенасоченото създаване на изкуствени кристали от минерали се свързва с името на френския химик М. Годен, който през 1837 г. успява да получи най-малките (1 карат - 0,2 g) рубинени кристали. Впоследствие се правят многократни опити за получаване на изкуствени рубини и вече в края на 19 век. успява да синтезира редица съединения от групата на корунда. И през 1902 г. френският химик M.A. Verneuil започва да доставя на световния пазарсинтетични рубини, по-късно сапфири и шпинели.
Малко по-късно бяха синтезирани кристали от много скъпоценни камъни, които, заедно с естествените, бяха широко използвани не само като суровини за бижута, но и в промишлеността, където вече бяха необходими единични кристали с достатъчно големи размери.
През последния половин век, поради бързото развитие на технологиите и инструментите, необходимостта от кристали със специфични свойства, като пиезоелектрични, полупроводникови, луминесцентни, акустични, лазерни, оптични и др., нараства всяка година. Освен това създаването на съвременни устройства изисква кристали с такива уникални свойства, каквито природните обекти не притежават. Всичко това допринася за развитието на промишленото отглеждане на изкуствени кристали.
Работите върху теорията и практиката на отглеждане на кристали допринесоха за интензивното развитие на научните изследвания в областта на реалните процеси на кристалообразуване, по-специално в естествени условия.
Симулацията на естествени процеси на образуване на кристали в лабораторията дава възможност да се разберат и обяснят редица причини за нуклеацията, растежа и разрушаването на кристалите в реални условия.
Списък с референции
Булах А.Г. Минералогия с основите на кристалографията. М.: Алфа-М, 1989. - 156 с.
Егоров-Тисменко Ю.К. Кристалография и кристалохимия: учебник. - М.: КДУ, 2005. - 592 с.
Попов Г.М., Шафрановски И.И. кристалография. М.: ГОСГЕО - ЛТЕХИЗДАТ, 1955 г. – 215s