Реферат
По курсу "Кристалографія і кристалохімія"
"Крісталлогенезіс - виникнення, зростання і руйнування кристалів"
Зміст
Введення
Утворення кристалів у природі
Причини та умови утворення кристалів
Механізми росту кристалів
Форми росту кристалів
Дефекти кристалів
Історія отримання штучних кристалів
Список використаної літератури
Введення
Крісталлогенезіс - виникнення, зростання і руйнування кристалів
Для розуміння процесів, що призводять до зародження і росту кристалів, необхідні знання з області фізики, хімії, кристалографії та інших гілок науки.
Однак підхід до вивчення кристалів у різних фахівців різний: фізиків кристали цікавлять як матеріал, що використовується в техніці і володіє цікавими фізичними властивостями; мінеролог ж на основі вивчення тих чи інших особливостей кристалів намагаються з'ясувати історію їх зародження, розвитку і подальших перетворень - визначити температуру, тиск і склад середовища, в якій кристали зароджувалися і росли, тобто визначити послідовність тих фізико-хімічних процесів, які привели до утворення кристала.
Утворення кристалів у природі
У природі кристали утворюються при різних геологічних процесах з розчинів, розплавів, газової або твердої фази.
Значна частина мінеральних видів відбулася шляхом кристалізації з водних розчинів. Приклади випадання кристалів з розчину - випадання кристалів солей в замкнутих водоймах; зростання кристалів на стінках тріщин і порожнин при гідротермальних процесах, на великих глибинах в умовах високих тисків і температур; освіта окремих кристалів вторинних мінералів в зонах окислення рудних родовищ.
Утворення кристалів з розплавів. Якщо магматичних вогнище розташовується на великій глибині і його остигання йде повільно, то магма встигає добре раскрісталлізованних і кристали виростають досить великими і добре огранованими. Якщо магма застигає раптово, можуть утворитися некристалічні мінерали і гірські породи. Раптове застигання магми відбувається при виверженні вулканів. Потоки застиглої лави дає початок не кристалічним, а склоподібним породам.
Утворення кристалів в результаті конденсації газів або з пари. Кристалізуватися можуть не тільки водяні пари, але і пари інших речовин. Приклад-на фумарол утворюються кристали з газів.
Утворення кристалів при перекристалізації твердих речовин. При переході з твердого стану в твердий виділяють 2 випадки:
1. Кристалічна речовина утворюється з аморфного-наприклад, з плином часу закрісталлізовиваются містять скла кристалічні породи.
2. Перекристалізація - це процес, при якому структура одних речовин руйнується, і утворюються нові кристали з іншою структурою. Наприклад, вапняк під дією високих температур і тиску стає мармуром. Перекристалізація пов'язана з таким явищем як метосамотоз - перетворення гірської породи або мінералу в іншу гірську породу або мінерал під впливом привнось або виносу речовини.
Причини та умови утворення кристалів
Матеріальні частки (атоми, молекули, іони), що складають газоподібні або рідкі (розплавлені) речовини, володіючи високою кінетичної енергією, перебувають у безперервному русі. Час від часу вони зіштовхуються, утворюючи зародки - мікроскопічні фрагменти майбутньої структури. Найчастіше такі зародки розпадаються, що пов'язано або з власними коливаннями, або з бомбардуванням їх вільними частинками. Однак для початку кристалізації необхідно, щоб зародок досяг критичної величини, тобто містив таку кількість частинок, при якому приєднання наступної частки зробило б розростання зародка енергетично більш вигідним, ніж його розпад. Така можливість для більшості речовин проявляється або зі зниженням температури, в результаті чого зменшуються температурні коливання, або з підвищенням концентрації речовини в розчині чи газі, що призводить до збільшення вірогідності зустрічі часток один з одним, тобто до виникнення зародків.
Таким чином, зростання кристалів можна розглядати як процес, за допомогою якого дрібні кристалічні частки - зародки - досягають макроскопічних розмірів. Причому кристалізація протікає не у всьому обсязі, а лише там, де виникнуть зародки. Факторами, що впливають на появу зародків, є не тільки переохолодження і підвищення концентрації розчину або в'язкості розплаву, але і присутність сторонніх уламків кристалів або порошин, на поверхні яких збираються частинки, спрощуючи цим початок кристалізації.
Процес кристалізації є енергетично вигідним. Зростаючий кристал не приймає рівноважну форму внаслідок того, що на нього впливають різні умови, що змінюються кристалізації: температура, тиск, сила тяжіння, хімічний склад і динаміка середовища і т.д.
Механізми росту кристалів
Істотний внесок у вирішення питань про механізм росту кристалів внесли розроблені теорії зростання ідеальних кристалів.
В кінці XIX ст. американським фізиком Дж. Гіббсом (1839-1903), французьким фізиком П. Кюрі та російською кристаллографом Г.В. Вульфом на термодинамічної основі була розроблена кількісна теорія зародження і росту кристалів. Дещо пізніше, в 20-х рр.. XX ст., Німецьким фізиком М. Фольмером (1885-1965) була висунута теорія самовільного зародження кристалів і їх зростання.
Слідом за термодинамічним вченням Гіббса у 1927 році найбільше визнання отримали теоретичні роботи німецького фізико-хіміка В. Косселя (1888 - 1956) та болгарського фізика І.М. Странского (1897 - 1979), що поклали початок молекулярно-кінетичної теорії росту кристалів. Вони розглянули зростання ідеального кристала при незначному перенасичення без урахування недосконалостей реальних кристалів і впливу середовища кристалізації. Ця теорія пояснила явище пошарового росту кристалів з позицій атомно-молекулярного стану поверхні зростаючого кристала, спираючись на енергетичну вигідність приєднання окремих частинок речовини в різні позиції на вільній від дефектів поверхні кристалів.
У процесі росту виникають або атомно-гладкі, або атомно-шорсткі грані. Атомно-гладкі грані ростуть шляхом пошарового відкладення речовини, тобто тангенціального переміщення ступенів, і залишаються в процесі росту макроскопічно плоскими. Таке зростання називається тангенціальним або пошаровим. При цьому швидкість росту різних граней буде різна. У результаті кристали будуть рости в ідеї багатогранника.
Кристали з атомно-шорсткими гранями можуть приєднувати частинки з макроскопічної точки зору практично в будь-якій точці поверхні. Тому поверхня грані в процесі росту переміщається по нормалі до самої себе в кожній своїй точці. Таке зростання називається нормальним. При цьому швидкості росту граней кристала в різних напрямках будуть приблизно однакові і кристали придбають округлі форми ізотерм кристалізації. Дослідження морфології кристалів дає інформацію про атомні процесах, що відбуваються на поверхні зростаючого кристала.
Зростання на атомно-шорсткуватих площинах і торцях ступенів вимагає лише потенційних бар'єрів для вбудовування окремих атомів або молекул. Зростання ж атомно-гладких поверхонь вимагає ще й освіти ступенів, тобто для росту кожного нового шару необхідна поява на поверхні нового зародка, а це не завжди можливо через нестачу пересичені. У цьому випадку зростання відбувається лише шляхом руху вже наявних ступенів. Таким чином, перший процес з енергетичної точки зору виявляється більш вигідним.
Крім того, грані реальних кристалів практично ніколи не бувають ідеальні. На їх поверхні завжди є порушення - дефекти, завдяки яким виникають гвинтові і крайові дислокації. Наростання граней відбувається по спіралі шляхом навивання одного шару на інший. І таке зростання може відбуватися при скільки завгодно малих пересичені і навіть з парів. Дислокації, отже, є безперервно діючим джерелом виникнення шарів і знімають необхідність появи на поверхні зростаючої грані двомірних зародків.
Однак такі уявлення виявилися незастосовні для сильно пересичених розчинів і розплавів. В умовах великих пересичень можливі й інші механізми зростання. Дослідження морфології поверхонь росту дає можливість зробити важливі висновки про механізми кристалізації. Існує багато методів дослідження поверхонь граней, головними з яких є оптична та електронна мікроскопія, крім того, структура і склад поверхні вивчаються методами дифракції повільних електронів, мас-спектроскопії, ультрафіолетової і рентгенівської спектроскопії та т.д.
Форми росту кристалів
При різних відхиленнях від ідеальних умов кристалізації (наприклад, у в'язких, забруднених або сильно пересичених середовищах) виростають екзотичні освіти. Досвід показує, що при малих пересичення і переохолодженнях на фронті зростання виникають скоєні - гранні - форми кристалів. Зі збільшенням відхилення від рівноваги кристали змінюють свій вигляд, перетворюючись на скелети, дендрити (від грец. Дендрон - дерево), ниткоподібні освіти або кристали сферичної форми. Зазначені форми розрізняються тим, що скелетні кристали - це монокристали, а дендрити - найчастіше полікристалічні агрегати.
Дефекти кристалів
Порушення правильності в розташуванні частинок, що складають структури реальних кристалів, тобто відхилення від їх ідеальної структури, породжують дефекти. Для дослідника дефект - це джерело інформації про події, що сталися з кристалом.
У реальних кристалах завжди присутні структурні дефекти, які мають істотний вплив на багато властивостей твердих тіл. До цих властивостей, що має назву структурно-чутливими, належать ті, які пов'язані з рухом атомів або електронів. Це механічні властивості (міцність і пластичність), іонна та напівпровідникова електропровідність, люмінесценція, фотопровідність, теплопровідність, швидкість дифузії і фазових перетворень, і ряд інших.
Дефекти - будь-які відхилення від періодичної структури кристала - класифікують за їх розмірами та протяжності областей грати, на яке поширюється їх дія. Виділяють такі типи дефектів кристалічної решітки:
1) Точкові або нульмерние дефекти - порушення в періодичності в ізольованих один від одного точках решітки; у всіх трьох вимірах вони не перевищують одного або декількох міжатомної відстані (параметрів решітки). Точкові дефекти - це вакансії, міжвузольний атоми, атоми домішки, впроваджені або в позиції заміщення.
2) Лінійні дефекти - одномірні, тобто протяжні в одному вимірі: порушення періодичності в одному вимірі простягаються на відстані, порівнянні з розміром кристала, а в двох інших не перевищують кількох параметрів решітки. Специфічні лінійні дефекти - це дислокації. Нестійкі лінійні дефекти можуть виникати з ланцюжків точкових дефектів.
3) Поверхневі або двовимірні дефекти. Простягаються у двох вимірах на відстані, порівнянні з розміром кристала, а в третьому становлять кілька параметрів решітки. Це площині двійникування у двійників, межі зерен і блоків, дефекти упаковки, стінки доменів, і сама поверхня кристала.
4) Об'ємні або тривимірні. Це порожнечі, пори, частинки іншої фази, включення.
Крім перерахованих, можна виділити особливу групу дефектів, характерну, в основному, для напівпровідникових кристалів - мікродефекти. Під мікродефектів розуміють будь-які дефекти структури субмікронних розмірів.
Історія отримання штучних кристалів
Першу спробу отримання штучних кристалів можна віднести до Середньовіччя, до періоду розквіту алхімії. І хоча кінцевою метою дослідів алхіміків було одержання золота з простих речовин, можна припустити, що вони намагалися виростити кристали дорогоцінних каменів.
Цілеспрямоване створення штучних кристалів мінералів пов'язано з ім'ям французького хіміка М. Годена, якому в 1837 р. вдалося отримати найдрібніші (в 1 карат - 0,2 г) кристали рубіна. Надалі робилися неодноразові спроби отримання штучних рубінів, і вже в кінці X IX ст. вдалося синтезувати ряд з'єднань групи корунду. А в 1902 р. французький хімік М.А. Вернейль почав постачати на світовий ринок синтетичні рубіни, сапфіри пізніше і шпінелі.
Трохи пізніше були синтезовані кристали багатьох дорогоцінних каменів, що знайшли поряд з природними широке застосування не тільки в якості ювелірного сировини, але і в промисловості, де знадобилися вже монокристали досить великих розмірів.
В останні півстоліття в зв'язку з бурхливим розвитком техніки і приладобудування з кожним роком зростає потреба в кристалах, що володіють специфічними властивостями, такими як п'єзоелектричні, напівпровідникові, люмінесцентні, акустичні, лазерні, оптичні і т.д. Крім того, для створення сучасних приладів потрібні кристали з такими унікальними властивостями, якими природні об'єкти не мають. Все це сприяє становленню промислового вирощування штучних кристалів.
Роботи з теорії та практиці вирощування кристалів сприяли інтенсивному розвитку наукових досліджень в галузі процесів реального кристаллообразования, зокрема в природних умовах.
Моделювання природних процесів кристаллообразования в лабораторії дозволяє зрозуміти і пояснити ряд причин зародження, розвитку і руйнування кристалів в реальних умовах.
Список використаної літератури
Булах А.Г. Мінералогія з основами кристалографії. М.: Альфа-М, 1989. - 156 с.
Єгоров-Тісменко Ю.К. Кристалографія і кристалохімія: підручник. - М.: КДУ, 2005. - 592 с.
Попов Г.М., Шафрановський І.І. Кристалографія. М.: ГОСГЕО - ЛТЕХІЗДАТ, 1955р. - 215с