Kodėl kristalai yra tokios formos?
Trumpas atsakymas: Kristalai įgauna tokią formą, nes jų atomai arba molekulės išsidėstę taisyklingais raštais. Dėl rašto ir skirtingų paviršių augimo greičio išorinė forma tampa plokščia ir kampuota.
Ką tai reiškia?
Kristalo viduje dalelės išsidėsčiusios pasikartojančiu trimačiu raštu, vadinamu gardele. Šis pasikartojantis vienetas, elementarioji ląstelė, kartojasi vėl ir vėl ir nustato pagrindines kristalo augimo kryptis. Skirtingos kryptys turi skirtingą stiprumą ir skirtingą jungčių skaičių.
Stabilesnės arba lėčiau augančios plokštumos tampa plokščiomis pusėmis, kurias matote. Augimo sąlygos, tokios kaip temperatūra, tirpalo koncentracija ir priemaišos, keičiasi, kurios plokštumos auga greičiau. Dėl to to paties mineralo kristalai skirtingomis sąlygomis atrodo skirtingai.
Taigi maža atomų tvarka ir augimo sąlygos kartu formuoja kristalą.
Ką sako fizika
Įvardyti dėsniai / principai: Poveikis/dėsnis: Kristalinės gardelės simetrija ir paviršiaus energijos minimizavimas (dažnai apibūdinami Wulffo konstrukcija) paaiškina kristalų formas.
Atominiu mastu elementarioji ląstelė kartojasi, sudarydama gardelę. Šios gardelės simetrija reiškia, kad kai kurios kryptys yra ypatingos. Kristalo paviršiuje atomai turi mažiau kaimynų ir didesnę energiją.
Kristalas linkęs sumažinti bendrą paviršiaus energiją, todėl mažesnės paviršiaus energijos paviršiai auga ir išgyvena, o didelės energijos paviršiai nyksta. Augimas taip pat yra kinetinis: kai kurie paviršiai greičiau prideda naujų atomų, todėl greitai augantys paviršiai išnyksta, o lėtai augantys paviršiai lieka plokšti. Priemaišos, temperatūra ir statybinių blokų tiekimas keičia augimo greitį ir gali pakeisti galutinę kristalo formą (bendrą išorinę formą).
Wulffo konstrukcija yra geometrinis būdas numatyti, kurie paviršiai atsiranda, lyginant kiekvienos orientacijos paviršiaus energijas .
Kaip mes tai žinome: Mokslininkai naudoja rentgeno spindulių difrakciją, kad nustatytų kristalų gardelę ir simetriją, o elektroninius arba optinius mikroskopus, kad pamatytų tikras formas ir augimo etapus. Laboratoriniai augimo eksperimentai tikrina, kaip besikeičiančios sąlygos keičia kristalo formą.
Pastebėk aplink
- Valgomoji druska (halitas) sudaro beveik tobulus kubus.
- Snaigės pasižymi šešiakampe simetrija ir daugybe sudėtingų atšakų.
- Kvarcas dažnai sudaro ilgas šešiakampes prizmes su smailiais galais.
- Cukrus (sacharozė) sudaro pailgus monoklininius kristalus, naudojamus uolienų saldainiuose.
- Piritas gali sudaryti blizgančius kubinius kristalus, kurie atrodo kaip mažytės dėžutės.
Išbandymas
Uolinių saldainių auginimas
Sauga: Karštas vanduo gali nudeginti. Paprašykite suaugusiojo pagalbos.
Priemonės
- cukrus
- vanduo
- stiklinis indas
- medinis pagaliukas arba virvelė
- skalbinių segtukas arba pieštukas
- indelis šildymui
- pasirinktinai maistiniai dažai
Žingsniai
- Pašildykite apie 1 puodelį vandens, kol sušils, tada lėtai maišykite cukrų, kol nebeištirps daugiau cukraus, kad gautumėte labai koncentruotą tirpalą.
- Leiskite tirpalui šiek tiek atvėsti, supilkite į švarų stiklainį ir, jei norite, įberkite maistinių dažų.
- Pririškite virvelę prie pagaliuko arba skalbinių segtuko ir pakabinkite ją taip, kad ji kabėtų tirpale neliesdama sienelių.
- Padėkite stiklainį kažkur ramiai ir palaukite kelias dienas ar savaitę.
- Nuimkite virvelę, kai susidaro kristalai, ir leiskite jiems išdžiūti. Ką tai rodo: Matote, kaip kristalai auga ant virvelės, cukraus molekulėms išsirikiuojant į pasikartojantį raštą.
Žodžiai, kuriuos verta žinoti
- Elementinė gardelė: Mažiausias pasikartojantis atomų blokas kristalinėje gardelėje.
- Gardelė: Trimatis tinklelis, rodantis, kaip atomai išsidėstę kristale.
- Paviršiaus energija: Papildoma energija kristalo paviršiuje, nes atomai turi mažiau kaimynų.
- Įprotis: Bendra išorinė forma, į kurią kristalas auga.
- Anizotropinis augimas: Kai augimas kai kuriomis kryptimis vyksta greičiau nei kitomis.
Dažni klausimai
Ar kristalai gali turėti kokią nors formą?
Ne. Vidinis atominis modelis ir augimo sąlygos riboja, kokios formos gali susidaryti.
Kodėl snaigės turi šešias kraštines?
Vandens molekulės išsidėsčiusios taip, kad tai kartotųsi kas 60 laipsnių, todėl ledo kristalai auga šešiaguba simetrija.
Ar priemaišos keičia kristalų formas?
Taip. Priemaišos gali prilipti prie paviršių, sulėtindamos augimą ir pakeisdamos galutinę formą.
Ar žmogaus sukurti kristalai skiriasi nuo natūralių?
Jie gali būti panašūs, tačiau laboratorinės sąlygos leidžia mums tiksliau kontroliuoti dydį ir formą.